Tuotannonohjaus

Tuotannonohjaus on menetelmä, jolla yritys pyrkii ohjaamaan tuotantoa, jotta se pystyisi täyttämään tilattujen tuotteiden valmistamisen vaatimukset laadusta, määrästä ja toimitusajasta. Tuotannon ohjaukseen on perinteisesti kuulunut tuotannon ajoitus, varastojen valvonta ja tuotantokapasiteetin tehokas hyödyntäminen. Nykyään tuotannonohjaukseen sisällytetään koko toimitusketjun kustannusten ja laadun hallinta, sekä tavaravirtojen lisäksi myös informaatiovirrat. Tuotannonohjauksen tehtävänä on toteuttaa yrityksen valitsemaa tuotantostrategiaa.

Tietojärjestelmien tukema tuotannonohjaus

Tuotannonohjausta on tehty jo ennen tietokoneita, mutta käytännössä nykyinen tuotannonohjaus on hyvin pitkälle tietojärjestelmien tukemaa. Alussa materiaalinhallinta perustui lähinnä tilauspisteeseen, ja ajatukseen pitkistä tuotteiden elinkaarista ja siitä että kaikkea varastoidaan hieman asiakkaan ennustettavaa kysyntää vastaten.

Historiallista syistä tuotannonohjaukseen liittyy monia hieman päällekkäisiä käsitteitä:

• MRP (Material Requirements Planning) on vanhin ohjelmatyyppi, jossa lasketaan saatujen tilausten ja myyntiennusteen mukaan tuotantoaikataulu. Tuotantoaikataulun ja osaluettelon (BOM) perusteella lasketaan materiaalitarve valmistusta varten ja verrataan tätä sitten varastoon, jolloin saadaan hankittavan materiaalin määrä tietoon. Tämän lisäksi huomioidaan materiaalien toimitusajat, jollei materiaalia ole riittävästi varastossa, tai materiaali ei kuulu varastoitaviin materiaaleihin. Tuotantoaikataulu varmistetaan vasta kun materiaalien saatavuus on varmistettu.
• MRP II (Manufacturing Resource Planning) oli seuraava kehitysaskel, jossa materiaaliohjauksen lisäksi mallinnetaan tuotteen reittiä ja lasketaan siihen tarvittavaa aikaa tehtaassa ja seurataan, että tuotantokoneiden kapasiteettia ei ylitetä. Edistyneissä järjestelmissä myös eräkoko vaikuttaa laskuihin. Tällöin materiaalitarve ja toimituksiin tarvittava aika voidaan laskea jokaiselle tuontantoprosessin vaiheelle, esimerkiksi koneelle, erikseen. Mikäli tuotantoprosessin läpimenoaika on pitkä, tästä syntyy merkittäviä eroavaisuuksia. MRP II lisäsi myös kustannuslaskennan ja taloushallinnan näkökulmia tuotannonohjaukseen.
• ERP (Enterprise Resource Planning) toiminnanohjausjärjestelmä oli seuraava askel kehitystrendissä, jossa halutaan integroida yrityksen eri ohjelmistoja. ERP järjestelmässä yhdistyy lainsäädännön ja kirjanpidon tarpeista syntyneet taloushallinnonohjelmistot ja tuotannonohjausohjelmat, MRP on siis oleellinen osa ERP järjestelmää. MRPtä käytetään siis materiaalitarpeen suunnitteluun ja tilaamiseen sen varastoinnin sijasta (/lisäksi). MRP:n lisäksi ERP:ssä on MPS (Master Production Schedule) koostuen BOM:sta (Bill of Material, materiaaliluettelo) sekä ainutkertaiset osanumerot. Kirjanpidon vaatimukset luovat yrityksille varsin samankaltaisia tarpeita ja näistä lähtökohdista on mahdollista tehdä ohjelma, joka sopii suurelle määrälle yrityksiä. Tuotannonohjauksessa sen sijaan vaatimukset vaihtelevat enemmän ja kaikille sopivista ohjelmista tulee helposti niin monimutkaisia, että niitä ei enää osata käyttää. Toisaalta räätälöinti vaikeuttaa uusien ERP järjestelmän versioiden päivittämistä, ja siten kasvattaa järjestelmän kustannuksia merkittävästi. Samoin yritysten tietojärjestelmiin tarvitaan tiedonvälitystä tuotantoautomaation kanssa.
• MES (Manufacturing Execution System) -taso on käytännön vaatimuksista syntynyt tuotannonohjausohjelmisto ERP-järjestelmien ja tuotantoautomaation välillä. MES-tasolle siirretään ERP-järjestelmästä tilaukset, jossa niiden valmistusjärjestystä voidaan optimoida. MES-tasolta tilaukset siirtyvät automaatiolle tai manuaalisissa työtehtävissä työntekijöille siinä muodossa, kun automaatio tai tuotanto ne vaatii. Automaatiosta tai tuotannon työpisteistä kerätään takaisin tietoa tuotantomääristä, ajoarvoja laadunvalvontaa varten, raaka-aineiden ja energian kulutustietoja. Osasta näistä tiedoista laaditaan raportteja MES-tasolla ja osa siirtyy ERP-tasolle, jossa seurataan koko yrityksen taloudellista tulosta. MES-järjestelmien tuottamaa tietoa voidaan käyttää KNL-tunnuslukujen (Overall Equipment Effectiveness, OEE) laskentaan.
• APS (Advanced Planning and Scheduling) -ohjelmistot. Nämä ohjelmistot ovat tulleet korvaamaan tyypillisesti tuotannonsuunnittelun excel-ohjelmistoja. Niissä suunnittelu tapahtuu off-line tilassa (vrt. ERP:n on-line tila) omassa tietokannassaan, jossa voidaan simuloida eri vaihtoehtoja. APS-ohjelmistoilla aikataulutetaan vaiheketjuja ja hallitaan tuotannon muutoksia päivittäisellä tai viikkotasolla. Ohjelmistoilla simuloidaan ja opimoidaan myös kysynnän vaihtelusta aiheutuvien muutosten seurauksia (demand planning). Nykyisin APS-järjestelmät eivät kaikki ole irrallisia ohjelmistoja, vaan aikataulutustoiminnallisuuksia on integroitu osaksi MES-järjestelmiä.

ERP/MES-järjestelmät käytännössä ovat paljolti rekisteröiviä, tapahtumapohjaisia ohjelmistoja, joissa suunnittelumahdollisuudet ovat vähäisiä. Tämän vuoksi on olemassa erillisiä ohjelmia tai MES-ohjelmistoihin integroituja ohjelmistomoduuleita, joilla voidaan simuloida tuotantoa ja laskea "mitä jos" -tapauksia. Näistä ohjelmistoista käytetään englannin kielessä nimitystä "Advanced Planning and Scheduling", APS (katso edellä). Näitä käytetään tilausten valmistusjärjestyksen optimointiin. Tällaista optimointia on esimerkiksi se, että maalauslinjoilla tehdään ensin päivän kaikki valkoiset osat ja sitten vaihdetaan väriä asteittain tummempaan, koska silloin vaihdot ovat helpompia.

Tietojärjestelmät ovat perinteisesti pohjautuneet työntöohjaukseen imuohjauksen sijasta. Työntöohjauksella tarkoitetaan sitä, että tuotteita valmistetaan ennusteen mukaan. Imuohjaus puolestaan perustuu toimitustilauksiin, jossa seuraava tuotantovaihe imee edelliseltä tuotantovaiheelta osakokonaisuuksia niiden kulutukseen perustuen. Ohjaus etenee näin läpi koko tehtaan tuotantoprosessin, esimerkiksi kanban -menetelmän tai kahden laatikon -menetelmän avulla. Imuohjauksen avulla pyritään pienentämään varastoja ja yritykseen sitoutunutta vaihto-omaisuutta.

Tietojärjestelmät ovat perinteisesti mallintaneet materiaalitarvetta takaisinlaskennan avulla, mikä tarkoittaa sitä että varastointikustannusten minimoimiseksi materiaali tilataan mahdollisimman myöhään, eli tuotanto ajoitettiin mahdollisimman myöhäiseen vaiheeseen (as late as possible), jolloin häiriöiden hallitsemiseen ei jätetty aikapuskuria, ja puskuri rakennettiin prosessiin tarpeettoman pitkillä läpimenoajoilla. Nykyisin suositellaan eteenpäin laskentaa, joka jättää myös pienen aikapuskurin häiriöiden varalle hyvän toimitusvarmuuden varmistamiseksi.

Pullonkaulat ja rajoitteet tuotannonohjauksessa

Konepajatyyppisessä tuotannossa yksi osa saattaa käydä monissa valmistuspisteissä ja sillä saattaa olla monia vaihtoehtoisia reittejä. Tämä tekee optimoinnista ja ohjauksesta vaikeaa, minkä vuoksi tehtaissa toiminta jaetaan usein linjoiksi ja soluiksi, jotka tekevät jonkin tuotteen alusta loppuun. Näin ohjaus on helpompaa ja kapasiteetti saadaan paremmin käyttöön. Tällaisessa linjassa on usein pullonkaula, joka määrää koko linjan kapasiteetin. Pullonkaulaa voidaan käyttää avuksi helpottamaan tuotannonohjausta, koska silloin voidaan keskittyä siihen, että pullonkaula on aina kuormitettu. Pullonkaulan kuormitus pyritään varmistamaan muun muassa juuri pullonkaulan eteen sijoitetulla pienellä osien välivarastoinnilla. Rajoitteisiin (esimerkiksi pullonkaulaan) liittyvää ohjausperiaatetta käsitellään kapeikkoajattelussa. Pullonkaulat saattavat tehtaassa siirtyä, mikä tekee ohjauksesta haasteellista - tämän vuoksi usein systeemin yksi rajoite (esimerkiksi pullonkaula) valitaan ohjauspisteeksi, jonka mukaan tuotanto ajoitetaan. Itse asiassa pullonkaulan siirtäminen (esimerkiksi kapasiteettia nostamalla tai asetusaikoja lyhentämällä tai sarjakokoja pienentämällä) onkin yksi prosessinkehittämisen ja TOC-ajattelun tavoitteita.

Simulointi- ja APS-järjestelmät

Edellä mainittiin ERP/MES -järjestelmiin integroitavista ohjelmistomoduuleista. APS (Advanced Planning & Scheduling)-järjestelmät on kehitetty täydentämään ERP-järjestelmiä ja MES-järjestelmiä tuotannonsuunnittelun osalta. Suomenkielessä puhutaan usein hienokuormitusohjelmistoista tai vain tuotannonsuunnitteluohjelmistoista. ERP-järjestelmien OLTP (On-Line Transaction Processing)-tyyppinen teknologia, kuten edellä on todettu, edellyttää muutosten tallentamista kovalevylle. APS -järjestelmät taas hyödyntävät välimuistia ja ovat siten nopeita. Niissä suunnittelu tapahtuukin omassa tietokannassaan off-line tilassa. APS-järjestelmät ovat yleistymässä ja ne korvaavatkin tyypillisesti tuotannonsuunnittelun excel-sovellukset. APS -järjestelmistä kehittyneimmät mahdollistavat koko tuotantoketjun aikatauluttamisen ja muutosten hallinnan. APS-järjestelmien uusi sukupolvi hyödyntää hienokuormituksessa avustavaa tekoälyä. Edellä kuvattu MES-järjestelmä tuottaa APS-järjestelmälle reaaliaikaista tietoa tuotannon tilasta mm. häiriöiden (esim. konerikot), työvuorosuunnittelun, vaiheaikojen, kappalemäärien ja varastotapahtumien muutosten osalta. MES-järjestelmän suurin hyöty saadaankin, kun järjestelmään integroidaan APS-järjestelmä. Näin voidaan jo etukäteen poistaa materiaalipuutteista, kiireellisyyksistä tai resurssihäiriöistä syntyviä ongelmia. Tuotannon yllättäviin ongelmiin reagointi on nykyään tehostunut, kun APS-järjestelmään kytketty tekoäly kykenee arvioimaan uuden työjärjestyksen nopeammin useallekin työpisteelle kerralla. Yrityksen tuottavuuden kannalta MES/APS-järjestelmillä lyhennetään läpimenoaikoja ja parannetaan toimitusvarmuutta.

Erilaiset tuotannonohjaustapaukset

Yritysten tuotantotekniikka, tuote ja asiakaskunta määrää paljolti, voiko yritys toimia tilauspohjaisesti tai tekeekö se tuotteita varastoon. Puhtaasti tilauspohjaisen ja varastoon valmistamisen välissä on useita variaatioita.

1. Eniten räätälöityjä ovat ne tuotteet, tyypillisesti tuotantokoneet tai laivat, joita aletaan suunnitella vasta tilauksen saavuttua.
2. Seuraava taso on se, että piirustukset ovat olemassa, mutta raaka-aineet tilataan vasta tilauksen saavuttua. Tyypillisiä tällaisia tuotteita ovat esimerkiksi isot sähkömoottorit ja vastaavat pitkälle standardoituneet investointitavarat.
3. Kolmas taso on aloittaa kokoonpano, kun tilaus on saatu. Toimitusaikaa voidaan lyhentää tekemällä puolivalmisteita varastoon, jolloin tilauksen saavuttua voidaan aloittaa kokoonpano. Tällöin on vielä mahdollista koota tuote asiakaskohtaisen tilauksen mukaan. Kokoonpanosta tilauspohjaisesti, jolloin asiakaan tarpeen mukaan tehty tuote voidaan toimittaa asiakkaalle hyvin lyhyellä toimitusajalla, on esimerkiksi Dell tehnyt menestystarinan. DELL on jopa järjestänyt varastonsa siten, että kaikki osat ovat komponenttitoimittajan omaisuutta (niin sanottu kaupintavarastoperiaate), kunnes osat käytetään.
4. Puhtaasti varastoon tehdään tuotantoa silloin, kun tärkeintä on optimoida tuotannontehokkuus. Toinen syy voi johtua valmistusprosessista, joka ei ole käynnistämisen jälkeen helposti pysäytettävissä, kuten tasolasinvalmistus tai masuuniprosessit. Tuotannonohjausta voi vaikeuttaa myös se, että raaka-aineen toimituksia ei voida pysäyttää, kuten meijerituotannossa. Valmistavassa teollisuudessa harvoin toimitaan varasto-ohjautuvasti. Poikkeuksena on massatuotanto, esimerkiksi suurin osa autotehtaista toimii ennustetun kysynnän mukaan ja valmistaa väri- ja varusteluvaihtoehtoja sen mukaisesti ja vain muutama autotehdas valmistaa autoja tilauspohjaisesti.

JIT- ja LEAN-tuotannonohjausfilosofiat

JIT-ajattelussa halutaan minimoida varastoja ja sen mukaan tuotteet valmistetaan siten, että toimituspäivästä aletaan laskea taaksepäin, koska valmistuksen pitäisi alkaa, jotta tuote on valmiina toimituspäivänä.

Lean-ajattelussa pyritään tekemään tilauspohjainen tuotanto mahdolliseksi sarjakokoja pienentämällä, läpäisyaikoja lyhentämällä ja arvoa tuottamatonta aikaa prosessista poistamalla. Lean-ajattelu pyrkii optimoimaan koko arvoketjun kokonaiskustannuksia, ja siitä syystä yksittäisen yrityksen tuotannon tehokkuus ei ole sen tärkein tavoite. Tuotantoprosesseissa voi jopa 95 % ajasta kulua arvoa tuottamattomiin toimintoihin, kuten varastoihin.^lähde?

Arvoa tuottamattomiksi toimintoihin on olemassa muistisääntö TIMWOOD (7 wastes of Lean).

• T = Transport & handling (kuljetus ja käsittely)
• I = Inventory & storage (varastoinnit)
• M = Motion (liike)
• W = Waiting (odotus)
• O = Overproduction (ylituotanto)
• O = Over processing (yliprosessointi)
• D = Defects, rework & inspection (vikaantuminen, korjaus ja tarkastus)

Lean-ajattelumallissa tuotannossa olevien työpisteiden uudelleen sijoittelu muodostaa yleensä ns. U-solun. Tässä uudessa Lean-solussa työvaiheet on tutkittu ja niiden kesto on mitattu tarkasti. Tarkoituksena on, että työvaiheet seuraavat toinen toisiaan ja niiden kestot ovat pitkälti samanlaiset. Tällä menetelmällä päästään myös helposti sarjakokoa pienentäviin projekteihin (single piece flow).

U-solut rakennetaan usein läpivirtaushyllyistä. Näin solun työntekijä voi keskittyä tuotteiden valmistamiseen ja materiaalinkeräilijä (engl. water spider) tuo yleensä työmääräimen mukaan tarvittavan määrän tuotteisiin tarvittavia komponentteja läpivirtaushyllyihin. Hyllyissä voi olla materiaalinkeräilijälle signaalina esim. kaksi-laatikko -järjestelmä: Kun ensimmäinen materiaalilaatikko tyhjenee, nostaa työntekijä sen sivuun, jolloin materiaalinkeräilijä tietää tuoda uuden laatikon läpivirtaushyllyyn.

Lähteet

• ERP: Tools, Techniques and Applications for Integrating Supply Chain (englanniksi)
• Production Planning and Control
• Information Technology for Manufacturing: Reducing Costs and Expanding Capabilities by Kevin Ake , John Clemons , and Mark Cubine [1]^{[vanhentunut linkki]}
• SkyPlanner - Hienokuormitus, suomalainen tekoälyn avustama uuden sukupolven APS-järjestelmä