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自动化改造可行性分析

自动化改造可行性分析

对于传统工业而言,人力密集往往是相当常见的状态,而随着企业的发展与销售渠道、生产规模的扩大,逐步实现半自动化改造、全自动化改造也是当今的必然趋势。

然而,对于企业而言并非自动化就一定会优于人工,也并非全自动化一定优于半自动化。自动化所带来的增益往往取决于企业的经营方向、生产产能与发展阶段等客观条件,需要通过相应的数据测算、可行性分析从而得出相对合理的结论,也就是需要分析出待自动化改造环节所对应的投资回报率回本周期等关键指标,从而实现利润的提升与劳动力的解放。

关键指标

要进行自动化改造,最为核心与关键的目标自然只有一点:利润提升。而要通过自动化实现利润的提升,涉及到的关键点有两个,一是生产成本,二是投资预算

生产成本对于自动化改造而言,主要的资金流向自然是自动化设备,根据设备类型不同还会有额外的辅助开销,例如专业人员、水电燃油费、场地占用等,与占据主体的设备折旧一起构成自动化改造的生产成本。而对于传统人力形式来说,人员工资往往是主要的生产成本支出,因此自动化改造的关键目的也是通过引进设备提高生产效率,缩减人力劳动花销从而提升利润。

对于投资预算来讲,影响投资预算的首要因素是投资回报率ROI(Return on Investment),其次是可供分配的流动资金。投资回报率相对好理解,对应的数学公式为:

$投资回报率=\frac{增值利润}{投资金额}\times100\%$

例如,我们常用的微信、支付宝都有各自的活期理财方式(零钱通、余额宝),对应的七日年化率在2%左右,即投资回报率在2%左右。同样的,像是基金、股票也同样是常见的投资方式,但是存在亏损风险有所波动,综合年化回报约在10%左右。对于自动化改造而言,一般需要综合考虑到后续订单稳定性、设备通用性等因素的风险程度,通常对于年均投资回报率期望达到8%以上,根据相应的回本周期与资金链状况,判断是否可以进行投资试产。

成本测算

要了解自动化改造可以带来多少增值利润,就需要对改造前后的成本与产能进行测算。因此,我们需要对成本进行拆分,分析改造前与改造后的成本差额,计算出单位产能所需成本

通常来说,对于自动化程度低的工序,绝大部分的成本开支集中在人员工资上。而对于自动化改造而言,通常主要的成本集中在设备采购与设备运维上,根据厂房剩余空间可能还存在额外的场地成本。同时,根据设备类型在运维时除了基本的水电油费,还可能需要额外配置专业人员操作。

但是,即使存在着很多不同类型的关联成本,但在自动化改造中占据绝大部分成本的往往还是设备本身。由于设备的投资是一次性的,与人员工资的每月分期发放不同,通常为便于测算投资回报率与回本周期,往往采用设备折旧的方式进行估算,即根据设备年限与价值损失分摊至每年进行成本测算。对于不同的设备,通常的设备使用寿命各不相同,同时随着公司业务的变更与需要也不一定能够寿终就寝,因此一般不根据物理年限,而是根据经济使用年限作为设备折旧年限进行测算,从而得出期望的回本年限

在得到相应的测算方法与成本测算范围后,我们即可通过分析人力与自动化两者的单位产能所需成本的差额,从而测算出回本年限与投资回报率,进而根据公司实际情况判断对该环节的自动化改造是否值当。

案例实战

相比于用大量的描述性文字并罗列大量公式进行阐述,直接通过案例来展示测算方法进行理解将更加清晰高效。因此,本节将对某自动化改造的实际案例进行可行性测算,便于理解与掌握相应的方法。

基本数据

某企业几条流水线主要对几款产品进行称重、包装,即需要将生产的散装材料按客户规定的分量装填进塑料袋后封口、装箱发给客户。经观测发现在称重环节花费时间过长带来了生产瓶颈,且若对完整环节进行自动化改造难度较大、成本过高,因此仅对称重环节进行自动化改造

当前流水线可对垫片、短螺丝、长螺丝三种产品进行包装,根据动作分解并对各工位一定次数的重复操作进行测定,三类产品的平均称重用时分别为:

  • 垫片:3.22s

  • 长螺丝:7.47s

  • 短螺丝:6.09s

  • 偏移补偿:0.2s

综合考虑人员的工作效率后,人员每日的有效工作时长为12小时,每月工作26天,每年工作11.5月,工资为15元/小时。且当前称重使用天平进行称量,辅助设备成本可忽略

经与设备供应商进行研讨,该设备预期产能为15包/分钟,设备总价22万元,设备折旧年限5年

此外,厂内可以容纳当前设备无需占地成本,设备水电燃油成本可忽略无需额外人员配置

根据公司战略,该项目与客户为长期合作,投资理想回本周期为2至3年,年均投资回报率最低8%以上。

下面根据相关基本数据、指标进行可行性分析。

人力成本测算

人力成本涉及到的因素非常多,例如工资、请假、疲劳程度、操作熟练度等等。在其中,通常工资占据了绝大比重,而涉及到干扰产能带来的成本上升通常直接折算到单位时间产能当中。因此,对于改造前的成本粗算可以只考虑人员工资、辅助设备折旧这两大因素。

本例中根据基本信息,可知当前成本仅包含人员工资。根据人员工时,可得:

$人员工资=15\times12\times26\times11.5=53820元/年$

根据三类产品各自的平均用时,我们可以得知对应的产能:

$垫片产能=60\times60\div3.22=1118包/小时$

$长螺丝产能=60\times60\div3.22=482包/小时$

$短螺丝产能=60\times60\div3.22=591包/小时$

以三类产品平均生产作为综合产能,则:

$综合产能=(1118+482+591)\div3=730包/小时$

因此,人工的单位产出所需成本为:

$单位产出成本=单位时间工资\div单位产出=15\div730=0.0205元/包$

自动化成本测算

自动化成本测算思路与人力成本大致相同,占据绝大部分比重的是设备成本,在能源消耗可忽略的情况下通常只计算设备折旧成本、额外工序成本、人员增补成本以及场地成本。

本例中由于无人员增添且无额外的场地成本,同时耗能成本可忽略,因此仅需对设备折旧成本与额外工序成本进行测算。由基本数据,设备的折旧成本为:

$小时折旧成本=220000\div(5\times12\times26\times11.5)=12.26元/小时$

$年均折旧成本=220000\div5=44000元/年$

设备的每小时产能:

$设备产能=15\times60=900包/小时$

则设备的单位产出成本为:

$单位产出成本=单位时间折旧成本\div单位产出=12.26\div900=0.0136元/包$

然而,对于该项目的自动化成本除了设备成本还包括了额外工序成本,在本例中也就是环节拆分使后续动作带来额外时间开销。在本例中,由于将原本人工连贯的称重后装填的动作拆分为了设备称重+人工装填,由于动作路径变化增长了装填环节所需时间,因此需要考虑到偏移补偿时间带来的成本。本例中的偏移补偿时间为0.2s,由于人员未变因此工资计算相同,则:

$偏移补偿成本=0.2\div3600\times15=0.0008元/包$

$补偿成本年化=0.0008\times900\times12\times26\times11.5=2691元/年$

可行性测算

在计算完自动化改造前后的成本变化后,根据相应的数据就可以进行投资回报率、回本年限的测算,从而分析投资自动化改造的可行性。

根据成本测算,相应的设备综合投资回报:

$设备总回报=初始成本-投资成本=经济使用年限\times(设备效率\times人工成本-偏移补偿)-设备总投资$

$设备五年回报=5\times((900\div730)\times53820-2691)-220000=98150元$

则在设备全效运作、三类产品平均生产的情况下,设备的投资回报率:

$投资回报率=利润增值/总投资金额\times100\%$

$综合投资回报率=98150/220000\times100\%=44.61\%$

$年均投资回报率=98150/220000\div5\times100\%=8.92\%$

8.92%>8%,满足基本回报期望。

相应的设备回本周期:

$设备回报=回本周期\times(设备效率\times人工成本-偏移补偿)-设备总投资=0$

$回本周期=设备总投资\div(设备效率\times人工成本-偏移补偿)$

$回本周期=220000\div((900\div730)\times53820-2691)=3.46年$

3.46>3 距理想回本周期有所差距。

生产策略优化

从以上测算可见,当三类产品平均生产时,整体的投资回报率与回本周期表现并不优异,只能说是堪堪可行。但是,这并不意味着该方案没有优化空间,不同产品其环节工时不同,自动化改造的收效也自然不同。通过调整产线生产类型、生产排期可以有效地提高设备价值,提高投资回报率。

由人力成本测算数据可见,三类产品中垫片的产能较高,高于长短螺丝以及设备的产能。而其中长螺丝与短螺丝的常能均远低于设备产能,在三类产品人工加工单位时间成本相同的情况下,长螺丝与短螺丝的单位产出成本是高于综合成本的。因此,可以将几条产线根据产品类型进行特化,即对部分产线进行自动化改造,且改造后的产线主要用于生产长螺丝与短螺丝,仅在垫片类产品产能不足时再将产线让步于垫片类产品。通过此类生产策略的优化,可以将自动化改造的利益最大化,提高投资回报率、缩短回本周期。

回本周期测算:

$垫片回本周期=220000\div((900\div1118)\times53820-2691)=5.41年$

$短螺丝回本周期=220000\div((900\div591)\times53820-2691)=2.78年$

$长螺丝回本周期=220000\div((900\div482)\times53820−2691)=2.25年$

投资回报率测算:

$短螺丝投资回报率=(5\times900\div591\times53820-220000-5\times2691)/220000\times100\%=80.11\%$

$短螺丝年均回报率=80.11\div5=16.02\%$

$长螺丝投资回报率=(5\times900\div482\times53820-220000-5\times2691)/220000\times100\%=122.31\%$

$长螺丝年均回报率=122.31\div5=24.46\%$

结论:本项目自动化改造投资回报率较为优秀,投资风险不高,回本周期尚可。其中短螺丝、长螺丝品类自动化改造增益显著,可引进设备验证。

数据输出表

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小结

不同于广告、互联网软件等行业,传统工业在进行自动化改造时,对于投资回报率与回本周期的测算是相对简单清晰的,并且风险可控,客户订单通常比较稳定。因此,确保投资价值的关键还是在对生产成本的准确测定以及设备性能优化、设备价格协商等方面。

虽然案例的数据是直接给出的,但是实际生产中要精确测定动作时间,往往需要通过录制视频等方式判断动作的始末时间明确自动化改进进行动作替代的实际效果与偏移补偿。例如本案例中自动化改造将原本人工称重-装填的连贯动作拆分为机械称重-人工装填的方式,带来的偏移补偿仅有0.2s,但一旦拆分动作的偏移补偿时间增加,例如达到0.5s,则额外成本将会大幅的提高,投资回报率与回本周期将会急剧变化,当前的可行性分析结果将会彻底颠覆。这也是为什么谈及自动化改造时往往容易陷入需要一步到位的误区,因为仅对部分环节进行自动化改造带来的偏移补偿很可能是难以接受的。

总的来说,自动化改造的前提是单位产出成本的降低与设备投资的平衡,最终的利润提升基于对各环节隐藏问题的深入剖析,与对生产现状的深刻理解及生产效率的精确测定。其中,通过对IE流程的观测优化从而发现问题、进而解决问题,尝试自动化改造,才是实现精益制造、高效生产的核心方法论。

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