Přínosy použití systémů MES Wonderware InTrack

Přínosy použití systémů MES Wonderware InTrack

1. Úvod

Příspěvek je věnován novému typu softwarových systémů, které jsou v anglické terminologii označovány zkratkou MES (Manufacturing Execution Systems) a které jsou určeny pro přímé řízení průmyslové výroby, včetně zajištění podrobné dokumentace skutečné výrobní historie.

Příspěvek je zaměřen především na přínosy systémů MES pro odstranění typických problémů v průmyslové výrobě a ke snížení výrobních nákladů.

Konkrétní řešení MES je reprezentováno systémem Wonderware InTrack společnosti Wonderware Corporation. V článku je uveden i příklad aplikace v České republice, včetně jejího přínosu pro koncového uživatele.

2. Typické problémy výrobních podniků a jejich příčiny

Aby se výrobní podniky udržely v současném silném konkurenčním boji, potřebují vyrábět velké množství výrobků při zachování vysoké a neměnné kvality. Tyto výrobky musí dodat zákazníkům ve správný čas, na správné místo a v požadovaném množství a kvalitě (dodávky just-in-time).

Zákazníci stále častěji vyžadují dokladovat dodržení kvality. Certifikace kvality výroby podle norem ISO 9000, popř. VDA (pro automobilový průmysl), je nyní brána už za samozřejmost. Mnohdy je požadována průkazná dokumentace o skutečné historii výroby a dodržení předepsaného technologického postupu ke každé dodávce a v některých průmyslových sektorech i ke každému výrobku. Podniky jsou tak nuceny vytvářet a spravovat velké množství informací pro získání a obhájení certifikátů kvality, pro své zákazníky i pro svoji interní potřebu k průběžnému vylepšování výroby.

Aby byl podnik úspěšný, je nucen často uvádět na trh nové nebo modifikované výrobky za stejnou nebo nižší cenu než dříve. Majitelé však samozřejmě požadují růst ziskovosti pro rychlejší návrat vložených investic. Dochází tak vlastně k protichůdným požadavkům – snížit výrobní náklady a zvětšit objem produkce.

Souhrnně lze konstatovat, že výrobní podniky nejčastěji trápí nízká produktivita, nedostatečná nebo kolísavá kvalita, vysoké výrobní náklady a nedodržení termínu dodávky. Jaké jsou příčiny uvedených problémů?

Příčiny nízké produktivity:

• odstávky strojů a prostoje způsobené nepřipraveností výrobního zařízení, lidí nebo materiálu,

• příliš dlouhé doby výroby způsobené čekáním na přesuny materiálu nebo přestavováním strojů,

• neefektivní využití strojů a linek z důvodu špatného řízení zakázek a toku materiálu,

• nekvalifikovaná obsluha,

• velké množství odpadu způsobené nekvalitní výrobou nebo neefektivním využitím surovin,

• časté opravy způsobené nekvalitou výroby,

• manuální sběr údajů z procesu (teplota, tlak aj.) a výrobních událostí (operace, použité suroviny, výsledky kontrol) a jejich přiřazení ke konkrétnímu výrobku nebo zakázce,

• špatný přístup k údajům z výroby pro všechny zainteresované pracovníky podniku (od operátorů, údržby, mistra, přes oddělení kvality, obchodní a finanční oddělení až po vedoucí výroby a vrcholový management),

• nedostatek informací o skutečné výrobní historii pro průběžnou optimalizaci výroby a zvýšení produktivity.

Příčiny nízké kvality:

• nestabilní výrobní procesy, které nezajistí opakování výroby ve stejné kvalitě,

• špatně navržené výrobní procesy,

• špatná kvalita vstupních komponent nebo použití nesprávných komponent,

• špatná znalost výrobních postupů, způsobená mj. chybějícím přístupem k aktuálním pracovním instrukcím.

Příčiny vysokých cen výrobků:

• nízká produktivita,
• špatná kvalita výroby vedoucí k častým opravám a úpravám zvyšujícím náklady,
• velká rozpracovanost a objem nedokončené výroby,
• příliš mnoho surovin a hotových komponent na skladě,
• vysoké náklady na údržbu způsobené špatnou správou výrobních zařízení.

Příčiny neplnění termínu dodávek:

• není přehled o rozpracovaných zakázkách,
• chybí zpětná vazba pro aktualizaci plánu podle skutečného stavu celého výrobního prostředí,
• chybějí zdroje pro plánovanou produkci – materiály, připravenost strojů (kapacita, odstávky aj.), lidské zdroje,
• organizace práce je špatná, a v důsledku toho je nízká produktivita práce,
• doba expedice je oddalována opravami, jejichž příčinou je špatná kvalita.

3. MES – softwarový systém pro přímé řízení výroby a dokumentaci skutečné výrobní historie

Ze zmíněných skutečností je patrné široké spektrum výrobních problémů, které nelze zvládnout pouze softwarovými systémy kategorie SCADA/HMI (InTouch, WinCC, Citect, Control Web aj.), určenými pro vizualizaci a ovládání chodu strojů a linek a pro sběr technologických dat.

Často převládá názor, že všechny problémy vyřeší softwarový administrativní informační systém kategorie ERP (SAP, Baan aj.). Tyto systémy jsou v podniku samozřejmě třeba pro zpřehlednění finanční, obchodní, skladové a další administrativní agendy. Některé v sobě obsahují moduly plánování MRP II, které jsou vhodné pro dlouhodobé a strategické plánování, a někdy i výrobní modul, jenž sleduje výrobu z hlediska finančních nákladů a spotřeby materiálu ze skladu. Tyto systémy však většinou nemají žádnou přímou vazbu na výrobní linky a zařízení. Vytváření jednoduchého a uživatelsky přívětivého rozhraní pro operátory na lince je pro ně náročné. Data z výroby jsou do těchto systémů zadávána nejčastěji ručně opisováním z papírových záznamů průběhu výroby, popř. přes čtečky čárového kódu. Přímé připojení na řídicí systémy (PLC) strojů a linek je pro ně velmi náročné a nestandardní.

Systémy ERP tak nejsou schopny operativně řídit výrobu (priority vyřizování zakázek, tok materiálu, přestavování strojů aj.), zajišťovat její kvalitu, sledovat rozpracovanost a pořizovat údaje o skutečném průběhu v reálném čase.

Řešením je použít informační systém zaměřený na přímou výrobu. Tyto systémy se označují zkratkou MES (Manufacturing Execution Systems) a odpovídají za vykonávání výroby (obr. 1).

4. Přínosy aplikací MES pro výrobní podniky

Funkce systémů MES byly definovány organizací MESA [6] a jsou určeny k odstranění již zmíněných problémů.

Zákazníci jsou však někdy mylně informováni, neboť mnoho softwarových systémů je prezentováno jako řešení MES, přestože plní pouze jednu nebo několik málo z předepsaných funkcí. Potom je nutné pro zajištění ostatních potřebných funkcí pořídit další systém nebo systémy a vytvářet mezi nimi rozhraní, což zvyšuje nejen pořizovací náklady, ale i náklady na údržbu více systémů.

Jaké jsou přínosy správné aplikace systému MES?

Přínosy pro vrcholový management podniku:

• snížení vázaných finančních prostředků vlivem omezení zásob surovin i hotových výrobků na skladě,
• lepší možnosti při jednání se zákazníky díky viditelnosti rozpracované výroby a plnění zakázek v reálném čase,
• snížení nákladů na jednotlivé operace díky optimalizaci výroby a zkrácení doby výrobních operací,
• zvýšení spolehlivosti a hodnověrnosti u zákazníků zásluhou včasných dodávek,
• možnost synchronizace výroby s požadavky zákazníků,
• snadnější adaptace výroby při požadavku na různé varianty a modifikace výrobků,
• zvýšení schopnosti podniku efektivně využívat elektronické obchodování (B2B, B2C),
• rychlejší uvedení nových výrobků na trh a zvýšení podílu na trhu,
• zrychlení návratnosti investičních prostředků vložených do výrobních zařízení.

Přínosy pro vedoucí pracovníky ve výrobě:

• zkrácení dob jednotlivých výrobních operací i celkové výrobní cesty,
• zmenšení objemu zbytečně rozpracované výroby i množství zásob, které ušetří výrobní i skladové prostory,
• zlepšení kvality výroby a minimalizace odpadu,
• rychlejší uvedení nových výrobků do výroby,
• minimalizace „papírování“ pro operátory ve výrobě, kteří zaznamenávají odvedenou práci,
• lepší (okamžitý) přehled o rozpracované výrobě, který zvyšuje operativnost rozhodování při řízení výroby,
• snadný přístup k informacím i v ostatních podnikových softwarových systémech (ERP, APS, LIMS aj.),
• kompletní záznam historie výroby a její snadné dohledání pro vyřízení reklamací, dokladování dodržení kvality, zjištění výkonnosti, nalezení problémových míst (úzká hrdla, příčiny nekvality aj.),
• zvýšení celkové pružnosti výroby (velikost dávky, pořadí zakázek aj.).

Přínosy pro obsluhu strojů a linek:

• obsluha má přehled o pořadí, prioritách a stavu zpracovávaných zakázek v reálném čase, a to i pro konkrétní výrobní operace,

• obsluha je automaticky informována o požadavcích na výrobu (jaké materiály, jakou recepturu, jaké stroje, jaké množství, požadované parametry, skutečné parametry aj.),

• obsluha má k dispozici informace o průběhu výroby předchozích zakázek pro vyhodnocení a uskutečnění případných optimalizací a korektur při nastavení výrobních zařízení,

• obsluha může zaznamenat a kdykoliv si zobrazit informace o kvalitě a vykonání zakázky (čas operace, množství odpadu, už spotřebované a ještě potřebné materiály, požadovaný a aktuálně možný čas ukončení výroby),

• pro obsluhu jsou dostupné informace o plánovaných odstávkách strojů a linek i aktuálně vykonávané údržbě nebo opravách.

Přínosy pro oddělení údržby:

• informace o skutečném používání strojů pro zlepšení plánování preventivní údržby,
• zaznamenání pravidelné údržby i odstávek strojů,
• analýza chodu strojů, jejich životnosti a spolehlivosti,
• analýza vykonávání oprav (rychlost, časy, četnost),
• včasná informace o alarmových stavech ve výrobě (překročení limitních mezí, nefunkčnost zařízení aj.).

Přínosy pro obchodní oddělení a plánování výroby:

• informace o skutečném stavu zásob i hotových výrobků v reálném čase,

• informace o stavu rozpracovaných zakázek (kde se nacházejí, kdy se předpokládá dokončení aj.),

• informace v reálném čase o zpracování zakázek a připravenosti strojů, které jsou určeny k aktualizaci výrobních plánů a jsou důležitým předpokladem správné funkce systémů APS (Advanced Planning and Scheduling),

• odstranění bariéry mezi obchodním oddělením a výrobou, což zlepší služby zákazníkům.

5. Řešení od firmy Wonderware

Společnost Wonderware Corporation je specializovaná softwarová firma, která se zabývá výhradně vývojem softwarových produktů pro oblast průmyslové automatizace.

Byla mj. vůbec prvním softwarovým dodavatelem, který použil uživatelsky přátelský grafický operační systém Microsoft Windows (již v roce 1988) v průmyslové aplikaci (i v ČR a SR značně rozšířený vizualizační systém Wonderware InTouch), tj. přímo ve výrobních halách.

V současné době firma Wonderware nabízí dvě integrované rodiny produktů – FactorySuite [1] a MaintenanceSuite [2].

FactorySuite tvoří ucelený integrovaný výrobní informační systém nové generace, označovaný jako MMI (Manufacturing and Management Information). Zajišťuje vykonávání výrobních objednávek a řízení rozpracované výroby a strojů od příjmu surovin, přes vstup polotovarů do výrobního procesu až po montáž konečných produktů a jejich expedici, včetně podrobného záznamu výrobní historie jednotlivých výrobků, výrobních šarží, technologických veličin, alarmů, chodu a odstávek strojů aj. Tvoří velmi důležitý článek v toku informací ve výrobním podniku ve směru horizontálním i vertikálním a lze ji s výhodou použít ve spolupráci s elektronickým obchodováním (e-business v rámci komplexního dodavatelsko-odběratelského řetězce (supply chain).

MaintenanceSuite je integrovaná softwarová rodina pro řízení údržby a správu podnikových hmotných prostředků v reálném čase, navržená pro maximálně efektivní využívání těchto prostředků, zvýšení výrobní produktivity a ke snížení celkových výrobních nákladů.

Součástí rodiny FactorySuite je i software kategorie MES – Wonderware InTrack [3], [4], jehož funkce a přínosy jsou popsány v další části tohoto příspěvku.

6. Wonderware InTrack

Softwarový systém Wonderware InTrack je navržen v souladu s požadavky organizace MESA a přináší do podniků výhody zmíněné v předchozím textu. Tvoří jádro výrobního informačního systému, který propojuje svět výrobní, svět administrativní i pomocné provozy.

InTrack slouží k definování a správě materiálů, materiálových toků, spotřeby surovin, sledu výrobních operací, správných výrobních postupů, aktuálních pracovních instrukcí pro obsluhu a údržbu, pro přidělování potřebných strojů a jejich údržbu a pro přiřazení příslušných oprávnění jednotlivým zaměstnancům.

Informace o skutečném průběhu výroby a výrobních událostech se průběžně ukládají do databáze pro jejich další analýzy a zpracování (optimalizace výroby, reklamace, doložení správných výrobních postupů zákazníkům, spotřebované materiály, provedené operace, časový průběh výroby, provedená údržba, opravy a odstávky strojů atd.).

6.1 Hlavní funkce
V následujícím výčtu jsou uvedeny hlavní funkce systému InTrack:

• sledování aktuální rozpracovanosti výroby a stavu zásob v reálném čase,
• řízení zadávání objednávek do výroby a sekvence jejich vyhotovování,
• definování a uplatňování správných výrobních postupů (GMP),
• integrované supervizní řízení, vizualizace technologie a sběr dat z řídicích systémů,
• záznam skutečného průběhu výroby a použitých materiálů až na úroveň každého výrobku,
• sběr kvalitativních údajů z procesu charakteristických pro vyráběný produkt nebo použitá výrobní zařízení,
• statistické řízení a sledování kvality výroby v režimu on-line i off-line,
• vzobrazení pracovních instrukcí pro výrobu nebo pro údržbu výrobních zařízení,
• sledování a zaznamenávání chodu a odstávek výrobních zařízení,
• sledování pravidelných cyklů údržby strojů,
• okamžitá dostupnost podrobných výrobních reportů a dat z výroby.

6.2 Struktura systému
InTrack Server obsahuje editor InTrack ModelMaker, jehož grafické prostředí umožňuje snadno vytvořit úplný výrobní model příslušného výrobního procesu (materiály, operace, výrobní cesty, stroje atd.), a to bez nutnosti pracného programování databáze, pouze postupem „ukaž a klikni“ (obr. 2). InTrack ModelMaker sám vytvoří strukturu databáze (tabulky a reference mezi nimi), kterou lze kdykoliv rozšířit o další atributy nebo celé tabulky a přizpůsobit tak systém zákazníkovi „na míru“.

InTrack pracuje s průmyslovým standardem relačních databází Microsoft SQL Server a Oracle. Tyto databázové systémy typu RDBMS fungují jako datové sklady, které uchovávají jak vytvořený výrobní model, tak i záznamy skutečné historie výroby.

Za běhu aplikace využívá transakční jádro systému InTrack pro řízení toku zpracování zakázek výrobní model definovaný v prostředí InTrack ModelMaker a všechny výrobní události vznikající činností operátorů, výrobních zařízení a vnějších systémů zaznamenává do databáze. Tyto výrobní události mohou být zachycovány manuálně (zadání údajů z klávesnice) nebo automaticky (čárové kódy, data z registrů programovatelných automatů PLC) a přesně dokumentují, co bylo ve výrobním procesu skutečně vykonáno (kdo, kdy, kde, co, jak, popř. za kolik).

K tvorbě grafického uživatelského rozhraní klientských aplikací se používá osvědčené a výkonné prostředí vizualizačního systému Wonderware InTouch. Zobrazení aplikace mohou být rychle nakonfigurována pomocí sady objektů InTrack ActiveX. Tento přístup dovoluje, aby výrobní a transakční údaje (InTrack) i údaje z procesu (InTouch) byly poskytovány operátorovi, supervizorovi nebo vedoucímu pracovníkovi v jednom okně aplikace (obr. 3, obr. 4).

Pro vývoj klientských aplikací lze použít i Microsoft Visual Basic s využitím OLE transakčního jádra systému InTrack a objektů ActiveX.

Připojení na nejvíce používané řídicí systémy a zařízení pro snímání dat z výroby a výrobních procesů je zajištěno prostřednictvím více než 600 I/O komunikačních serverů. To umožňuje automaticky sbírat skutečná technologická data ze strojů i měnit parametry stroje podle právě vyráběného typu výrobku.

Použití standardních otevřených databází (MS SQL Server, Oracle) pro ukládání výrobní historie umožňuje snadný přístup k požadovaným datům z mnoha klientských aplikací různých úrovní od operátorů, přes údržbu a výrobní technology až po nejvyšší podnikový management, a to i z prostředí internetu.

Výkonné transakční jádro systému InTrack je snadno přístupné přes rozhraní COM firmy Microsoft, čímž se usnadňuje nejen vývoj aplikace, ale i případná integrace s dalšími softwarovými aplikacemi používanými v podniku (informační systémy kategorie ERP, SCM, LIMS, plánovací systémy atd.). Lze přenášet data o aktuální rozpracované výrobě, historii výroby, stavu a množství materiálů na skladě, definice materiálů a jejich kusovníky aj.

6.3 Příklad použití systému InTrack ve firmě Unilever ČR PTZ v Nelahozevsi

6.3.1 Popis technologie
Jde o aplikaci ve výrobě kosmetiky, která je rozdělena do tří pracovišť. Prvním z nich je navažovna, která se skládá z navažovny sypkých materiálů, navažovny kapalných materiálů a navažovacího boxu prachů. V navažovně se navažují suroviny pro výrobu emulzí. Požadavky na navažovnu posílá InTrack podle skutečného plánu výroby. Z kusovníku určí požadovaný typ suroviny a založí interní zakázku s požadovaným množstvím (obr. 3).

Výroba emulze je dávkový proces. Každé dávce je přiřazen potřebný počet vozíků, do kterých se ukládají navážené suroviny k dané várce. Vozíky jsou po navážení přepraveny do varny, která je druhým a zároveň vlastním výrobním pracovištěm. Varna se skládá ze tří premixů a dvou varných kotlů. V nich je klasickým dávkovým procesem vyráběna emulze.

Vyrobená emulze je stáčena do nádob (tzv. hoboků), ve kterých se nechá zavadnout. Po odebrání vzorků ke zjištění parametrů kvality a po kladném výsledku tohoto zjištění jsou hoboky s emulzí odesílány na třetí pracoviště, kterým je balírna. Balení emulze je kontinuální proces, kterým výroba kosmetického produktu končí.

6.3.2 Použití softwaru od Wonderware
V provozu kosmetiky jsou použity tři produkty z rodiny Wonderware FactorySuite.

Pro komplexní monitorování a celkové řízení provozu kosmetiky slouží systém Wonderware InTrack. Pro řízení dávkové výroby emulze je použit Wonderware InBatch. Pro vizualizaci provozu a jako operátorské rozhraní pro InTrack i InBatch je určen Wonderware InTouch.

Všechny tyto produkty se vhodně doplňují a obsluha má tak dokonalý přehled o současném dění v technologii a možnost toto dění ovlivňovat.

Systém InTrack řídí a sleduje celý výrobní proces od zadání výrobních dávek do výroby až po zabalení hotových výrobků do krabic a přenesení na paletu, včetně příjmu surovin do výroby a jejich kontroly z hlediska typu i kvality.

Mistr na pracovišti Výroba vybírá receptury a zakládá příslušné výrobní dávky. Současně má možnost ověřit, zda je množství surovin na skladě dostatečné pro založené dávky. Založené dávky odesílá na pracoviště Navažovna. Obsluha přejímá požadavky od mistra a na základě receptur uložených v systému je pro ni vygenerován seznam materiálů a množství, které má navážit. Systém kontroluje, zda všechna množství byla navážena v předepsaných tolerančních mezích. Obsluha registruje nádoby a vozíky, do kterých byly suroviny naváženy (obr. 3).

Po navážení odesílá obsluha dávku do varny. Zde obsluha zaregistruje přijmutí vozíků do výroby a nadávkování surovin do premixů. Zároveň systém InTrack automaticky zakládá výrobní dávky pro systém InBatch, který řídí samotnou výrobu emulze. Během dávkové výroby je InTrack informován ze systému InBatch o průběhu a kvalitě výroby. Po uvaření emulze je zaregistrováno stočení do hoboků. Po vykonání testu kvality jsou hoboky zaregistrovány na stanici Balení, kde se monitoruje balení emulze a spotřeba obalového materiálu (obr. 4).

Pracoviště Navažovna a Balení současně slouží pro řízení příjmu surovin, výdej hotových výrobků a správu skladů ve výrobním procesu.

6.3.3 Pružnost a modifikovatelnost
Během implementace systému InTrack se velmi osvědčila jeho snadná modifikovatelnost, jednak při dolaďování na místě při přizpůsobování dodatečným požadavkům zákazníka, jednak v době, kdy podnik přecházel na systém SAP, a změnila se tak logika identifikace materiálů a vyvstaly požadavky na změnu číslování a identifikaci materiálů a na propojení se systémem SAP.

6.3.4 Propojení se systémem SAP
Systém InTrack je též začleněn do celopodnikového informačního systému a data jsou pomocí automatického dávkového přenosu dat importována ze systému SAP R/3 do systému InTrack. Systému InTrack jsou tak předávány informace o expiračních dobách surovin, o jejich průchodu testem kvality apod. Tím je zabezpečeno, že pro výrobu emulze jsou použity prověřené a kvalitní suroviny. Zároveň jsou ze systému SAP importována data o definici nových materiálů a kusovníků.

Při programování importu ze systému SAP byla s výhodou využita možnost použít metody InTrack OLE přímo v uložených procedurách na SQL serveru.

6.3.5 Přínosy aplikace systému InTrack v Unilever ČR PTZ
Aplikace systému InTrack přinesla uživateli tyto výhody:

• odpadla nutnost zaznamenávat vše na papír, neboť veškeré informace jsou uloženy v databázi na serveru, odkud jsou snadno dostupné,
• zjednodušila se správa výrobních dat a informací o výrobě,
• byla umožněna spolupráce s nadřazeným systémem ERP (SAP), automatický přenos kusovníků a nových materiálů,
• usnadnilo se zadávání dávek do výroby a jejich řízení a odbavování ve výrobě,
• byl zajištěn detailní přehled o množství a stavu (umístění, kvalita) rozpracovaných dávek ve výrobě pro obsluhu i vedoucí výroby,
• obsluha i vedoucí výroby dostali detailní přehled o množství a stavu (kvalita, životnost) jednotlivých typů surovin na skladě,
• byla zajištěna kvalita výroby díky dodržování správného výrobního postupu (použití správných surovin, přesnost navážení surovin, použití surovin, které mají platnou expirační dobu atd.),
• usnadnilo se zpětné doložení skutečného průběhu výroby,
• usnadnilo se zaučení obsluhy,
• systém lze snadno upravovat podle nových požadavků zákazníka.

7. Závěr

Softwarové systémy kategorie MES jsou především vhodné pro výrobce, kteří vyžadují vysokou a neměnnou kvalitu velkého množství vyráběných výrobků, potřebují detailní záznamy skutečné výrobní historie, minimalizaci zásob a rychlé zavádění nových nebo modifikovaných výrobků na trh v rámci tvrdého konkurenčního boje.

Wonderware InTrack je osvědčené řešení MES, které se používá již od roku 1995. InTrack je např. využíván při montáži automobilů nebo jejich komponent, při výrobě elektroniky, zdravotnických zařízení, nápojů a potravin, oceli, kabelů, speciálních materiálů a v dalších oblastech průmyslu. Celosvětově již bylo prodáno více než 3 000 licencí 400 zákazníků.

Firma Wonderware systém InTrack průběžně modernizuje a InTrack je mj. použit i jako modul pro přímé řízení a sledování výroby ve spolupráci se známým systémem ERP Baan.

Mezi významné zákazníky patří Philips Semiconductors, Johnson Matthey, Gates Rubber, Sagem, Volkswagen, Gillette, Volvo, Nestlé, DuPont, British Steel, SAB (South African Breweries).