Monitorowanie maszyn produkcyjnych: stany, OEE i dane w czasie rzeczywistym

Monitorowanie maszyn produkcyjnych to automatyczna rejestracja stanu każdej maszyny (praca, przestój, przezbrojenie, wyłączenie) i liczby wykonanych cykli, z której oprogramowanie na bieżąco wylicza czasy przestojów i wskaźnik OEE. Wiarygodność wyniku zależy przede wszystkim od dwóch ustaleń przed uruchomieniem: jak zdefiniowano stany maszyny i jaki sygnał je zgłasza.

Co obejmuje monitorowanie maszyn

Monitorowanie maszyn na produkcji pokazuje, co każda maszyna robi w danej minucie i ile dobrych sztuk z tego wynika. Wynikiem jest oś czasu stanów dla każdej maszyny, licznik sztuk oraz wyliczone z nich wskaźniki: dostępność, wydajność, jakość i ich iloczyn, czyli OEE. Lean Enterprise Institute opisuje OEE jako miarę z obszaru TPM, która pokazuje, jak efektywnie wykorzystywane jest wyposażenie (Lean Lexicon: Overall Equipment Effectiveness).

Pokrewne frazy wyszukiwania dotyczą różnych zakresów danych. Poniższa tabela porządkuje je według pytania, na które odpowiadają.

Postęp zleceń da się śledzić dopiero wtedy, gdy cykle maszyny są przypisane do konkretnego zlecenia. Szerszy obraz opisuje artykuł o monitorowaniu produkcji w czasie rzeczywistym. Ten tekst dotyczy poziomu maszyny: stanów, sygnałów i obliczeń.

Stany maszyny i ich miejsce w OEE

Specyfikacja OPC UA for Machinery opisuje stan maszyny czterema wartościami (OPC 40001-1, MachineryItemState). Executing oznacza maszynę sprawną, która wykonuje czynność. NotExecuting oznacza maszynę sprawną, która nic nie robi, na przykład czeka na zlecenie. OutOfService oznacza maszynę dostępną, która z przyczyny technicznej nie może pracować, na przykład z powodu błędu. NotAvailable oznacza maszynę wyłączoną lub w trybie oszczędzania energii. Osobno ta sama specyfikacja opisuje tryb pracy, w tym tryb Setup dla przygotowania i przezbrojenia (OPC 40001-1, MachineryOperationMode).

Każdy z tych stanów można przypisać do kategorii czasu w OEE. Przypisanie wymaga jednak informacji, której maszyna nie posiada: czy dany odcinek czasu był zaplanowany na produkcję. Załącznik C specyfikacji dla obrabiarek zaznacza, że wielkości planowane pochodzą zwykle z systemu MES lub ERP (OPC 40501-1, Annex C). Sama maszyna ich nie dostarcza.

Kolumna OPC UA dotyczy maszyn, których sterownik udostępnia model informacyjny OPC UA for Machinery lub podobny. Ostatni wiersz wymaga szczególnej uwagi. Gdy operator wyłącza maszynę w środku zaplanowanej zmiany, bo zabrakło materiału, maszyna zgłasza stan NotAvailable. Bez modelu zmian system potraktuje ten czas jak przerwę planową, a dostępność wyjdzie zawyżona.

Przykład: od zapisu stanów do OEE

Przykład dotyczy jednej zmiany na maszynie o idealnym czasie cyklu 30 sekund, czyli 0,5 minuty. Zmiana trwa 480 minut, przerwy planowe 40 minut, więc czas planowany na produkcję wynosi 440 minut. W tym czasie system zapisał następujące stany, a licznik pokazał 640 cykli, z których 24 sztuki były złe.

1. Dostępność = czas pracy / czas planowany = 352 / 440 = 80,0 %.
2. Wydajność = liczba cykli × idealny czas cyklu / czas pracy = 640 × 0,5 / 352 = 320 / 352 = 90,9 %.
3. Jakość = sztuki dobre / wszystkie sztuki = 616 / 640 = 96,3 %.
4. OEE = 80,0 % × 90,9 % × 96,3 % = 70,0 %.

Wzory odpowiadają definicjom z normy ISO 22400-2, które przytacza załącznik C specyfikacji OPC 40501-1: dostępność to stosunek czasu pracy do czasu planowanego, efektywność to iloczyn idealnego czasu cyklu i liczby wyprodukowanych sztuk podzielony przez czas pracy, a wskaźnik jakości to stosunek sztuk dobrych do wyprodukowanych (OPC 40501-1, Annex C). Po skróceniu iloczynu zostaje wzór kontrolny OEE = idealny czas cyklu × sztuki dobre / czas planowany = 0,5 × 616 / 440 = 308 / 440 = 70,0 %. Liczba 308 minut to czas, w którym maszyna pracująca w idealnym tempie wykonałaby wyłącznie dobre sztuki.

W stanie „praca” mieszczą się 32 minuty strat (352 minus 320), których sam sygnał stanu nie pokazuje. Składają się na nie wolniejsze cykle i krótkie zatrzymania poniżej progu przestoju. Monitoring oparty wyłącznie na sygnale „pracuje / stoi” pokazałby dostępność 80 % i pominąłby straty tempa oraz braki, które razem zabrały 44 minuty.

Próg krótkiego przestoju a wynik OEE

Każdy system monitorowania musi ustalić, od jakiej długości brak cykli liczy się jako przestój. Krótsze przerwy trafiają do strat tempa, dłuższe do przestojów. Lean Enterprise Institute zalicza zatrzymania trwające kilka sekund do wskaźnika wydajności, a awarie i regulacje do dostępności (Lean Lexicon).

Załóżmy, że w 32 minutach strat tempa z przykładu mieści się 40 zatrzymań po 30 sekund, razem 20 minut. Jeśli próg zostanie obniżony tak, że te zatrzymania staną się przestojami, czas pracy spadnie do 332 minut. Dostępność wyniesie wtedy 332 / 440 = 75,5 %, wydajność 320 / 332 = 96,4 %, a jakość pozostanie na poziomie 96,3 %. OEE nadal wynosi 70 %, ponieważ wzór kontrolny 0,5 × 616 / 440 nie zawiera ani czasu pracy, ani progu.

Z tego wynikają dwie praktyczne konsekwencje. Dostępność i wydajność dwóch maszyn lub dwóch zakładów można porównywać tylko przy tym samym progu. Niższy próg oznacza też więcej przestojów, którym operator musi przypisać przyczynę. Na OEE wpływa za to idealny czas cyklu: jeśli ustawi się go na średni rzeczywisty czas cyklu, wydajność zbliży się do 100 %, a straty tempa znikną z raportu, choć na hali nadal występują.

Sygnały cyfrowe czy OPC UA

Dane z maszyn trafiają do systemu dwiema głównymi drogami. Maszyny bez interfejsu komunikacyjnego podłącza się sygnałami cyfrowymi, na przykład impulsem cyklu i sygnałem pracy z szafy sterowniczej. Nowsze sterowniki PLC udostępniają dane przez OPC UA.

Przyczyny przestoju z reguły nie da się odczytać z samego sygnału. Brak materiału i czekanie na operatora wyglądają dla maszyny tak samo, bo w obu przypadkach jest ona sprawna i nie pracuje. Dlatego o przydatności danych o przestojach decyduje katalog przyczyn i to, jak szybko operator wybiera przyczynę przy maszynie. Jak przełożyć te dane na mniej przestojów, opisuje strona o redukcji przestojów.

Co oznacza „czas rzeczywisty”

W monitorowaniu maszyn „czas rzeczywisty” oznacza, że stan i liczniki pojawiają się w widokach w ciągu sekund lub minuty od zdarzenia. Wystarcza to, aby zareagować na przestój, eskalować problem i skorygować plan jeszcze w trakcie zmiany. Sterowanie maszyną i funkcje bezpieczeństwa pozostają w sterowniku PLC, który pracuje we własnym, znacznie szybszym cyklu. System monitorowania ich nie zastępuje i nie ingeruje w nie.

Monitorowanie samo nie usuwa strat. Pokazuje, gdzie powstają i ile minut zabierają. Poprawę przynosi dopiero reakcja zespołu, na przykład analiza przyczyn metodą 5 Why i zmiana standardu pracy.

Wdrożenie w sześciu krokach

1. Ustalić harmonogram zmian i przerwy planowe. Bez niego system nie odróżni wyłączenia planowego od przestoju.
2. Zdefiniować idealny czas cyklu dla artykułu lub grupy artykułów. Od tej wartości zależy wydajność, a pośrednio całe OEE.
3. Ustalić próg krótkiego przestoju i katalog przyczyn przed startem zbierania danych. Zmiana progu w trakcie utrudnia porównanie okresów.
4. Podłączyć sygnały, zaczynając od maszyny będącej wąskim gardłem. Jej czas pracy ogranicza wydajność całej linii.
5. Przez pierwsze dni porównywać licznik systemu z ręcznym liczeniem sztuk. Rozbieżność wskazuje na źle dobrany sygnał cyklu, na przykład zliczanie ruchów bez wyrobu.
6. Ustawić alarmy dla przestojów wymagających reakcji i określić odbiorców. Informacja, która nie trafia do właściwej osoby, nie skraca przestoju.

Monitorowanie maszyn w SYMESTIC

SYMESTIC wykrywa przestoje automatycznie. Jeśli maszyna wystawia sygnał zatrzymania, system go wykorzystuje; w przeciwnym razie rozpoznaje przestój po tym, że przestają napływać cykle. Nowsze maszyny łączy się przez OPC UA za pomocą Cloud Gateway, bezpłatnego oprogramowania instalowanego na własnym serwerze lub komputerze. Jeśli zakład nie chce udostępniać serwera ani komputera, sterownik z OPC UA podłącza się przez IoT Box w wersji UA Gateway. Starsze maszyny podłącza się sygnałami cyfrowymi przez IoT Box, urządzenie kupowane jednorazowo, bez ingerencji w sterownik PLC. Sygnały cyfrowe dostarczają cykle i przestoje, a cykle NOK wtedy, gdy maszyna je udostępnia.

Z tych danych system wylicza OEE, TEEP, MTBF i MTTR. Próg krótkich przestojów ustawia zakład. Operator wybiera przyczyny przy stanowisku, także dla kilku przestojów naraz, a alarmy trafiają do wskazanych osób jako powiadomienie push lub e-mail. Dane pojawiają się w widokach z reguły w ciągu minuty. Szczegóły podłączenia opisuje strona zbieranie danych z maszyn.

Najczęstsze pytania

Czy monitorowanie maszyn wymaga zmian w programie sterownika PLC?
Przy sygnałach cyfrowych wykorzystuje się istniejące sygnały, na przykład impuls cyklu, więc program sterownika pozostaje bez zmian. Przy OPC UA sterownik musi mieć aktywny serwer OPC UA z udostępnionymi zmiennymi.

Jak monitorować starsze maszyny bez interfejsu komunikacyjnego?
Wystarczą impuls cyklu i sygnał pracy. Pozwalają one policzyć dostępność i wydajność. Jakość wymaga osobnego sygnału NOK albo wpisu operatora.

Czym monitoring OEE różni się od raportu OEE?
Monitoring liczy wskaźnik w trakcie zmiany, raport podsumowuje ją po fakcie. Monitoring pozwala zareagować na przestój, zanim zmiana się skończy.

Czy z monitorowania maszyn wynika postęp zleceń?
Tylko wtedy, gdy cykle są przypisane do zlecenia, na przykład zlecenia przejętego z ERP i uruchomionego na stanowisku.

Ile maszyn podłączyć na początek?
Wystarczy maszyna będąca wąskim gardłem. Pozwala ona sprawdzić definicje stanów, próg i katalog przyczyn, zanim te same ustawienia trafią na kolejne maszyny.

Źródła

1. Lean Enterprise Institute: Lean Lexicon, Overall Equipment Effectiveness.
2. OPC Foundation: OPC 40001-1, OPC UA for Machinery, Part 1: Basic Building Blocks, MachineryItemState.
3. OPC Foundation: OPC 40001-1, MachineryOperationMode.
4. OPC Foundation: OPC 40501-1, OPC UA for Machine Tools, Part 1, Annex C (KPI według ISO 22400-2).
5. ISO: ISO 22400-2:2014, Key performance indicators (KPIs) for manufacturing operations management, Part 2.

Powiązane materiały

• Wskaźnik OEE: definicja, wzór i obliczanie
• Monitorowanie produkcji w czasie rzeczywistym
• Oprogramowanie OEE
• Kalkulator OEE
• MTBF i MTTR

Bezpłatne demo na przykładzie Państwa zastosowania (30 minut)