Örebro universitet Örebro University
Institutionen för naturvetenskap och teknik School of Science and Technology
701 82 Örebro SE-701 82 Örebro, Sweden
Automatisering av produktionsprocess
Kartläggning hos Hitachi ABB Power Grids
Linn Nielsen och Mamz Shuker Civilingenjör, Industriell ekonomi
Örebro vårterminen 2021
Examinator: Professor Nader Asnafi Automation of production system Mapping at Hitachi ABB Power Grids
Sammanfattning
Syftet med detta examensarbete är att identifiera områden där den nuvarande produktionsprocessen kan effektiviseras med hjälp av automationslösningar och hur denna effektivisering kan bidra till förbättrad produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi. Idag har Hitachi ABB Power Grids en manuell tillverkningsprocess avseende kundanpassade krafttransformatorer och de försöker bemöta en efterfrågan som kräver ett mer automatiserat tillvägagångssätt. Studiens problemställning behandlar fem arbetsstationer för tillverkning av de inre komponenterna av krafttransformatorer. Dessa arbetsstationer är anslutningsdon (A-don), kärnläggning (inklusive kärnklippning), lindning, aktiv delmontage och slutmontage. Studiens frågeställningar är, 1. hur bör Hitachi ABB Power Grids manuellt baserade produktionsprocess effektiviseras genom automationslösningar? och 2. vilken automationslösning uppfyller bäst kraven på ökad produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi med godtagbar lönsamhet? För att besvara dessa frågeställningar och uppnå studiens syfte, genomfördes examensarbetet i form av en kvalitativ fallstudie, vilket medförde att data insamlades via dokument, observationer, intervjuer och litteraturer.
Hitachi ABB Power Grids nuvarande process studerades och en dialog fördes med de anställda. Följaktligen identifierades hinder som har gjort att Hitachi ABB Power Grids ännu inte har implementerat automatisering. Tillsammans med en marknadsbeskrivning, har flertal konceptförslag brainstormats fram. Kärnläggningsmaskin är en potentiell automationslösning hos Hitachi ABB Power Grids produktion, men har selekterats bort utifrån företagets behov. Studien resulterade i förstärkt verklighet (AR) i produktionsprocessen för ökad kommunikation. Det diskuteras en helhetslösning för att undvika en förskjutningseffekt som kan uppstå vid automatisering av endast en arbetsstation. Om företaget implementerar kärnläggningsmaskinen, försvinner flaskhalsen vid denna arbetsstation där färdigklippt plåt väntar på att nyttjas. Följaktligen skulle en ny flaskhals uppstå vid lindningen som inte skulle kunna upprätthålla samma hastighet, därmed kan fler kärnor tillverkas än vad som hinner lindas. För att hålla samma produktivitet bör lindningens totala arbetsstationsyta vidgas och göra plats för fler lindningsstationer. Arbetskraften som tidigare befunnit sig vid kärnläggningen, kan läras upp till att bli lindare som i sin tur kan effektiviseras genom att låta arbetstagarna läras upp i en mixad verklighet. Slutsatsen är att Microsofts AR-utrustning, HoloLens 2 Remote Assist, är den lösning som uppfyller bäst kraven på ökad produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi. En investering i denna informationstekniska lösning skulle resultera i en återbetalningsperiod på 12 månader.
Nyckelord: automatisering, förstärkt verklighet (AR), produktivitet, kvalitet, säkerhet, ergonomi, investeringsbeslut
Abstract
The purpose of this thesis is to identify areas where the present production process can be more effective with the help of automation solutions and how this efficiency can contribute to improved productivity, quality, safety and ergonomics. Today, Hitachi ABB Power Grids has a manual manufacturing process for customized power transformers and seeks to meet a demand that requires a more automated approach. The research problem deals with five workstations for Hitachi ABB Power Grids production process of the internal components of power transformers. These workstations are connectors (A-donet), core stacking (including core cutting), winding, active part assembly and final assembly.
The study's questions are, 1. how should Hitachi ABB Power Grids manually based production process be more effective through automation solutions? and 2. which automation solution meets the best requirements of increased productivity, quality, safety and ergonomics with acceptable profitability? To answer these questions and achieve the thesis purpose, the study was carried out in the form of a qualitative case study, which data was collected via documents, observations, interviews and literatures.
Hitachi ABB Power Grids current production process was studied and a dialogue was held with the employees. Consequently, the obstacles that have prevented Hitachi ABB Power Grids from implementing automation were identified. Together with a market description, several concept proposals have been brainstormed. Core-laying machine is a potential automation solution in Hitachi ABB Power Grids production but is not taken into account based on the company's needs. The study resulted in Augmented Reality (AR) in the production process for increased communication. A complete solution is discussed to avoid a shifting effect that can occur when automating only one workstation. If the company implements the core-laying machine, the bottleneck will disappear at this workstation where pre-cut sheet metal is waiting to be used. Consequently, a new bottleneck would arise at the winding which would not be able to maintain the same speed, thus more cores can be manufactured than to be wound. To maintain the same productivity, the total workstation area of the winding should be widened and make room for more winding stations. The workforce that was previously at the core, can be trained to become a winding worker which can be made more efficient by letting the workers be trained in a mixed reality. The conclusion is that Microsoft's AR equipment, HoloLens 2 Remote Assist, is the automation solution that best meets the requirements of increased productivity, quality, safety and ergonomics. An investment in this information technology solution would result in a payback period of 12 months.
Key words: automation, augmented reality (AR), productivity, quality, safety, ergonomics, investment decisions
Förord
Examensarbete har utförts under vårterminen 2021 på civilingenjörsutbildningen inom industriell ekonomi. Studien har till syfte att kartlägga automatisering i den befintliga tillverkningsprocessen av krafttransformatorer hos företaget Hitachi ABB Power Grids i Ludvika. Vi vill tacka handledare Mikael Burlin och Linda Strandberg från Hitachi ABB Power Grids, för ert stora engagemang och stöttning under studien. Ett stort tack riktas även till de anställda som har medverkat i intervjuer och svarat på frågor under observationer. Avslutningsvis vill vi tacka handledare Magnus Löfstrand och examinator Nader Asnafi på Örebro universitet, för god hjälp under arbetets gång.
Örebro, juni 2021
Innehållsförteckning
1 INTRODUKTION ... 1 1.1 Företaget ... 1 1.2 Problemställning ... 2 1.3 Disposition ... 3 2 BAKGRUND ... 52.1 I framkant med teknik ... 5
2.1.1 Syfte ... 6
2.1.2 Frågeställningar ... 6
2.1.3 Avgränsningar ... 6
2.2 Företagskontext ... 6
2.3 Generell industriell kontext ... 7
3 VETENSKAPLIGT RAMVERK ... 8
3.1 Industriell automatisering inom tillverkning ... 8
3.1.1 Automatiseringsgrad ... 9
3.1.2 Produktionskvantitet och produktvariation ... 11
3.1.3 Tre typer av automatisering ... 11
3.1.4 Drivkrafter för automatisering ... 12
3.1.5 Situationer där manuell arbetskraft föredras ... 13
3.2 Produktivitet ... 14 3.3 Kvalitet ... 14 3.4 Säkerhet ... 15 3.5 Ergonomi ... 15 3.6 Investering ... 16 3.6.1 Investeringskalkyl ... 16 3.7 Metodteori ... 18 3.7.1 Forskningsmetod - Fallstudie ... 18 3.7.2 Tekniker för datainsamling ... 19 3.7.3 Analystekniker ... 20 4 METOD ... 22 4.1 Metoder för genomförande ... 22 4.1.1 Metoder för nulägesbeskrivning ... 24
4.1.2 Metoder för sammanställning av intervjuer ... 25
4.1.3 Metoder för hinder för automatisering ... 26
4.1.4 Metoder för marknadsbeskrivning ... 26
4.1.5 Metoder för brainstorming av konceptförslag ... 27
4.1.6 Metoder för AR-lösning ... 27
4.1.7 Metoder för investeringskalkyl ... 27
4.2 Metodologiska överväganden ... 27
4.2.1 Tolkning i enlighet med vetenskapliga kvalitetskriterier ... 28
4.2.2 Slutsats gällande relevans och generalisering ... 28
4.2.3 Uteslutning av selektiva metoder ... 28
5 RESULTAT ... 30
5.1 Nulägesbeskrivning ... 30
5.1.1 Allmän beskrivning av tillverkningsprocessen ... 30
5.1.2 Arbetsstationsbeskrivning ... 31 5.1.3 Specifikationskrav ... 34 5.1.4 Produktionens automatiseringsgrad ... 35 5.2 Sammanställning av intervjuer ... 36 5.2.1 Operatör A- Montör ... 37 5.2.2 Operatör B- Lindare ... 37 5.2.3 Ledning A - Produktionstekniker ... 39 5.2.4 Ledning B- Produktionsledare ... 41 5.3 Hinder för automatisering ... 42 5.4 Marknadsbeskrivning ... 47 5.5 Brainstorming av konceptförslag ... 50 5.6 AR-lösning ... 53 5.7 Investeringskalkyl ... 55 6 DISKUSSION ... 59 6.1 Värdering av resultat ... 59 6.1.1 Automatisering ... 60 6.1.2 Produktivitet ... 61 6.1.3 Kvalitet ... 62 6.1.4 Säkerhet ... 62 6.1.5 Ergonomi ... 63 6.1.6 Investering ... 63
6.2 Förslag på fortsatt arbete ... 64
7 SLUTSATSER ... 65 8 REFERENSER ... 66 BILAGOR A: Observationsmall B: Intervjuguide för operatör C: Intervjuguide för ledning
FÖRKORTNINGAR
ABB PG Hitachi ABB Power Grids AB
fe Diskonteringsfaktor af Annuitetsfaktor n Tiden i år r Kalkylräntan Å Återbetalningstid G Grundinvestering a Årlig betalningsöverskott i Internränta fs Nusummefaktor
Figurförteckning
Figur 1. Flödeskarta över ABB PG:s produktion i juni 2021. ... 2
Figur 2. ABB PG:s konkurrensprioriteringar. ... 3
Figur 3. Studiens disposition. ... 3
Figur 4. Karta över beslutsprocessen. ... 6
Figur 5. Koppling mellan frågeställningar och vetenskapligt ramverk. ... 8
Figur 6. Möjligheter till automatisering och datorisering i ett produktionssystem. ... 9
Figur 7: Förhållandet mellan produktionskvantitet och produktvariation. ... 11
Figur 8. Olika typer av automatisering relaterad till förhållandet mellan produktionskvantitet och produktvariation. ... 12
Figur 9. Sammanfattning av examensarbetets metoder uppdelat i sju faser. ... 23
Figur 10. Resultatens struktur. ... 30
Figur 11. Förenklad processkarta över ABB PG:s produktion. ... 31
Figur 12. Karta över A-donets arbetsmoment. ... 31
Figur 14. Karta över lindningens arbetsmoment. ... 32
Figur 15. Karta över aktiva delens arbetsmoment. ... 33
Figur 16. Karta över slutmontagets arbetsmoment. ... 33
Figur 17. Illustration på konceptförslaget robotarm. ... 51
Tabellförteckning
Tabell 1. Automatiseringsgrad av fysiska och kognitiva uppgifter inom produktion. ... 10
Tabell 2. Olika investeringskalkyler. ... 17
Tabell 3. Utförda dokumentstudier. ... 24
Tabell 4. Utförda observationer. ... 25
Tabell 5. Utförda intervjuer. ... 26
Tabell 6. Maximal måttsättning för plåten och kärnan. ... 34
Tabell 7. Automatiseringsgrad för fysiska uppgifter av nuvarande tillverkningsprocess. ... 35
Tabell 8. Automatiseringsgrad för kognitiva uppgifter av nuvarande tillverkningsprocess. ... 36
Tabell 9. Sammanfattning av identifierade hinder för automatisering av produktionen. ... 43
Tabell 10. Produktportfölj för Autostack 1000. ... 48
Tabell 11. För-och nackdelar med HoloLens 2. ... 54
Tabell 12. Redovisning av ekonomiska fördelar och kostnader i dollar ($) för HoloLens Remote Assist. ... 56
1 Introduktion
Kapitlet introducerar företaget Hitachi ABB Power Grids AB i Ludvika och examensarbetets problemområde. Vidare presenteras studiens disposition.
Denna examensarbetesuppsats genomfördes inom Örebro universitets civilingenjörsutbildning med inriktning industriell ekonomi. Utifrån författarnas intresse för teknisk produktionsutveckling går examensarbetet ut på att kartlägga automatisering i den nuvarande produktionen hos Hitachi ABB Power Grids AB, framöver förkortad ABB PG. Ett nyinvesteringsbeslut avseende automatisering kan vara avgörande för att stärka företagets konkurrenskraft [1]. Idag har ABB PG en manuell tillverkningsprocess avseende kundanpassade krafttransformatorer och de försöker bemöta en efterfrågan som kräver ett mer automatiserat tillvägagångssätt (Studiebesök ABB PG 2020-12-03). ABB PG presenteras i nedanstående delrubrik, 1.1 Företaget.
1.1 Företaget
ABB:s tidigare Power Grids-verksamhet och företaget Hitachi har inlett ett samarbete, för att möjliggöra ett större fokus på kundbehov och marknadstrender inom bland annat elektrifiering av industri samt transport [2]. Ett långsiktigt partnerskap mellan företagen inleddes 2020 genom skapandet av ett samriskbolag1, varav ABB äger 19,9 % och Hitachi 80,1 % [2]. ABB PG
befrämjar hållbar utveckling genom att introducera industri- och marknadsförändringar [3]. Verksamheten arbetar för att elnäten ska förbli flexibla vartefter nya förnybara kraftkällor ersätter kolbaserad energi. En hållbar energiframtid kräver grönare kraftnät och denna anpassning innebär snabba föränderliga krav samt en ökad decentralisering [4]. ABB PG:s strategi är att arbeta nära kund och bevara långsiktigt partnerskap skapad på tillit, vilket genererar lösningar och är värdeskapande [3]. Historiskt har Siemens varit en konkurrent som speglar ABB PG:s utbud bäst på marknaden (Personlig kommunikation Produktionstekniker ABB PG 2021-04-06).
Vidare har ABB PG en årlig omsättning på ungefär 10 miljarder USD. ABB PG har cirka 36 000 anställda internationellt och i Sverige är det ungefär 4000 anställda, varav hälften befinner sig i Ludvika [2]. Nätautomation, nätintegration, högspänningsprodukter och krafttransformatorer är ABB PG:s globala affärsenheter, därtill finns det forskningscenter samt kontor i mer än 90 länder [5]. Produktionsprocessen i Ludvika för enheten krafttransformatorer är fokusområdet för detta examensarbete. Krafttransformatorer är huvudkomponenten i ett kraftnät och dess livslängd påverkar bland annat tillförlitlighet samt lönsamhet [6]. En krafttransformator appliceras för överföring av elektrisk energi mellan en generator och en distributionskrets [7]. Denna typ av transformator används i distributionssystem för att kunna höja och sänka spänningar, vilket sker genom omvandling av spänning. Den ena sidan av krafttransformatorn har en lågspänningskrets med hög ström och på den andra sidan är det låg ström i en högspänningskrets. Transformatorns genomsnittliga livslängd är 30 år och används främst av industrianläggningar, kraftverk och elföretag [7].
1 Samarbetsbolag kallas på engelska joint-venture och innebär att verksamheter går samman i ett gemensamt
Genom att åstadkomma en mer effektiviserad produktion av krafttransformatorer kan kvaliteten av erbjudandet ökas [6]. Detta är något som ABB PG kämpar för att förbättra med hjälp av noggranna tester [6]. Detta innebär att produktionen ska inte endast effektiviseras genom automationslösningar utan även med avseende på ökad produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi.
1.2 Problemställning
Företaget producerar mellan 50 och 60 kundanpassade krafttransformatorer per år (Studiebesök ABB PG 2020-12-03). Dagens flöde hos ABB PG illustreras i figur 1 nedan och utgörs av manuella arbetsmoment. Detta anses av företaget vara problematiskt eftersom processen är tids- och kostnadskrävande samt ergonomiskt påfrestande. Av dessa anledningar vill ABB PG öka sin konkurrenskraft genom att utveckla ett mer automatiserat arbetssätt.
ABB PG:s produktion består av två tydliga avdelningar, varav den ena arbetar med de inre komponenterna och den andra arbetar med de yttre komponenterna. För denna fallstudie är det produktion av inre komponenter som är av intresse. Därmed behandlar studiens problemställning fem arbetsstationer för tillverkning av de inre komponenterna av krafttransformatorer, vilka är inom den rödmarkerade linjen i figur 1. Dessa arbetsstationer är anslutningsdon (A-don), kärnläggning (inklusive kärnklippning), lindning, aktiv delmontage och slutmontage. Respektive arbetsstation delas in i ytterligare arbetsmoment som presenteras i avsnitt 5.2 Arbetsstationsbeskrivning. Examensarbetet baseras på en förenklad bild av flödesschemat vilket illustreras i figur 11.
ABB PG har dessutom en prioriteringstrappa, se figur 2, som speglar konkurrensprioriteringar i ämnesområdet strategi och produktionsutveckling.
Figur 2. ABB PG:s konkurrensprioriteringar.
Konkurrensprioriteringar syftar på relationen mellan företagets affärsstrategi och de verksamheter som drivs med ledning av de underordnande funktionella strategierna [8, s. 17– 19]. Detta är anledningen till att faktorerna produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi är nyckelfaktorer för denna studie.
1.3 Disposition
Nedan presenteras examensarbetets disposition och innehåll i kronologisk ordning, vilket sammanfattas i figur 3.
Figur 3. Studiens disposition.
1. Säkerhet 2. Kvalitet 3. Leverans 4. Kostnad
I kapitel 1 Introduktion presenteras företaget ABB PG och examensarbetets problemställning. Dessutom redovisas dispositionen för arbetet. En vidareutveckling av studiens problemställning inleds i kapitel 2 Bakgrund, därefter redogörs examensarbetets syfte och frågeställningar. Dessutom lyfts tidigare producerad företagskontext och generell industriell kontext. I kapitel 3 Vetenskapligt ramverk presenteras lämplig teori till studiens ändamål gällande automatisering, produktivitet, kvalitet, säkerhet, ergonomi och investeringskalkyl. Även teori kopplat till vetenskapliga metoder redovisas.
Studiens tillämpade metoder och dess lämplighet redogörs i kapitel 4 Metod utifrån sju faser som speglar strukturen från studiens resultat. Metoder associerat med självaste genomförandet, applicerad forskningsmetod, metoder för datainsamling och analystekniker redogörs i denna kronologiska ordning. Kapitlet avslutas med studiens metodologiska överväganden. Vidare, i kapitel 5 Resultat redovisas en nulägesbeskrivning och en sammanställning av genomförda intervjuer. Därefter presenteras hinder för automatisering och en marknadsbeskrivning. Dessutom brainstormas flertal konceptförslag för automatisering.
Slutligen motiveras den bästa lösningen för att därefter bedöma dess lönsamhet med en lämplig investeringskalkyl. Med tidigare kapitel som utgångspunkt och i relation till framtagen teori, diskuteras studiens resultat i kapitel 6 Diskussion. Utifrån diskussionen besvaras studiens frågeställningar i kapitel 7 Slutsatser.
Nästkommande kapitel, 2 Bakgrund, presenterar examensarbetets problemområde, syfte och avgränsningar. Dessutom redovisas företagskontext och generell industriell kontext.
2 Bakgrund
Kapitel 2 presenterar studiens problemområde, syfte, frågeställningar och avgränsningar. Vidare återges företagskontext och generell industriell kontext kopplade till studiens ämnesområde.
En fördjupning ges till studiens problemområde gällande automatisering och hur teknikens höga utvecklingstakt har motiverat många av dagens företag att ställa om till en mer automatiserad verksamhet [9]. Detta beskrivs ytterligare i kommande avsnitt, 2.1 I framkant med teknik.
2.1 I framkant med teknik
Idag är världen ständigt i en teknisk förändring och det gäller som organisation att ligga i framkant med den snabba utvecklingen [9]. International Federation of Robotics (IFR) [10] uppskattade en enhetsökning på 62 % av automationsteknik, i hela världen, år 2019 jämfört med 2009. I och med tillväxten av robotindustrin, har kostnaden för industriell automatisering sjunkit [10].
Automatisering är lämpligt i de fall där arbetsmoment eller processer är monotona och har repetitiv karaktär [11]. Arbetet av att genomföra automatisering kräver först en kartläggning av företagets nuvarande flödesprocess [11]. I nuläget vill ABB PG i Ludvika förbättra sin produktionsprocess av krafttransformatorer för att åstadkomma effektivitet i termer av tid och resurser. Specifikt vill de ta hjälp av automationslösningar för att ergonomiskt avlasta de anställda och, i samband med detta, minska risker relaterade till personalens manuella arbetsuppgifter. Denna studie utreder hur ABB PG:s nuvarande manuella produktionsprocess bör effektiviseras med hjälp av automationslösningar, och berör således området produktionsutveckling/produktionsteknik [8, s. 51–54]. Detta är ett omfattande ämne och ytterligare fördjupade kunskaper för studien krävs inom automatisering i produktionsflöden samt i tillverkande verksamheter [8, s. 51–54], vilket adresseras i avsnitt 3.1 Industriell Automatisering.
Examensarbetet berör även ämnesområdet ekonomistyrning för att avgöra lönsamheten av lösningsförslagets investering. För att verksamheten ska implementera en automationslösning i sin tillverkningsprocess, behövs ett komplett och tillförlitligt lönsamhetsbedömt underlag, vilket presenteras i avsnitt 5.7 Investeringskalkyl. Investeringsunderlaget behöver ställas mot de tidigare presenterade faktorerna, för att kunna ligga till grund för författarnas bedömning av hur ABB PG sannolikt skulle påverkas i termer av för- och nackdelar av den föreslagna lösningen, vilket redovisas i avsnitt 5.6 AR-lösning och 6.1 Värdering av resultatet.
Den snabba samhällsutvecklingen ställer även krav på att ingenjörer ska kunna kommunicera, vara kreativa och flexibla. Att vara medveten om de etiska och hållbara aspekterna gällande teknik, är en av de viktigaste egenskaperna [12]. ABB PG är som tidigare nämnt måna om att hålla sitt löfte om en hållbar energiframtid och främjar en hållbar utveckling. Därmed behöver identifierade förbättringsområden för företagets nuvarande produktion förhålla sig till social, ekologisk och ekonomisk hållbarhet. Detta i form av att trygghet och ergonomiska förutsättningar hos medarbetarna främjas, material och resurser tas hänsyn till samt att förslagen är ekonomiskt försvarbara.
2.1.1 Syfte
Studiens syfte är att kartlägga automatisering i den befintliga manuella tillverkningsprocessen av krafttransformatorer hos ABB PG. Vidare att undersöka hur respektive område kan effektiviseras genom att tillämpa automationslösningar och hur detta kan bidra till förbättrad produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi. Målet är även att vidga förståelsen för genomförandet av investeringsprojekt.
2.1.2 Frågeställningar
Utifrån syftet diskuteras resultatet på nedanstående frågeställningar i kapitel 6 Diskussion och besvaras i kapitel 7 Slutsatser:
1. Hur bör ABB PG:s manuellt baserade produktionsprocess effektiviseras genom automationslösningar?
2. Vilken automationslösning uppfyller bäst kraven på ökad produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi med godtagbar lönsamhet?
2.1.3 Avgränsningar
Som tidigare nämnt i avsnitt 1.2 Problemställning, fokuserar denna fallstudie på produktionen av krafttransformatorns inre komponenter. Avgränsning till inre komponenterna har gjorts tillsammans med handledarna från ABB PG, eftersom företaget har pågående projekt gällande arbetsstationen plåtverkstan. Studien utgår från att undersöka möjligheterna som finns för att automatisera ABB PG:s produktion av krafttransformatorer. Dock kommer inte andra tekniska lösningar att uteslutas.
Beslutsprocessen sammanställas enligt nedanstående figur 4, vilket visar en översiktlig bild på tillvägagångssättet när ett arbetsmoment ska automatiseras i en produktion. Wallster [13] sammanfattar processen i fyra faser, vilket beskrivs i avsnitt 3.6 Investering. Detta examensarbete kommer att fokusera på två av dessa faser, nämligen idé- och förstudiefas, medan projekterings- och drifttagningsfas kommer inte att behandlas.
Figur 4. Karta över beslutsprocessen.
Studiens resultat består av, såvitt författarna har kommit fram till, den bästa möjliga tekniska lösningen, motiverat utifrån faktorerna produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi, se avsnitt 5.6 AR-lösning. Lönsamhetsbedömningen genomfördes med hjälp av en investeringskalkyl, se avsnitt 5.7 Investeringskalkyl. Däremot kommer inte implementering av förslaget att ske.
2.2 Företagskontext
ABB PG har investerat i automatiserade lösningar tidigare och gör det än idag (Personlig kommunikation M Burlin ABB PG 2020-02-12). För att underlätta för operatörerna vid arbetsstationen lindning, har det investerats i en röststyrd automationslösning. Vare sig det är en reaktor eller en transformator som ska lindas, justeras idag läget på objektet med hjälp av en pedal som operatören styr med foten.
Dessvärre har fotpedalen på sikt orsakat belastningsbesvär för operatörerna och därmed lett till dagens investering i en röststyrd pedal. Projektet är i implementeringsfasen, där den testas på den stora lindningen det vill säga där lindning kan ske med upp till 18 isolerade koppartrådar (Personlig kommunikation Operatör 2021-03-25).
Ytterligare ett automatiseringsförslag gäller arbetsstationen kärnläggning, vilket fortfarande är i sin planeringsfas. Innan utförandet av självaste kärnläggningen utförs momentet kärnklippning, där plåt klipps efter specifika mått och staplas efter formen på kärnan. Därefter tillämpas en travers för att lyfta plåten på en engångspall till nästa arbetsmoment, det vill säga kärnläggningen. Automationslösningen för denna process berör en investering i en transportlina. Tanken är att materialet ska transporteras på ett rullband från ena stationen till den andra och undviker därmed den medföljande risken genom användningen av en travers.
2.3 Generell industriell kontext
I Sverige finns det ett fåtal tillverkare av krafttransformatorer, förutom ABB PG är Siemens, som tidigare nämnts vara ABB PG:s långvariga konkurrent, ett av dem. Likt ABB PG monterar Siemens enskilda arkplåtar med en tjocklek på 0,3 mm manuellt eller datoriserat i kärnor. Siemens är en av få transformatortillverkare som kan bedöma materialförluster vid kapning av metallplåtar. Följaktligen kan Siemens verifiera materialets kvalitet och säkerställa att kvaliteten är upp till den standard som deras kunder förväntar sig [14]. Ytterlige ett företag är Elnord Kraft som har varit verksamma sedan 1998. Elnord Krafts kärna består av magnetiska metallarkplåtar åtskilda från varandra med ett oorganiskt isoleringsmedel. I synnerhet är klippningen och montering av kärnan gjord på ett sådant sätt att korsningar skapas enligt "step-lap" -metoden för att minska buller och förluster [15]. Denna teknik tillämpas även av Siemens [14]. Gällande lindningen tillämpar Siemens och Elnord Kraft, likt ABB PG, grop-tekniken som innebär att golvet har ett hål där krafttransformatorn eller reaktorn placeras [14, 15].
Examenarbetet från de dåvarande ingenjörsstudenterna, inom industriell ekonomi, Haraldsson & Linse [16] är exempel på generell kontext kopplad till tidigare liknande studier som har genomförts. Studien är en förstudie på hur lönsam automatisering kan påverka ett industriföretag och vilka faktorer i produktionen som kan påverkas. Målet är att få en ökad förståelse för automatiseringsprojekt och hur automatisering kan effektivisera en befintlig manuell process i ett tillverkande företag. Haraldsson & Linse [16]fokuserar på att jämföra och redogöra mätande faktorer. Teori om automatisering, kvalitet, ergonomi, flexibilitet och investering presenteras. Examensarbetet är i form av en kvalitativ fallstudie med insamlade data från intervjuer, observationer och dokument. Processen som studeras i rapporten hanterar skorstensmoduler för kaminer. Slutligen diskuteras hur olika faktorer kommer att påverka fallföretaget om de investerar i och genomför automatisering. En slutsats dras om att automatisering är fullt möjligt och att det skulle vara ekonomiskt lönsamt, men att det främst kommer förbättra operatörernas ergonomi avsevärt [16].
Nästkommande kapitel, 3 Vetenskapligt ramverk, presenterar lämplig teori till studiens ändamål som berör automatisering, produktivitet, kvalitet, säkerhet, ergonomi och investeringskalkyl. Avslutningsvis redovisas olika tillämpbara metoder för genomförandes av studien.
3 Vetenskapligt ramverk
Kapitlet redovisar teori om industriell automatisering, produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi. Dessutom presenteras teori avseende investeringskalkylering som har använts för att utvärdera den konceptuella lösningen och olika metoder lämpade för genomförandet av studien redogörs.
För att skapa en helhetsförståelse för förhållandet mellan vetenskapligt ramverk och studiens frågeställningar (se delavsnitt 2.1.2 Frågeställningar), illustreras kopplingen mellan dem i nedanstående figur 5.
Figur 5. Koppling mellan frågeställningar och vetenskapligt ramverk.
Avsnitt 3.6.1 Investeringskalkyl kopplas till studiens frågeställning 2, som illustreras i figuren ovan, eftersom ett ekonomiskt underlag behövs för att frågeställningen ska kunna besvaras. Resterande avsnitt som presenteras i kapitel 3 Vetenskapligt ramverk har en koppling till studiens båda frågeställningar eftersom det krävs teoretisk kunskap om hur automatisering kan bidra till effektivisering i en produktion.
3.1 Industriell automatisering inom tillverkning
Begreppet industriell automatisering vid tillverkning är användningen av "intelligenta" maskiner i fabriker så att tillverkningsprocesser kan utföras med minimalt mänskligt ingripande. Det handlar om tillämpning av olika styrsystem för att möjliggöra för utrustningar att självgående utföra uppgifter som kräver hastighet, uthållighet och precision [17, s. 25–26]. Generella fördelar med automation i tillverkning är att det kräver mindre material, minskat arbetsavfall och att det ger upphov till mindre driftprocesser som inte kräver lika mycket energi. Däremot innefattar nackdelarna höga kostnader för forskning och utveckling samt installation av maskinen [18]. Automation i produktionssystem kan delas upp i två huvudkategorier, vilket illustreras i figur 6 nedan.
Figur 6. Möjligheter till automatisering och datorisering i ett produktionssystem.
De två huvudkategorierna i ett produktionssystem är (1) automatisering av tillverkningssystem i produktionen och (2) datorisering av supportsystem i tillverkningen. I dagens samhälle överlappar dessa kategorier varandra i en viss utsträckning [19, s. 25].
3.1.1 Automatiseringsgrad
Automatiseringsgrad är översatt på svenska från det engelska begreppet levels of automation. Konceptet av automatiseringsgrad definieras av Frohm [20, s. 63] som ”Allokering av fysiska och kognitiva uppgifter mellan människor och teknologin, beskrivs som en kontinuitet som sträcker sig från helt manuell till helt automatisk”. Genom att bryta ner aktiviteter i fysiska och kognitiva uppgifter, beaktas uppgiftsfördelningen som två oberoende referenser. I fysiska uppgifter ingår uppgifter där tekniken ersätter mänsklig kraft medan kognitiva uppgifter innefattar mer kontroll-och informationsuppgifter [20, s. 43–45]. Respektive uppgift kan delas in i sju steg, från helt manuell kontroll till helautomatisk [20, s. 44], enligt tabell 1 nedan.
Tabell 1. Automatiseringsgrad av fysiska och kognitiva uppgifter inom produktion.
Grad Fysiskt Kognitivt
1 Totalt manuellt: Helt manuellt arbete, inga verktyg tillämpas endast
användarens egen muskelkraft.
Totalt manuellt: Användaren skapar sin egen förståelse för situationen och utvecklar sin egen handledningsplan baserat på tidigare erfarenheter och kunskaper.
2 Statiskt handverktyg: Manuellt arbete med stöd av statiskt handverktyg till exempel skruvdragare.
Beslutsfattande: Användaren får
information om vad som ska göras eller förslag på hur uppgiften utförs, till exempel arbetsorder.
3 Flexibelt handverktyg: Manuellt arbete med stöd av flexibelt handverktyg till exempel skiftnyckel.
Undervisande: Användaren får
instruktioner om hur uppgiften utförs, till exempel checklistor och manualer.
4 Automatiskt handverktyg: Manuellt arbete med stöd av automatiskt handverktyg till exempel hydraulisk bultsax.
Ifrågasättande: Tekniken ifrågasätter instruktioner om hur uppgifter utförs, till exempel verifiering före handling.
5 Statisk maskin/arbetsstation:
Automatisk arbete av maskin designad för en specifik uppgift, till exempel svarv.
Övervakande: Tekniken anropar användarens uppmärksamhet och
dirigerar den mot den aktuella uppgiften, till exempel larm.
6 Flexibel maskin/arbetsstation: Automatisk arbete av maskin med möjlighet att konfigureras för olika uppgifter, till exempel CNC-maskin.
Övertagande: Tekniken tar över och korrigerar handlingen om tekniken anser att utförandet avviker från vad som är lämpligt, till exempel termostat.
7 Totalt automatiskt: Helt automatiskt arbete, maskinen löser själv alla
problem och avvikelser som uppstår, till exempel autonomt system.
Totalt automatiskt: All information och kontroll hanteras av tekniken,
användaren är aldrig involverad, till exempel autonomt system.
En ökad grad av automatisering leder inte alltid till bättre prestationer såsom ökad effektivitet utan den kan även få motsatt effekt och leda till sämre resultat [21, s. 25–26]. Exempel på när det kan leda till motsatt effekt är om tillverkningssystemet blir komplext och inte kan hanteras av den orsaken att det är bristande kompetens [20, s. 24]. Enligt Groover [19, s. 29] kan det även uppkomma situationer där manuell arbetskraft är mer att föredra än automatisering som inte är det lämpligaste alternativet, såsom vid kundanpassade produkter.
3.1.2 Produktionskvantitet och produktvariation
En viktig faktor att ta hänsyn till för att studera det tillverkande företaget är vilken typ av produkt som företaget tillverkar. Mängden produkter som tillverkas av ett företag har ett mycket stort inflytande på dess anläggningar och hur tillverkningen är organiserad. Produktionskvantiteten avser antalet enheter av en viss produkt som produceras årligen av anläggningen [19, s. 50–55]. Den årliga produktionskvantiten kan klassificeras i tre intervall:
• Låg produktion: Mängder i intervallet 1 till 100 enheter per år.
• Medelproduktion: Mängder i intervallet 100 till 10 000 enheter per år. • Hög produktion: Mängderna är på miljoner enheter per år.
Figur 7 nedan illustrerar förhållandet mellan produktionskvantitet och produktvariation
Figur 7: Förhållandet mellan produktionskvantitet och produktvariation.
Produktvariation avser olika produktdesigner eller typer som produceras [19, s. 50–55]. När antalet produkttyper som tillverkas i en fabrik är högt indikerar detta hög produktvariation. Det finns en omvänd korrelation mellan produktsortiment och produktionskvantitet hos tillverkande företag. När produktsorten är hög tenderar produktionskvantiteten att vara låg och tvärtom [19, s. 50–55].
3.1.3 Tre typer av automatisering
För att vara konkurrenskraftiga måste företag anpassa automation med sin typ av produktion eftersom det finns olika behov av flexibilitet i automatiseringen [19, s. 25–27]. Relaterad till detta går det att urskilja tre typer av automatisering i produktionen.
• Fast automation: Hög produktionstakt där utrustningen utför endast en operation och är låst till det. Mest lämpbar för långa serier och stora volymer.
• Programmerbar automation: Låg produktionstakt där utrustningen programmeras om till olika operationer. Mest användbar för batchproduktion med små till medelstora volymer.
• Flexibel automation: Medelhög produktionstakt där utrustningen, utan tidsförlust, producerar många och olika produkter. Mest lämpbar för produkter med varierande designer.
Förhållandet mellan typ av automatisering, produktionsvolym och produktvariant visas i figur 8 nedan [19, s. 25–27].
Figur 8. Olika typer av automatisering relaterad till förhållandet mellan produktionskvantitet och produktvariation.
Flexibilitet har varit en viktig förmåga för att företag ska bemöta den höga marknadsosäkerheten och vara konkurrenskraftiga [22, s. 39–40]. Marknadsosäkerhet som företag präglas av är till exempel kortare produktlivscykel, global konkurrens och den ökade efterfrågan på varierade produkter. Ur ett produktionsperspektiv beskriver termen marknadsosäkerhet produktionens förmåga att anpassa sig efter förändringar i omgivningen [22, s. 39–40].
3.1.4 Drivkrafter för automatisering
Det finns flera anledningar för företag att investera i ökad automatisering. Nedan presenteras de viktigaste för ett företag enligt Groover [19, s. 28].
• Öka arbetsproduktivitet: Att automatisera en tillverkning ökar produktionshastigheten och arbetsproduktivitet. Detta innebär större produktion per timme.
• Minska arbetskraftskostnaderna: Högre investeringar i automatisering har blivit ekonomiskt motiverade för att ersätta manuell arbetskraft. Maskiner ersätter i allt högre grad mänskligt arbete för att sänka kostnaderna per enhet för en produkt.
• Mildra effekterna av brist på arbetskraft: Det finns en generell brist på arbetskraft i många länder, och detta har drivit utvecklingen av automatiserade operationer som en ersättning för arbetskraft.
• Minska eller eliminera rutinmässiga manuella- och kontorsuppgifter: Att automatisera repetitiva och tröttsamma uppgifter förbättrar de allmänna arbetsförhållandena.
• Förbättra arbetstagarnas säkerhet: Att automatisera en viss operation och överföra arbetstagare från aktivt deltagande i processen till en övervakningsroll, eller helt ta bort arbetstagaren från operationen, gör arbetet säkrare.
• Förbättra produktkvaliteten: Automatisering resulterar i att tillverkningsprocessen utförs med större enhetlighet och i överensstämmelse med kvalitetsspecifikationer. • Minska tillverkningstiden: Automation hjälper till att minska den tiden mellan
kundorder och produktleverans, vilket ger en konkurrensfördel för framtida order. • Utföra processer som inte kan göras manuellt: Vissa operationer kan inte utföras utan
en maskin eftersom de kräver precision eller komplexitet i geometrin.
• Undvika de höga kostnaderna för att inte automatisera: Fördelarna med automatisering dyker ofta upp på oväntade och immateriella sätt, såsom förbättrad kvalitet, högre försäljning, bättre arbetsförhållanden och bättre företagsimage.
3.1.5 Situationer där manuell arbetskraft föredras
Människor är fortfarande en nödvändig resurs i en hög automatiserad produktionssystem hos ett tillverkande företag, på grund av underhållet. Enligt Groover [19, s. 29–30] finns det vissa situationer där manuell arbetskraft är mer fördelaktig än automatiserad, nedan listas en del av dem.
• Uppgiften är tekniskt för svår att automatisera: Orsaken till svårigheten är bland annat problem med fysisk tillgång till arbetsplatsen, justeringar som krävs i uppgiften och manuella skicklighetskrav. Manuellt arbete används för att utföra uppgifterna i dessa fall.
• Kort produktlivscykel: Om en produkt måste designas och introduceras på kort tid för att möta ett behov på marknaden, eller om produkten förväntas vara på marknaden under en relativt kort period, möjliggör manuellt arbete en mycket snabbare produktlansering än en automatiserad metod.
• Anpassad produkt: Om kunden behöver en unik produkt med unika egenskaper har manuellt arbete fördelen på grund av dess mångsidighet och anpassningsförmåga. Människor är mer flexibla än någon automatisk maskin.
• Upp- och nedgångar i efterfrågan: Förändringar i efterfrågan på en produkt kräver förändringar i produktionsnivåerna. Sådana förändringar hanteras lättare när manuellt arbete används som produktionsmedel.
• Behöver minska risken för produktfel: Användningen av manuellt arbete som produktiv resurs i början av produktens livslängd minskar företagets risk att förlora en betydande investering i automatisering om produkten inte uppnår en lång livslängd på marknaden. • Brist på kapital: Ibland tvingas företag att använda manuellt arbete i sin produktionsverksamhet när de saknar kapital för att investera i automatiserad utrustning.
3.2 Produktivitet
Drivkrafterna till automatisering förklarar indirekt varför system förändras och hur det påverkar produktionens produktivitet. Att uppnå maximal produktion är något som alla företag strävar efter [20, s. 41]. Produktivitet är starkt relaterad till effektivitet och syftar till hur väl företag utvecklas till att erbjuda kunderna vad de efterfrågar. Det är kombinationen mellan att tillämpa resurserna för att uppnå målet som leder till hög effektivitet [21, s. 13–14]. Mckinsey [23] uppskattar att under de närmaste åren så kommer tekniken att öka den globala produktivitetstillväxten från 0,8 % till 1,4 %. Fabriksprocesser kan bli mer effektiva med rätt automatiseringssystem, maskiner och robotik på plats.
Acemoglu och Restrepo [24] informerar i sin artikel om automatiseringens förskjutningseffekt till följda av artificiell intelligens och maskiner. Vilka ersätter arbetstagarens åtaganden och därmed har benägenhet för att minimera efterfrågan på arbetskraft samt dess löner. Däremot resulterar det i en produktivitetseffekt med grund i generade kostnadsbesparingar via automatisering. Detta ökar i sin tur efterfrågan på arbetstagare inom arbetsmoment som inte är automatiserade. Utveckling av arbetsintensiva moment återplacerar arbetskraft i nya uppgifter och har en tendens att öka andelen arbetstagare, motverka automatiseringseffekterna samt skapar en starkare utjämningskraft [24].
På grund av brister och begränsningar saktas omställningen till automatisering ner, gällande ekonomi och arbetsmarknaden, vilket i sin tur minimerar produktivitetsvinsten genererad från omställningen. Detta framgår genom åtskillnaden mellan kompetenskraven för nyutvecklad teknik och möjligheten till implementering av automation sker i mycket hög takt, vilket kan utföras på bekostnad av annan teknik som är produktivitetshöjande [24].
3.3 Kvalitet
Denna faktor handlar om hur automatisering kan nyttjas i syfte att förbättra kvaliteten hos en produkt. Dessutom kan produktkvaliteten förbättras genom att integrera smarta maskiner och robotar i produktionen [25]. Bergman & Klefsjö [26, s. 31] redogör olika kvalitetsdimensioner, det vill säga olika produktegenskaper som uppmärksammas och värderas av kund. De olika dimensionerna av produktkvalitet presenteras nedan.
• Driftsäkerhet: berör hur vanligt fel förekommer och allvarlighetsgraden av dessa • Prestanda: beror på aktuellt marknadssegment och kan innefatta storlek, livslängd eller
effekt
• Underhållsmässighet: handlar om hur enkelt fel kan identifieras, lokaliseras och åtgärdas
• Miljövänlighet: innebär produktens påverkan på miljön och på vilket sätt miljön tas i beaktning under tillverkning
• Utseende: en etisk parameter som framträder vid exempelvis design. • Felfrihet: avsaknad av fel och brister vid köp av produkt
• Säkerhet: att produkten inte utsätter personer eller egendom för skada alternativt att produkten skyddar mot skada
• Hållbarhet: Användning, lagring och transport av varan är möjligt utan att produkten skadas eller förvanskas.
Enligt Jämsä-Jounela [27, s. 1–2] ska verksamheter applicera en helhetssyn på kvalitet-, tids- och kostnadsfrågor. Automationsteknik kommer ha en avgörande betydelse, där kontroll av processer verifierar att anläggningstillgångar fortlöpande arbetar enligt det förutbestämda och lönsamma intervallet. Detta resulterar till ökad tillförlitlighet, tillverkning av produkter, avkastning och kvalitet, vilket framtas genom en mindre förbrukad mängd energi. Processkontroll bidrar till bättre kvalitet, ökad produktivitet, effektivisera systemändringar och aktiviteter som eftermontering för ökad flexibilitet.
Även Grigor [28, s. 3–5] rekommenderar att integrera automatiserade maskiner till ett stabiliserat tillverkningssystem, för att ta hänsyn till kvalitet och säkerhet. Automationssystem påverkar dessutom produktionsprocessens kostnad. För att åstadkomma ett balanserat automatiseringssystem med hänsyn till denna kostnad, kvalitet, flexibilitet och säkerhet, behöver aktiviteter samt lämpad automatiserings grad identifieras. Det mest essentiella för att tillverka produkter av god kvalitet, är att ha lämplig utrustning [28, s. 21].
3.4 Säkerhet
Ett begrepp som vanligtvis nämns när det gäller säkerhet i industriell automatiserad tillverkning är cybersäkerhet. Det innefattar bland annat IT-säkerhet, produktsäkerhet, säkerhet av tillverkningsprocesser och arbetssäkerhet. Eftersom tillverkningsföretag är en av de branscher som utsätts mest för cyberkriminalitet är det högst relevant för dessa att arbeta med cybersäkerhet [29, s. 34–35]. Nedan sammanfattas cybersäkerhetens omfattning:
• IT-säkerhet: Skydd av information, applikation och IT. Exempelvis fjärranslutning och datacenter
• Produktsäkerhet: Skydd av integritet och säkerhet av en produkt. Exempelvis inbäddad programvara
• Produktionssäkerhet: Skydd av integritet i en produktionsprocess och dess IT-styrsystem.
Exempel Industri 4.0
Säkerhet inom produktion kan även relateras till den mänskliga begränsningen att delta i farliga processer, vilket resulterar i mindre skador under produktionsprocessen. Dock finns det vissa tjänster där det är säkrare att operatören arbetar manuellt i ettproduktionssystem [28, s. 22].
3.5 Ergonomi
Framstegen inom automation möjliggör att maskiner kan prestera alternativt överträffa människor i olika yrkesaktiviteter som kräver kognitiv förmåga, enligt Chui et al. [30, s. 78– 79]. Grigor [28, s. 22] informerar att omställningen från manuellt till automatiserat arbetsflöde kommer i sinom tid att ske. För att implementering av automation ska vara framgångsrikt på längre sikt, behöver mänsklig arbetskraft vidareutbildas och anpassas till att samverka med teknologi. Eftersom arbetstagarnas yrken ständigt kommer att utvecklas, innebär det att arbetstagarna även behöver kontinuerligt utbildas. En förändring och utveckling kommer att krävas i självaste arbetsmiljön, där kulturen behöver integrera ett tankesätt som inkluderar arbetstagare men även maskiner [28, s. 10].
Att tillämpa välutvecklad teknik för att underlätta och hjälpa människor, ska enligt Dominik et.al [30, s. 127–128] vara den bakomliggande tanken hos samarbetsvilliga robotar. Följaktligen kan den fysiska ergonomin på arbetsplatsen förbättras, däremot kan integration orsaka psykiskt obehag och mental stress. Dessa robotar ska agera enligt förväntningarna hos operatören dock kan risken uppstå om kognitiva ergonomiska principer inte tas i beaktning [30, s. 127–128].
3.6 Investering
Nya tekniker och teorier måste antas i produktionen hos ett företag för att snabbt anpassa sig till snabba förändringar och höja produktkvaliteten samtidigt som energianvändningen samt resurserna optimeras [31, s. 312–313]. Löfsten [32, s.11–14] hävdar att målformuleringen för ett företag eller en organisation innehåller vanligtvis ett flertal olika dimensioner. Därmed bör även värderingen av ett investeringsalternativs konsekvenser också innehålla flera dimensioner. Inte alla konsekvenser kan översättas till ekonomiska värden men även andra faktorer såsom tekniken spelar en stor roll för ett beslutsunderlag [32, s.11–14]. Enligt den ekonomiska och teoretiska världen strävar ett företag alltid efter att maximera företagets vinst men i verkligheten är det svårare att uppfylla detta kriterium eftersom olika förutsättningar bör uppfyllas [32, s.11– 14].
Investeringsbesluten har vanligtvis långtgående verkningar och varierar beroende på till exempel storlek och komplexitet. Därmed fattas beslut normalt på en högre hierarkisk nivå i en organisation [32, s.11–14]. Wallster [13, s. 10–11] hävdar att en beslutsprocess har stor betydelse för hur produktionssystemet kommer att fungera. En noggrann beslutsprocess tar tid och den tiden delas från idé till drift i fyra olika faser:
1. Idéfasen 2. Förstudiefasen 3. Projekteringsfasen 4. Drifttagningsfasen
Wallster [13, s.10–11] anser att de två första faserna bör utgöra ett större fokus eftersom de inte alltid tilldelas den betydelsen som de borde. Idéer om automatisering uppkommer vanligtvis genom information om andra automatiseringar via kontakter som sedan sprids med de närmaste arbetskollegorna. Ett tecken på friskt företag är när det finns fler idéer än det finns resurser att genomföra dessa. När en idé känns bra och det är värt att titta närmare på, genomförs en förstudie [13, s. 10–11]. En noggrann förstudie är grunden till en lyckad automatisering eftersom det är i denna fas som förslaget kan ändras och utvecklas utan att kostnader påverkas. Förstudiens mål är att ta fram ett beslutsunderlag för ett automatiseringsförslag där alla faktorer som påverkas av investeringen bör ingå. I denna fas är det önskvärt med ett systemtänkande. Beslutet som sedan tas är i form av ja-och nej till det presenterade förslaget [13, s.10–11].
3.6.1 Investeringskalkyl
En investeringskalkyl syftar nästan alltid till att analysera investeringsprojektets lönsamhet. Den är då viktig och relevant för investeringens beslutsunderlag eftersom företaget har mål av olika dimensioner att uppfylla [32, s. 21]. Tabell 2 nedan sammanfattar olika investeringskalkyler.
Tabell 2. Olika investeringskalkyler.
Kalkylmetod Enhet Beskrivning Beslutsregler Nuvärde kronor per nutid Betalningar med olika
tidpunkter omräknas till en gemensam referenstid
Lönsam vid positiv nuvärde
Annuitet kronor per år Alla betalningar omvandlas till lika stora årliga
överskott/ underskott
Lönsam vid positiv annuitet
Återbetalning återbetalningstid Tiden som det tar att få
tillbaka grundinvesteringen beräknas
Lönsam vid kortare återbetalningstiden än förväntad
Internränta årlig avkastning Procentuella avkastningen av investeringar
Lönsam vid en högre internränta jämfört med kalkylräntan
1. Nuvärdesmetoden
Syftet är att diskontera betalningar vid olika tidpunkter till en gemensam referenstidpunkt, som normalt är år 0 där grundinvesteringen har initierats. Detta gör det möjligt att jämföra olika betalningar sinsemellan tidpunkterna med en vald kalkylränta (r). Kalkylräntan som tillämpas bör täcka eventuella lån och avkastningskrav.
!" = (1 − ')!" (1)
Nuvärdet fås genom att multiplicera betalningarna med diskonteringsfaktorn (fe), vilket innebär att pengarna omvandlas från framtid till nutid. Tiden i år förkortas som n. Om nuvärdet är positivt betyder det att investeringen är lönsam [32, s. 31–34].
2. Annuitetsmetoden
Investeringens betalningskonsekvenser omvandlas till lika stora årliga överskott eller underskott, det vill säga annuiteter (af). Syftet är att fördela betalningar jämnt över investeringens ekonomiska livslängd.
Positivt värde av annuiteten betyder att investeringsalternativet är lönsamt. Enheten för annuiteten anges i kronor per år [32, s. 35–38].
3. Återbetalningsmetoden
Metoden som även kallas pay-back eller pay-off på engelska, kan tillämpas med eller utan kalkylräntan. Syftet är att beräkna den tid som det tar för det årliga betalningsöverskottet (a) att bli lika stort som det investerade kapitalet, det vill säga grundinvesteringen (G). Kortare återbetalningstid (Å) ger mer lönsamhet [32, s. 40–43].
Å =() (3)
Eftersom metoden inte tar hänsyn till den ekonomiska livslängden och effektiviteten rekommenderar Löfsten [32, s. 40–43] att företag inte enbart använder pay-backmetoden. Den tar inte heller hänsyn till händelsen efter att grundinvesteringen har betalats tillbaka.
4. Internräntemetoden
Metoden är ett mått på den procentuella avkastningen av investeringen. Därmed bestäms den lönsamhet som förväntas i en investering. Syftet är att jämföra internräntan med kalkylräntan. Om internräntan (i) är högre än kalkylräntan, antas investeringen vara lönsam [32, s. 38–40].
(
) = fs =
$!($*+)!"
+ (4)
Detta innebär att grundinvesteringen (G) är lika stor som nusummefaktorn (fs) dividerat med ett konstant årligt inbetalningsöverskott (a).
3.7 Metodteori
Inom ingenjörsvetenskap behövs både teoretiska och praktiska kunskaper om forskningsmetodik för att kunna undersöka och bedöma vetenskaplig information [33, s. 16– 17]. Teoretisk information om lämpliga forskningsmetoder för examensarbetet presenteras i detta avsnitt.
3.7.1 Forskningsmetod - Fallstudie
Säfsten & Gustavsson [33, s. 105–106] informerar om innebörden av en fallstudie, vilket är en studie av ett eller flera fall. Eftersom flertalet undersökningsobjekt kan studeras med avseende på flera variabler, är en fallstudie ett exempel på en djupstudie. Dess lämplighet påträffas när en djupgående analys eftersträvas hos en händelse, situation eller när olika perspektiv ska appliceras på en företeelse, händelse alternativt en plats. När svar sökes till frågorna vad, hur och varför, är fallstudie en lämplig forskningsmetod. Eftersom metoden kan vara explorativ (undersökande), möjliggör fallstudien att efterforska mindre undersökta situationer och företeelser. Studien resulterar i förklarande alternativt beskrivande kännedom.
Genom detta tillvägagångssätt kan företeelsen analyseras i dess naturliga miljö och därmed kan relevant teori ansamlas. Metoden kan utföras i realtid, det vill säga det som studeras utförs parallellt som fallstudien fullbordas.
Analysenheten i fallstudien ska ha en tydlig koppling till arbetets syfte och frågeställningar. Detta fall ska vara tydligt avgränsat i form av en verksamhet, ett arbetslag, en process, ett projekt eller en person där kontexten utgörs av fallets omgivning. En enfallsdesign motsvarar en undersökning av endast ett fall och en inbäddad (embedded) utformning innebär att fallet omfattar flera analysenheter. Trots undersökningens komplexitet vidgas med antalet analysenheter, möjliggör det en fördjupning till skillnad från en flerfallsdesign [33, s. 106– 109].
Undersökningens frågeställningar ska vara utgångspunkten för fallstudien och därefter behöver det som eftersöks tydliggöras. Flera olika tekniker för datainsamling kan appliceras, bland annat enkäter, intervjuer och observationer [33, s. 110]. En kvalitativ metod är enligt Säfsten & Gustavsson [33, s. 38] en verbal analysmetod, där data som bearbetas även är kvalitativ. Kvalitativ innebär beskrivning av egenskaper och beskaffenhet hos ett undersökt fenomen [33, s. 37]. Det sedvanliga vid fallstudier är analys av kvalitativa data. Dataanalysen ska bestå av insamlade data i relation till eventuella antagande utförda innan undersökningen [33, s. 110].
3.7.2 Tekniker för datainsamling
Kartläggning kräver att en ska vara på plats för att observera det önskade ämnet. Det finns en del tekniker, som presenteras nedan, för att samla in data vid denna aktivitet.
Dokumentstudie
I en dokumentstudie samlas data in genom sekundärkällor i form av dokument och används främst när det inte är av yttersta vikt att tillämpa primärdata. Detta eftersom det kan vara komplicerat eller till och med omöjligt att samla in primärdata för att genomföra vissa undersökningar. Dokument är ett samlingsbegrepp för information i skriftliga, digitala, visuella och fysiska former. Exempel på officiella dokument är offentliga statistiska rapporter, nyheter i form av tidningar och tv-program, arkivfiler samt företagsinterna dokumentering. Den sistnämnda kan vara av större betydelse för utredningar eftersom den behandlar information om den interna verksamheten [33, s. 170–173].
Observation
Att observera handlar om att iaktta med ursprung i undersökningens frågeställning. Observationer ska vara förberedda i vetenskapliga sammanhang och bidra till utveckling av vetenskaplig kunskap. Vanliga applikationsområden är vid forsknings förfaranden som fallstudie och experiment. Beroende på syftet med undersökningen tas olika aspekter till hänsyn vid observationer, ett exempel är hur observatören förhåller sig till det som observeras. Även en tolkning av det observerade och det som studeras kan påverkas av en observatör [33, s. 144– 145]. En observatör kan vara en insider eller outsider, där den förstnämnda innebär att vara delaktig i det som sker medan den sistnämnda innefattar att observationer utförs utan delaktighet från observatören [33, s.145–146].
Observationer kan vara direkta eller indirekta, där den sistnämnda innebär ett genomförande med hjälp av ett mätinstrument. En indirekt observation sker alltså inte av själva sinnet hos observatören till skillnad från en direkt observation, då tid och rum är sammanfallande hos det som observeras och observatören [33, s. 146].
En observation kan vara strukturerad där schema eller protokoll specificerar vad som ska registreras eller vara ostrukturerad där observationen dokumenteras genom anteckningar. Ett observationsschema ska baseras på den data som eftersöks i studiens frågeställningar [33, s. 146–147].
Intervjuer och enkäter
För att ta reda på en populations åsikter, uppfattningar, erfarenheter och kunskaper tillämpas enkäter samt intervjuer [33, s. 153, 34, s. 49]. Personen som ställer frågorna kallas vanligtvis för intervjuare eller enkätskonstruktör medan den svarande kallas för respondent. Skillnaden mellan enkäter och intervjuer är dess sätt att kommunicera. Intervjuer görs muntligt antingen på plats eller via telefon och det är vanligt att intervjua en person i taget. Förutom att spela in vid godkännande och anteckna mycket vid en intervju, är det viktigt med att välja en lämplig person till intervjun som kan besvara de avsedda frågorna [33, s.153, 34, s. 49]. Enkäter är skriftliga och består av ett mindre tidskrävande frågeformulär som sänds ut till ett större antal personer, jämfört med intervjuer. Enkäter kan skickas ut via post eller via internet men kan även delas ut direkt på en arbetsplats [33, s. 158–159].
Litteraturgenomgång
I syfte att bidra till studiens kunskapsutveckling innefattar en litteraturgenomgång en process för att identifiera, läsa och sammanställa litteratur. Inför en ny undersökning är det således viktigt att utforska erfarenheter och kunskap som tidigare har konstaterats i befintlig och relevant litteratur. I tidigt skede av forskningsprocessen, syftar en litteraturgenomgång till att säkerställa problemformuleringen genom att utforska vilken kunskap som är mest aktuell inom forskningsområdet. I kontrast till detta, avser en litteraturgenomgång i ett senare skede av forskningsprocessen, att besvara specifika frågeställningar genom en fördjupad tolkning av vad som tidigare fastslagits [33, s.74].
3.7.3 Analystekniker
Beroende på hur data samlas in finns det olika tekniker för att analysera data, varav de lämpliga analysteknikerna för detta examensarbete presenteras nedan.
Innehållsanalys
Analysen är ett systematiskt tillvägagångssätt för att beskriva innehållet i data, antingen i kvantitativ eller kvalitativ form. Innehållsanalys liknar till viss del en tematisk analys men skiljer sig i den bemärkelsen att i kvantitativ innehållsanalys är det av intresse att fokusera på hur många förekomster det finns av ord, uttryck eller tema, vilket inte är aktuell i tematisk analys. Vid en kvantitativ karaktär kan förekomsten av ord räknas där texten kodas och beskrivs med hjälp av statistik. I en kvalitativ karaktär fokuseras analysen på själva innehållet [33, s. 211].
Kvalitativ innehållsanalys skiljs åt i tre olika varianter, nämligen konventionell, riktad och summativ analys. Konventionell analys är en induktiv metod där kvalitativa data är utgångspunkten för analys av koder och kategorier. Det inkluderas ingen teori eller annan forskning fram tills resultatet.
Riktad analys är en deduktiv metod som tillämpas för att styrka eller vidareutveckla en befintlig teori, till exempel kan en intervjuguide användas som grund för analys. Summativ analys innehåller en kvantitativ del men texten tolkas även i förhållande till deras sammanhang [33, s. 211].
Nästkommande kapitel, 4 Metod, presenterar studiens tillvägagångssätt med hjälp av lämpliga metoder för att uppnå examenarbetets syfte. Vidare redovisas studiens trovärdighet genom metodologiska överväganden.
4 Metod
Kapitlet redogör vilka metoder som tillämpats och varför de anses lämpliga för examensarbetets syfte och frågeställningar. Även metodologiska överväganden för studiens trovärdighet presenteras.
Det är av vikt att förklara hur studien har genomförts för att andra forskare ska ha möjligheten att reproducera studien. Dessutom skapas det trovärdighet för denna studie genom att tillvägagångssättet för att besvara frågeställningen redogörs [35]. Säfsten & Gustavsson [33, s. 16–17] lägger vikt på att ingenjörers verktygslåda kommer att vidgas med verktyg för vetenskaplig problemlösning när medvetenheten om forskningsmetodik växer. I kommande avsnitt, 4.1 Metoder för genomförande, motiveras tillvägagångssättet för att besvara studiens frågeställningar.
4.1 Metoder för genomförande
Utgångspunkten för valet av rätt forskningsmetod, ligger i studiens syfte och frågeställning. Studiens syfte är att kartlägga automatisering i den befintliga tillverkningsprocessen hos ABB PG. Olika arbetsstationer behövde analyseras med avseende på olika variabler eller perspektiv, såsom produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi, därmed var en fallstudie ett lämpligt tillvägagångssätt. Metodens lämplighet framgick ytterligare genom att det var möjligt att utföra analyser av tillverkningsprocessen i realtid och i dess naturliga arbetsmiljö. Metodens explorativa karaktär gav svar på frågorna vad, varför och hur en automationslösning kan ha en inverkan på produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi (se kapitel 6 Diskussion). Fallstudiens kontext har bestått av självaste företaget ABB PG som presenteras i avsnitt 1.1 Företaget och fallet har avgränsats till verksamhetens tillverkningsprocess, vilket beskrivs övergripande i delavsnitt 5.1.1 Allmän beskrivning av tillverkningsprocessen och mer ingående i delavsnitt 5.1.2 Arbetsstationsbeskrivning. En så kallad inbäddad fallstudie med en enfallsdesign, har varit studiens utgångspunkt och därmed har analysenheterna bestått av arbetsstationerna [33, s. 105–106]. Datainsamlingsmetoder som är lämpliga för fallstudier och som även har applicerats i detta arbete, är bland annat observationer och intervjuer.
Genomförandet av studien delades upp utifrån sju faser, vilket presenteras i figur 9, som speglar strukturen från kapitel 5 Resultat. De sju faserna är:
• Fas 1: Nulägesbeskrivning
• Fas 2: Sammanställning av intervjuer • Fas 3: Hinder för automatisering • Fas 4: Marknadsbeskrivning
• Fas 5: Brainstorming av konceptförslag • Fas 6: AR-lösning
Examensarbetet påbörjades genom att kontakta handledare Mikael Burlin (Produktionsutveckling & hälso- och säkerhetschef) och Linda Strandberg (Produktionsteknikchef) på ABB PG, för att diskutera syftet samt målet med det uppdrag som har undersökts. Tillsammans med företaget och i enlighet med handledare och examinator från Örebro universitet har syftet samt frågeställningar för uppdraget formulerats (se delavsnitt 2.1.1 Syfte och 2.1.2 Frågeställningar). Genom tillgång till ABB PG:s intranät studerades företagets processkartor och hur företagets verksamhet var utformad januari – juni 2021. Dokument för dokumentstudier samlades in kontinuerligt parallellt med observationer och intervjuer från och med första veckan som studien påbörjades. Även litteraturer i form av böcker och digitala artiklar ansamlades löpande. Nedan beskrivs genomförandet av respektive fas djupare.
4.1.1 Metoder för nulägesbeskrivning
Av möjliga metoder för datainsamling som framtagits tidigare, påbörjades forskningsprocessen med metoden dokumentstudie. Aktuella sekundärkällor i detta fall är dokument i form av ritningar av produktionsprocessen, vilket illustreras i figur 1, och företagsintern dokumentering (se tabell 3). Eftersom utredningens syfte är att identifiera automatiseringsområden, behövdes denna specifika information om den interna verksamheten. Eventuella rutiner och moment kan ha utvecklats eller förändrats sedan de dokumenterats (se delavsnitt 5.1.2 Arbetsstationsbeskrivning, 5.1.3 Specifikationskrav och 5.1.4 Beskrivning av automatiseringsgrad). Uppgifterna kunde användas för att analysera avsiktliga specifika moment och arbetslag inom produktionen (se avsnitt 6.1 Värdering av resultat).
Tabell 3. Utförda dokumentstudier.
Dokument
Processkartor Produktdimensioner
Kostnadsmodell på en investering gällande automation i produktionen
En kvalitativ innehållsanalys genomfördes på dokumentstudierna. En riktad analys applicerades för att studera ritningar och kartläggningar av tillverkningsprocessen. Detta eftersom det är en deduktiv metod och styrs därmed av studiens utgångspunkter (se delavsnitt 2.1.1 Syfte och 2.1.3 Avgränsningar). En nulägesbeskrivning genomförs för att skapa en översiktlig bild av företaget. En summativ analys [33, s. 211] utfördes av interna dokument, då dess inbördes information relateras till dess sammanhang (se avsnitt 6.1 Värdering av resultat). Efter genomgången av insamlat material och en förståelse har byggts upp, behövde en helhetsbild av verksamhetens naturliga miljö iakttas. Arbetsrutiner studerades med hjälp av metoden observation.
Genom att först utföra en osystematisk observation av hela produktionsprocessen, inkluderat plåtverkstan, utfördes därefter en nulägesbeskrivning av verksamheten (se avsnitt 5.1 Nulägesbeskrivning). Efter avgränsning till produktion av de inre komponenterna för krafttransformatorer (se 2.1.3 Avgränsningar), genomfördes systematiska observationer, enligt bilaga A. Därmed beaktades produktivitet, kvalitet, säkerhet och ergonomi inom arbetsstationerna A-don, kärnläggning (inklusive kärnklippning), lindning, aktiv delmontage och slutmontage enligt ett förutbestämt schema (se tabell 4). För att säkerställa tillförlitlig information, agerade betraktarna som outsiderobservatörer. Därmed skedde observationerna utan delaktighet från iakttagarna, för att upprätthålla den naturliga miljön så gott som möjligt. En ostrukturerad observation utfördes med hjälp av detaljerade anteckningar av de förutbestämda fokusområdena. Genom direkta observationer, resulterade denna metod i insikter om moment och rutiner i den arbetande produktionen.
Tabell 4. Utförda observationer.
Datum Tid Objekt Typ av metod
2020-12-02 3 h Hela produktionen Osystematisk 2021-02-22 2 h Hela produktionen Osystematisk
2021-03-23 2 h A-don Systematisk, enligt observationsmall 2021-03-24 2 h Kärnläggning Systematisk, enligt observationsmall 2021-03-25 2 h Lindning Systematisk, enligt observationsmall 2021-03-26 1 h Aktiv del Systematisk, enligt observationsmall 2021-03-26 1,5 h Slutmontage Systematisk, enligt observationsmall
4.1.2 Metoder för sammanställning av intervjuer
Primärdata tillvaratogs i form av insikter och anteckningar som har genererats under observationen. Även sekundärdata, i form av ritningar och produktionsplanering, har genererats för att därefter applicera datainsamlingsmetoden intervjuer.
