Sledování prostojů a celkové efektivity výrobních zařízení

Sledování prostojů a celkové efektivity výrobních zařízení

Výrobní podniky jsou pod stále větším tlakem ohledně snižování výrobních nákladů. Jsou proto nuceny optimalizovat výrobní procesy a zvyšovat jejich produktivitu. Požadavky na co nejlepší využití strojů, lidí a materiálů, které to s sebou nese, kladou na pracovníky výrobního managementu vysoké nároky z hlediska řízení a plánování výroby. Pro správné rozhodování je nutné, aby vedoucí pracovníci měli aktuální a co nejúplnější informace o dění ve výrobním prostředí.

V minulých číslech časopisu Automa byla popsána řešení MES (Manufacturing Execution System) založená na softwarových produktech od firmy Wonderware: na procesní historizační databázi pro práci v reálném čase Wonderware IndustrialSQL Server [1] a na systému Wonderware InTrack [2], určeném pro detailní sledování a řízení rozpracované výroby včetně podrobného záznamu skutečné výrobní historie až na úroveň každého jednotlivého výrobku. V tomto příspěvku budou představeny přínosy systému Wonderware DT Analyst, který umožňuje zjistit skutečnou celkovou efektivitu výrobních zařízení OEE (Overall Equipment Effectiveness) díky přesné identifikaci různých prostojů a ztrát, které vznikají v konkrétním výrobním prostředí. Odstranění prostojů a ztrát, jež často nejsou bez stanovení a analýzy OEE patrné, může znatelně zvýšit skutečný výkon výroby.

1. Ztráty ve výrobě

V každém výrobním procesu vznikají ztráty, které neumožňují dosáhnout maximálního teoretického výkonu výroby. Záleží na tom, jak se odpovědným pracovníkům, kterými jsou hlavně manažeři výroby, ale také obsluha a operátoři výrobních linek, podaří snížit jejich výskyt a velikost.

Ztráty ve výrobě lze rozdělit do čtyř základních oblastí:

• plánované ztráty: víkendy, dovolená, preventivní údržba, úklid, vývoj, testy, zkoušky aj.,
• operační ztráty: nastavování strojů, změna produkce, nedostatek materiálu a lidí, špatná obsluha, výpadky zařízení aj.,
• ztráty výkonu: špatné nastavení strojů, úmyslné zpomalení, selhání, prodloužení výrobního cyklu,
• ztráty nekvalitou výroby: vada materiálu, nepřesnost výroby aj.

Je zřejmé, že některé ztráty ve výrobě nelze odstranit úplně, ale většinu ztrát je možné významně omezit nebo zcela vyloučit. I bez velkých studií je patrné, že úspora jedné koruny přímo ve výrobě zvýší zisk firmy více než zvýšení konečné prodejní ceny o tutéž částku.

Ačkoliv se to na první pohled nezdá pravděpodobné, mnoho výrobních provozů pracuje s celkovou efektivitou výrobních zařízení menší než 50 %. Často se stává, že pro splnění plánu objemu výroby je rozhodnuto přidat další výrobní linku nebo stroj. Znatelně se tím zvyšují výrobní náklady. Jestliže však organizace práce není dobrá, nemusí být ani tímto opatřením zvýšen skutečný výkon výroby závodu. Důkladnou analýzou by se ve většině případů zjistila skrytá kapacita výroby a příčiny nekvality výroby a bylo by možné uskutečnit cílené změny vedoucí k lepšímu využití stávajících strojů. Zvětšení objemu kvalitně vyrobené produkce je tak možné dosáhnout rychleji a hlavně ekonomičtěji, tj. bez investice do nákupu dalších strojů.

Pro to, aby bylo možné optimalizovat výrobu zvyšováním využití zařízení (linky, stroje), materiálu, lidí a dalších zdrojů, je třeba najít příčiny vzniku ztrát ve výrobě. K tomu je nutné získávat správné, úplné a aktuální informace o událostech, které ve výrobě nastaly.

2. Koeficient celkové efektivity výrobního zařízení (OEE)

Ke sledování a k vyhodnocení efektivního využití strojů, včetně toho, jak kvalitně pracují, se používá koeficient celkové efektivity výrobního zařízení, v anglické terminologii označovaný zkratkou OEE (Overall Equipment Effectiveness). Při jeho výpočtu jsou zohledněny tři základní ukazatele – dostupnost zařízení pro výrobu (availability), výkonnost zařízení (performance) a kvalita výroby na zařízení (quality). Při výpočtu těchto ukazatelů se zohledňují prostoje, ztráty výkonu a ztráty způsobené nekvalitní výrobou (obr. 1).

Management podniku potřebuje znát co nejpřesnější hodnotu skutečného OEE. Přesnost výpočtu OEE a tím i možnost následné analýzy a optimalizace výroby závisejí na správné metodice výpočtu a na přesnosti získaných údajů z výrobního procesu. Nikdo nemůže zlepšit ten proces, ve kterém nevidí ztráty a není schopen je změřit.

3. Časté chyby při výpočtu OEE

3.1 Chyby v metodice výpočtu
Přestože na první pohled vypadá výpočet jednoduše a jasně, ne vždy jsou všechna data přiřazena do správné položky ve výpočtu.

Jednoznačně lze určit kvalitu výroby na zařízení. Celkový počet vyrobených kusů i počet špatných kusů vyrobených na daném zařízení (stroji, lince) za určitou dobu jsou exaktně spočítány.

Nesprávná metodika je však někdy používána u časových ztrát (doba, na niž není plánována výroba, prostoje, ztráty výkonu). Podívejme se na významy jednotlivých časových ztrát a na jejich správné rozčlenění pro výpočet OEE.

Doba, na niž není plánována výroba, je doba, kdy zařízení nepracuje např. proto, že není využita druhá nebo třetí směna. Tato doba se obvykle nezahrnuje do výpočtu OEE. Pro analýzu využití kapacity zařízení je však třeba mít údaje o této době k dispozici.

Dostupnost zařízení pro výrobu je dána podílem skutečné doby výroby a plánované doby výroby. Běžně jsou uvažovány prostoje, které trvají řádově minuty a déle a významně ovlivňují dostupnost zařízení pro výrobu. Takové prostoje jsou způsobeny změnou produkce, přestávkou, sanitací, čištěním, preventivní údržbou, opravou zařízení, školením, rozjezdem a dojezdem zařízení, nedostatkem surovin, výpadkem napájení, ztrátou tlaku vzduchu apod. Tyto prostoje jsou ale někdy špatně klasifikovány jako doba, na niž není plánována výroba, čímž se zkracuje plánovaná doba výroby a uměle se zvyšuje hodnota koeficientu OEE, který je díky tomu zkreslen a neodpovídá skutečnosti.

Ztráty výkonu jsou různá zdržení, která způsobují zmenšení výkonnosti zařízení. Zařízení je dostupné pro výrobu (v chodu), má vyrábět, ale z nějakého důvodu se to neděje nebo výroba probíhá pomaleji, než bylo plánováno. To se projeví ve vyrobení menšího počtu kusů výrobků, než by bylo za danou dobu teoreticky možné vyrobit. Ztráty výkonu se projevují jako krátké prostoje, které trvají řádově sekundy až minuty, ale vyskytují se často a opakovaně, čímž celková ztráta výkonu za směnu tvoří desítky minut a má významný dopad na výkonnost zařízení. Většinou se tyto ztráty výkonu nikde nezaznamenávají.

Pro správný výpočet ztrát výkonu je nutné správně stanovit teoretický počet kusů, které lze na zařízení za danou dobu vyrobit. Ten je dán konstrukcí stroje. U složitějších zařízení (několik strojů, linka apod.) ovšem nemusí být snadné správně jej určit, a tak jen přesné změření ztrát výkonu umožní odhalit skrytou kapacitu výroby.

3.2 Vliv lidského faktoru
Prostoje jsou většinou zaznamenávány ručně operátory ve výrobě. Tato činnost je zdržuje od jejich hlavních pracovních úkolů, a je tedy sama o sobě zdrojem ztrát a snížení efektivity výroby.

Operátoři také často nezaznamenají všechny prostoje pro své časové vytížení nebo proto, že nechtějí přiznat problémy vzniklé na jejich pracovišti. Poctivost a svědomitost operátorů tedy rovněž významně ovlivňuje přesnost výpočtu.

Údaje pro OEE jsou nejčastěji zapisovány ručně, např. do programu MS Excel. To s sebou nese náklady na úřednický personál, který přepisuje záznamy pořízené ve výrobě a připravuje denní, týdenní a měsíční výkazy. Přepis vytváří další místo možného vzniku chyb.

3.3 Chyby způsobené ručním pořizováním záznamů
Ruční pořizování záznamů o vzniklých prostojích zatěžuje operátory ve výrobě, a proto většina firem zavedla různá zjednodušení. Ta spočívají v zanedbání sledování krátkých prostojů, zavedení stanovených průměrných dob pro konkrétní prostoj apod.

Jak již bylo uvedeno, výkonnost zařízení se počítá jako poměr celkového skutečného počtu kusů vyrobených za určitou dobu na daném zařízení a teoretického počtu kusů, které lze za tutéž dobu na daném zařízení vyrobit, což může vést k názoru, že sledování krátkých prostojů není třeba a lze je zanedbat. Cílem však není výpočet OEE, ale vyšší efektivita výroby. Jak je ale možné zvýšit efektivitu celé výroby, když nejsou známy všechny příčiny, které vedou ke snížení výkonnosti zařízení?

Příčiny snížení výkonnosti zařízení lze zjistit přesným měřením ztrát výkonu, které trvají řádově sekundy až jednotky minut a mohou být způsobeny pozdní dodávkou surovin nebo materiálu, špatným kapacitním sestavením linky, výpadky dodávky energie, např. regulací čtvrthodinového maxima, nešikovností obsluhy apod.

Stanovení průměrných dob pro konkrétní prostoj zase znamená, že operátor zaznamená existenci, ale už ne délku prostoje. Jsou tedy k dispozici informace, které typy prostojů se nejčastěji vyskytují, ale není možné stanovit jejich přesnou dobu a vliv na dostupnost zařízení pro výrobu a přesně kvantifikovat jednotlivé typy prostojů a tak identifikovat pravou příčinu vzniku ztrát.

Kombinací zmíněných zanedbání může být obraz o dění ve výrobě velice zkreslen, a není tedy možné uskutečnit účinná zlepšení, protože nelze přesně určit, co je vlastně třeba zlepšit.

4. Výhody automatického výpočtu OEE

Nejvhodnějším způsobem je automatický sběr a vyhodnocování údajů o přesném chování výrobních zařízení a určování, zda nastal prostoj a z jaké příčiny. Tak lze zaznamenat všechny prostoje, jejich přesnou délku a typ.

Operátoři nejsou obtěžováni nadbytečnými činnostmi a navíc mohou být automaticky ihned upozorněni na vznik prostoje, aby mohli včas a správně zareagovat.

Automatický sběr dat umožňuje sbírat i další data z výroby, jako jsou hodnoty výrobních veličin (teplota, tlak), údaje o stavu surovin, o činnosti dalších strojů apod., které mohou pomoci identifikovat přesné příčiny ztrát ve výrobě.

Automatický sběr dat není určen pouze pro plně automatickou výrobu, ale je vhodný i pro operace vykonávané ručně. I při automatickém sběru dat je zachována možnost kdykoliv doplnit komentář k prostoji nebo ručně zadat všechny informace o prostoji.

Elektronické zpracování získaných dat usnadňuje analýzu příčin a různých souvislostí, statistickou analýzu skutečných příčin ztrát apod. Data, popř. informace, mohou být okamžitě dostupná všem zainteresovaným lidem v podniku. Lze je prezentovat v podobě názorných tabulek, grafů a sestav (obr. 2).

5. Wonderware DT Analyst

5.1 Poslání a architektura systému
Wonderware DT Analyst je softwarový systém pro podrobné sledování prostojů, výkonnosti a celkové efektivity jednotlivých výrobních zařízení OEE, včetně analýzy kvality a efektivity výrobních procesů.

DT Analyst poskytuje detailní pohled na prostoje a na příčiny, které je způsobují.

DT Analyst podporuje distribuovanou architekturu v prostředí Microsoft Windows (obr. 3). Skládá se ze serverové aplikace a klientských aplikací na jednotlivých pracovních stanicích.

5.2 DT Analyst Server
DT Analyst ukládá své konfigurační údaje a historická data o prostojích do otevřené standardní databáze Microsoft SQL Server, což usnadňuje práci s daty, jejich přenos do jiných aplikací a správu systému. DT Analyst podporuje přesun uložených historických dat do archivačních tabulek, aby se omezila práce s velkými objemy dat, které by mohly zpomalit sestavování sestav (reportů).

Editor Configuration Manager je určen k definování prostojů a jejich příčin a ke konfiguraci celého systému (obr. 4). Uživatelské rozhraní podporuje metodu „ukaž a klikni„ a umožňuje tak snadno a rychle přidávat nové příčiny prostojů, definovat nové proměnné, měnit příčinné souvislosti a kombinace prostojů a jemně dolaďovat celý systém.

Příčinami prostojů mohou být, jak bylo uvedeno v předchozích odstavcích, např. nefunkčnost výrobního zařízení, nedostatek zpracovávaného materiálu, výpadek napájení, nízký tlak vzduchu pro pneumatické pohony, přetíženost následujícího stroje ve výrobní cestě, chyba obsluhy apod. Jednotlivé definice příčin lze vzájemně kombinovat.

Veškeré definice prostojů jsou uživatelsky konfigurovatelné bez nutnosti programování nebo změn v programech řídicích systémů (programovatelné automaty aj.).

Modul Logic Manager sbírá data z výrobního procesu (PLC, snímače) prostřednictvím komunikačního protokolu SuiteLink nebo OPC a sleduje stavy výrobních zařízení. Podle podmínek definovaných v editoru Configuration Manager vyhodnocuje, zda došlo k prostoji, popř. ztrátě výkonu zařízení. Informuje v reálném čase klientské uzly s aplikací DT Analyst Event Monitor o vzniklém prostoji, aby bylo možné „co nejdříve„ reagovat na vzniklý stav. DT Analyst dokáže obsloužit více distribuovaných modulů Logic Manager na více počítačích, což lze využít v rozsáhlých distribuovaných aplikacích.

5.3 Klientská aplikace DT Analyst Event Monitor
DT Analyst Event Monitor je objekt ActiveX, jejž lze vložit do jiné aplikace, která má funkci kontejneru ActiveX. Takovou aplikací je např. známý vizualizační systém kategorie SCADA/HMI – Wonderware InTouch [3] nebo Microsoft Visual Basic.

Event Monitor získává z modulu Logic Manager data o vzniku a zániku prostojů a zobrazuje je na monitoru operátora, který může okamžitě reagovat. V uživatelské aplikaci lze nadefinovat i zcela automatickou reakci na vzniklý prostoj v podobě přímého zásahu do výrobního procesu.

Event Monitor také umožňuje operátorům do systému ručně zaznamenat plánované prostoje, které nejsou způsobeny poruchou, jako např. přestavení, čištění nebo pravidelná údržba výrobních zařízení.

Díky podpoře terminálových služeb operačního systému Windows 2000 je možné data o prostojích sledovat i na přenosných a mobilních zařízeních (např. Compaq iPAQ aj.).

5.4 Klientská aplikace dtWeb
Výrobní data se stanou velmi užitečnými informacemi pouze tehdy, jestliže budou názorně zobrazena a snadno dostupná různým skupinám pracovníků, kteří je potřebují. Pro tyto účely je součástí systému DT Analyst internetová aplikace dtWeb, která poskytuje nejdůležitější nástroje pro tvorbu sestav a pro monitorování a analýzu prostojů výroby (obr. 2, obr. 5).

Aplikace dtWeb zpřístupňuje sestavy (reporty) všem „výrobním„ i „kancelářským„ uživatelům přímo v prostředí jejich běžně používaného prohlížeče MS Internet Explorer. Uživatelé tak mohou odkudkoliv ze sítě Internet nebo z firemního intranetu vidět, analyzovat a tisknout zprávy o výrobních prostojích. DT Analyst graficky zobrazuje výkonnost výrobních zařízení v podstatě v reálném čase, a je tudíž neocenitelným nástrojem všech výrobních manažerů pro rychlou reakci na vzniklé problémy.

Při změně parametrů v systému DT Analyst (např. přidání dalšího stroje, druhu prostoje, výpočtu OEE aj.) se systém automaticky upraví, aby v sestavách byla dostupná veškerá data.

Výkonné filtrovací a slučovací funkce aplikace dtWeb nabízejí uživateli podrobný hierarchický pohled na všechny aspekty dat o provozu i prostojích. Dostupná jsou jak aktuální, tak historická data. Informace o prostojích je možné zobrazit v textové podobě nebo je analyzovat v různých typech grafů. Lze mezi sebou porovnávat OEE jednotlivých směn, dnů v týdnu, příčiny problémů ve výrobě, porovnávat vliv typu výrobku, obsluhy a dalších parametrů na vznik prostojů ve výrobě nebo pokles OEE apod.

6. Přínosy použití systému DT Analyst

6.1 Zvýšení efektivity výroby
Zavedení automatického sběru dat a systému pro zefektivnění výroby pomocí přesných výpočtů OEE není zadarmo a stojí určité úsilí a finanční prostředky. V porovnání se zavedením typického informačního podnikového systému (ERP), jehož přínosy na zefektivnění vlastních výrobních procesů lze velmi těžko kvantifikovat a které často jsou velmi sporadické, je však cena systému DT Analyst zlomkem ceny ERP a její návratnost je velmi krátká a jednoznačně průkazná kvantifikovatelným zvýšením efektivity výroby.

Podniky, které aplikovaly automatické sledování skutečného OEE a analýzy příčin nízké výkonnosti výrobních zařízení, dosáhly zvýšení celkové efektivity výrobních zařízení o několik procent. Ilustrativním příkladem může být podnik, jehož produkce byla 500 kusů za minutu. Identifikací ztrát se podařilo zvýšit OEE z 66,5 % na 72,5 %, lze tedy za rok ušetřit 95 směn nebo v příslušném poměru zvýšit objem výroby.

6.2 Přesný sběr dat o prostojích
Automatický sběr a vyhodnocení dat ulehčují práci operátorům ve výrobě a zajišťují, že se na nic nezapomene. Vznik prostoje, jeho typ a příčina jsou automaticky rozpoznány a operátoři jsou o jeho vzniku automaticky vyrozuměni. Základní údaje o prostoji (čas začátku a konce, doba, typ) jsou získány a automaticky zaznamenány a okamžitě jsou dostupné všem zainteresovaným pracovníkům v podniku.

6.3 Sledování efektivity v reálném čase
Jsou-li k dispozici potřebná data, je možné v reálném čase vidět okamžitou dostupnost, výkonnost a kvalitu výroby konkrétního stroje a také automaticky počítat OEE. V reálném čase je zřejmá i celková efektivita výrobního zařízení pro aktuální směnu, den nebo zakázku (obr. 5).

6.4 Přesné určení skutečné příčiny prostojů
Ve výrobním prostředí je někdy opravdu velmi obtížné přesně nalézt skutečné příčiny prostojů. Podrobné monitorování v reálném čase umožňuje zaznamenat příčiny různého typu, které mohou vzniknout i s nepatrným časovým odstupem v různých výrobních zařízeních a oblastech výrobního podniku, čímž jsou umožněny přesné analýzy jednotlivých dějů a jejich souvislostí.

6.5 Odhalení skryté kapacity výroby
Přidání nového výrobního zařízení nebo zvýšení směnnosti výroby je velmi nákladné. Méně nákladnou cestou je optimalizovat stávající výrobní procesy a využít zdánlivě nedostupné výrobní kapacity závodu tím, že se sníží počet prostojů, ztráty výkonu a ztráty kvality v rámci výrobního procesu. Nedosahuje-li výrobní zařízení předepsaného výkonu, lze identifikovat, kde jsou rezervy.

6.6 Optimalizace intervalů údržby
Informace o skutečném chodu výrobních zařízení mohou být použity ke stanovení spolehlivosti a skutečné doby provozu každého sledovaného výrobního zařízení. Tím je možné zpřesnit intervaly údržby podle skutečné potřeby a nevykonávat ji mechanicky jen na základě předem stanovených periodických časových intervalů. Sledování efektivity výroby pomocí OEE je součástí programu TPM (Total Productive Maintenance – údržba zaměřená na komplexní produktivitu).

6.7 Podklady pro jednání s dodavateli výrobních zařízení a surovin
Vznikají-li prostoje vinou poruchovosti výrobního zařízení nebo vlivem špatných surovin, mohou záznamy v databázi sloužit i jako důkazní materiál pro reklamaci u dodavatelů nespolehlivého výrobního zařízení nebo materiálů nevyhovujících specifikacím.

7. Závěr

Wonderware DT Analyst je uživatelsky přívětivý, snadno konfigurovatelný softwarový systém určený pro detailní sledování prostojů a jejich příčin, určování celkové efektivity práce výrobních zařízení a analýzu kvality a výkonnosti výrobního procesu.

DT Analyst také pomůže zjistit skrytou kapacitu výroby pro lepší využití výrobních zařízení nebo zdůvodnění nákupu nových strojů a upřesnit intervaly údržby.

Uživatelská přívětivost a využití běžných softwarových prostředků a metod snižují cenu vlastnictví a usnadňují integraci s ostatními informačními systémy v podniku (SCADA, EAM, MES, ERP aj.).

DT Analyst se snadno začlení do stávající infrastruktury podniku nezávisle na tom, zda se v něm již používají další softwarové systémy od firmy Wonderware.

Ing. Vladimír Světlík,
Pantek (CS) s. r. o.
(vsvetlik@pantek.cz)