Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Statistické řízení procesů a software SCADA Citect

Automa 7-8/2001

Tomáš Lín, AutoCont Control Systems
lin@autocont.cz

Statistické řízení procesů a software SCADA Citect

Statistické řízení procesů (Statistical Process Control – SPC) a statistické řízení kvality (Statistical Quality Control – SQC) patří v současné době k nejdůležitějším analytickým metodám, které dovolují sledovat a zlepšovat kvalitu vyráběného produktu nebo dodávaných služeb.

Obr. 1.

Metody SPC jsou primárním (on-line) nástrojem SQC. Umožňují sbírat, zpracovávat, archivovat data a zobrazovat informace týkající se kvality dotyčného produktu.

V minulosti se výrobky, které neprošly výstupní kontrolou, vracely zpět do výroby k přepracování nebo, v horším případě, skončily jako odpad. Vhodně vybudovaný systém řízení kvality zajišťuje, že výrobek se v požadované kvalitě vyrobí napoprvé. Výsledkem jsou vyšší produktivita práce a menší náklady na výrobu produktu.

Základní pojmy

Každý proces vykazuje proměnlivost, která je způsobena různými příčinami. Příčiny proměnlivosti lze rozdělit na:

  • náhodné, kterých je velmi mnoho a způsobují drobné odchylky, jsou statisticky předvídatelné a působí opakovaně: např. změny dodavatelů, nestálá kvalita materiálu, změny teploty, opotřebení nástrojů apod.;

  • speciální, jichž je poměrně malý počet, mají značný dopad a jsou nepravidelné a nepředvídatelné (např. použití nesprávného nebo vadného materiálu, nesprávně seřízený nástroj nebo stroj apod.) a trvají, pokud nejsou učiněna trvalá opatření.

V procesu označeném jako statisticky zvládnutý se vyskytují pouze náhodné zdroje proměnlivosti.

Jak pomocí SPC a SQC vyrábět kvalitněji

Kvalitu každého výrobku lze hodnotit podle určitých parametrů (rozměry mechanických součástek, tloušťka nátěru, dodržení průběhu teploty v čase apod.). Klíč ke zvýšení kvality produkce je ve zmenšení odchylek na co nejmenší míru. Požadavky zákazníka (uživatele) jsou naplněny pouze tehdy, jsou-li výrobky nebo služby dodávány s minimálními odchylkami od standardu. Výrobci, kteří při řízení kvality pracují s metodami SPC a SQC, používají mnoho metod umožňujících identifikovat a zmenšit odchylky při výrobě.

Obecně je možné říci, že metody SPC a SQC mají největší přínos při:

  • hromadné sériové výrobě,
  • velkém objemu výroby s malým jednicovým ziskem,
  • výrobě produktů vyžadujících velkou přesnost (úzké toleranční pásmo).

Aby mohly metody SPC a SQC plnit svůj účel, je třeba měřit klíčové parametry vyráběného produktu, naměřené hodnoty archivovat a umožnit jejich zpracování a zobrazení výsledků. Výpočetní technika je v současné době dostatečně výkonná na to, aby toto vše bylo možné dělat v reálném čase. Operátoři tak mohou pružně reagovat na aktuální stav ve výrobě a na základě dostupných informací měnit nastavení strojů a procesů, vyměňovat nástroje apod. a tím udržet odchylky při výrobě v přípustných mezích.

Systém SCADA a statistické řízení

V oblasti řízení technologických procesů jsou velmi rozšířeny systémy SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Systém SCADA se skládá z vlastního softwaru typu SCADA a počítače (nebo sítě počítačů), na kterém je tento software provozován. Systémy SCADA získávají informace z techologického procesu, umožňují operátorské řízení a archivaci dat, přenos informací z technologické sítě do podnikové sítě apod.

Z hlediska implementace metod SPC/SQC je systém SCADA vhodným prostředkem, ve kterém většinou již jsou k dispozici potřebné údaje z výrobního procesu. Zbývá tedy implementovat speciální algoritmy pro statistické zpracování a zobrazení dat. K některým systémům SCADA lze potřebné algoritmy dodatečně naprogramovat, jiní výrobci dodávají balíky programů pro SPC/SQC ke svým systémům SCADA jako samostatný produkt.

Citect a SPC

Software Citect je produktem typu SCADA, standardně používaným na celém světě. Díky své rozšířitelné architektuře je vhodný pro aplikace všech velikostí (od malých systémů dodávaných na strojích až po rozsáhlé aplikace pro řízení celých továren). Součástí standardní dodávky systému Citect je modul pro SPC, který sbírá určená data z výrobního procesu, archivuje je, statisticky zpracovává a zobrazuje v podobě grafů.

V dodávané konfiguraci nevyžaduje systém Citect programování speciálních statistických algoritmů. Pro splnění nestandardních požadavků na statistické zpracování dat však současně napomáhá vytvářet uživatelské algoritmy pro zpracování dat. Protože jde o otevřený systém, lze zpřístupnit data z technologického procesu také jiným aplikacím (např. externím speciálním aplikacím pro SPC/SQC). V dalším textu bude stručně popsáno, co modul Citect SPC standardně nabízí.

Konfigurování modulu Citect SPC

Konfigurování modulu SPC v systému Citect spočívá v definování proměnných SPC (vyplněním tabulky – viz příklad na obr. 1), vložení dvou grafických stránek SPC (která jsou součástí instalace softwaru Citect) a zadání alarmů pro SPC.

Obr. 2. Obr. 3.

Regulační diagramy

Primárním nástrojem modulu Citect SPC jsou regulační diagramy XRS podle obr. 2. Jde o tři grafy zobrazující časovou závislost průměrné hodnoty (X), rozpětí (R) a směrodatnou odchylku (S). Každý z bodů zobrazených v grafu obsahuje informace o skupině hodnot (např. průměrná hodnota z pěti vzorků apod.), a nikoliv jednotlivé naměřené hodnoty

Každý graf současně obsahuje tři pomocné čáry (přímky). Střední přímka (central line – CL) udává průměrnou hodnotu celého procesu. Další dvě přímky reprezentují regulační meze, dolní a horní (Lower Control Limit – LCL, Upper Control Limit – UCL).

Údaje zobrazované v grafech jsou ve spřaženém režimu (on-line) vypočítávány z naměřených hodnot a umožňují proces statisticky analyzovat.

Regulační diagramy mohou poskytovat důležité informace o proměnlivosti procesu. Statisticky zvládnutý proces má sklon distribuovat data podle normálního (Gaussova) rozdělení. Body poblíž regulačních mezí by se tudíž měly vyskytovat jen zřídka. Data mimo regulační meze ukazují, že proces není statisticky zvládnut a že by mělo být vykonáno určité opatření. Data by se měla vyskytovat rovnoměrně nad střední přímkou (průměrnou hodnotou zvolené charakteristiky procesu) i pod ní. Má-li několik po sobě jdoucích bodů v regulačním diagramu stejnou hodnotu, lze předpokládat statistickou nestabilitu procesu.

Řídicí systém může reagovat výstražným hlášením (alarmem) např. na následující situace v regulačním diagramu:

  • výskyt bodu mimo interval vymezený regulačními mezemi,
  • několik po sobě jdoucích bodů leží pouze na jedné straně od střední přímky,
  • několik po sobě jdoucích bodů s klesající nebo stoupající tendencí,
  • poblíž střední přímky leží podstatně více než 2/3 bodů,
  • poblíž střední přímky leží podstatně méně než 2/3 bodů.

Graf způsobilosti procesu

K rozhodování o způsobilosti procesu se používá graf způsobilosti procesu (obr. 3). Informuje o tom, zda je proces schopen produkovat výrobky v souladu s technickými požadavky, či nikoliv. Požadavky na parametry výrobku jsou po dohodě se zákazníkem dány tolerančními mezemi, dolní a horní (Lower Specification Limit – LSL, Upper Specification Limit – USL), a cílovou hodnotou (target value – T).

Index způsobilosti Cp udává, zda se hodnoty veličiny charakterizující kvalitu procesu (výsledek procesu) budou nacházet v toleračním intervalu (LSL, USL):

  • při Cp > 1 se výsledek procesu nachází v tolerančním intervalu a proces je způsobilý,
  • Cp < 1 indikuje, že proces není způsobilý.

Index způsobilosti Cpk ukazuje, kde leží střední hodnota veličiny charakterizující kvalitu procesu v relaci k tolerančním mezím LSL a USL:

  • je-li Cpk < 0, je výsledek procesu mimo toleranční interval (LSL, USL);
  • Cpk = 0 indikuje, že střední hodnota procesu je rovna jedné z tolerančních mezí;
  • je-li Cpk > 0, je výsledek procesu v tolerančním intervalu.

Indexy Cp a Cpk patří k hodnotícím ukazatelům výroby. Například v automobilovém průmyslu musí subdodavatelé prokazovat hodnotu Cpk větší než 1,33, nebo dokonce 1,667, což vyžaduje, spolu s množstvím jiných opatření, také instalaci softwaru ke statistickému vyhodnocování kvality.

Výstražná hlášení od SPC
Modul Citect SPC spolupracuje se systémem výstražných hlášení. Zvolené parametry jsou neustále monitorovány a o vybočení z nastavených mezí je operátor informován výstražným hlášením (využívají se informace z regulačních diagramů).

Paretova analýza
Paretův graf (Pareto graph) znázorňuje četnosti výskytu jednotlivých poruch (popř. odchylek) v pořadí podle četnosti (od nejčastěji se vyskytujících po nejméně časté). Paretova analýza se také využívá pro sledování příčin odstávek stroje, výrobní linky apod. Na základě získaných informací lze plánovat údržbu výrobního zařízení apod.

V levé části příkladu zobrazení Paretova grafu na obr. 4 je popis zobrazených dat a četnost výskytu daného problému. V pravé části je sloupcovým grafem zobrazena četnost výskytu určitého problému, kde horní měřítko udává absolutní četnost a dolní kumulativní četnost v poměrném vyjádření v procentech. Systém Citect automaticky řadí jevy (poruchy, odchylky) podle četnosti (od nejčastějšího k nejméně častému).

Obr. 4.

Z obr. 4 lze např. vyčíst, že druhou nejčetnější příčinou odstávky výrobního zařízení je porucha hlavního pohonu (Main drive na druhém řádku). Celkem se objevila 59krát, tzn. že zapříčinila asi 18 % všech odstávek (lze přečíst na spodním měřítku grafu). První dvě poruchy byly příčinou 144 odstávek, což je asi 45 % z jejich celkového počtu (viz spojnice bodů v grafu).

Závěr

Použití metod SPC ve výrobě přispívá ke zvýšení kvality vyráběného produktu, umožňuje včas identifikovat změny v kvalitě a minimalizovat počet nekvalitních výrobků. Statistické řízení kvality zajišťuje dodavatelům lepší pozici v tvrdých podmínkách konkurenčního boje. Podle zahraničních studií je návratnost investice do SPC velmi rychlá (řádově několik měsíců).

S použitím modulu SPC obsaženého v softwaru SCADA Citect lze snadno, rychle a s minimálními náklady začlenit do řídicího systému metody statistického řízení. Modul SPC je součástí instalace softwaru Citect a jako takový je plně dokumentován a podporován.

Funkci systému SCADA Citect (včetně modulu SPC) lze bezplatně vyzkoušet. Další informace lze nalézt na www.citect.cz

Autocont Control System s. r. o.
Nemocniční 12
701 00 Ostrava
tel. 069/615 24 13-4
citect@autocont.cz

Literatura:

[1] CAWLEY, J. – HARROLD, D.: SPC and SQC provide the big picture about processing performance. Control Engineering, May 1999

[2] Citect Users Guide. Ci Technologies.

[3] www.controleng.com

[4] www.cit.com.au