Systemy sterowania

w elektronice przemysłowej

Wykład 13

dr inż. Bartosz Pękosławski

Łódź, dn. 22.06.2012

Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych

Politechnika Łódzka

2

Plan wykładu

1. Idea monitoringu stanu i przebiegu procesu produkcyjnego.

Przekazywanie wskaźników i parametrów produkcji
pomiędzy systemami monitorującymi oraz zbieranie

informacji o procesach produkcji rozproszonych w całym
przedsiębiorstwie.

2. Oprogramowanie klasy MES/MOM.
3. Kluczowe parametry wydajności.
4. Wstęp do środowiska Proficy Plant Applications i jego

moduły.

5. Model „wirtualnej fabryki”.

3

Cele monitoringu stanu i przebiegu

procesów przemysłowych

Zwiększenie wydajności produkcji i zmniejszenie jej kosztów poprzez

połączenie systemów produkcyjnych i biznesowych (z wizualizacją

w czasie rzeczywistym)

Poprawa odpowiedzi na zdarzenia produkcyjne i elastyczność na

zmienne warunki rynkowe - osiągnięcie kompromisu między:

–

optymalnym zużyciem surowców i wykorzystaniem zasobów

–

wymaganiami klientów i dostawą produktów na czas

→ Planowanie produkcji

●

planowanie obciążenia maszyn

●

szeregowanie operacji technologicznych i transportowych

●

harmonogramowanie produkcji

4

Parametry i wskaźniki produkcji

Dane procesowe:

–

temperatura

–

ciśnienie

–

wartości liczników

–

itp.

Wskaźniki produkcji:

–

czasy przestojów (planowanych i nieplanowanych)

–

liczba źle wykonanych elementów (straty jakościowe)

–

wydajność pracy maszyn i operatora (straty prędkości)

–

ilość odpadów

Parametry produkcji:

–

zadana wydajność produkcji

(liczba sztuk w jednostce

czasu)

–

itp.

5

Gromadzenie danych

Dane procesowe przesyłane z systemów sterowania PLC/

rozproszonych systemów sterowania (DCS) do przemysłowej bazy

danych

DBMS (Database Management
System) – system zarządzania
bazą danych,
program(y) zapewniający
odpowiedni dostęp, manipulację
i aktualizację danych

Fizyczna baza danych

DBMS

6

Przemysłowa baza danych

duża skalowalność (od kilkunastu do kilkuset tysięcy zmiennych)

szybki zapis dużej ilości danych (kilkadziesiąt tysięcy odczytów/zapisów na sekundę)

milisekundowe okresy próbkowania danych procesowych

automatyczne gromadzenie danych z urządzeń i systemów sterowania PLC/DCS oraz
aplikacji wizualizacyjnych HMI/SCADA i systemów MES

możliwość administracji lokalnej i zdalnej

rozproszona architektura klient-serwer

wbudowane mechanizmy redundancji komunikacji

obsługa otwartych standardów OPC, ODBC, SQL, XML

Przykłady: Microsoft Industrial SQLServer, Proficy Historian

7

Standard OPC

OPC (Object Linking and Embedding for Process Control) –

przemysłowy standard komunikacji opracowany przez producentów

sprzętu i oprogramowania współpracujących z firmą Microsoft (1996)

–

jednolite metody dostępu i opisu danych (interfejsu) dla procesu

technologicznego, metody te są niezależne od typu oraz źródła
danych

–

oparty na technologii OLE COM (Component Object Model)

i DCOM (Distributed Component Object Model)

–

różne specyfikacje (funkcjonalność):

●

OPC DA (Data Access)

●

OPC HDA (Historical Data Access)

●

OPC A&E (Alarms and Events)

●

OPC Security

Komunikacja klient OPC - serwer(y) OPC,
klient może m.in. tworzyć grupy i dodawać zmienne procesowe

8

Standard ODBC

ODBC (Open Database Connectivity) – standard wymiany informacji

między różnymi bazami danych, interfejs pozwalający innym

programom na łączenie się z systemami zarządzającymi bazami

danych (DBMS) – opracowany przez SQL Access Group (1992)

–

niezależność zapytań od DBMS i systemu operacyjnego,

–

współpraca z bazami obsługującymi SQL i nieobsługującymi go

(translacja SQL na oryginalny język bazy)

9

Informatyczny system obsługi produkcji

Elementy:

–

serwer przemysłowej (procesowej) bazy danych

–

kolektor danych przemysłowych

–

system SCADA

–

stacje obliczeniowe (sterowanie na podstawie modelu procesu)

–

stacje operatorskie

–

stacje raportujące (menadżerowie, kontrola jakości, kierownicy

produkcji)

10

Informatyczny system obsługi produkcji

11

ANSI/ISA-95

Klasyczne systemy wizualizacji i sterowania procesem (budowane

w oparciu o oprogramowanie SCADA) są niewystarczające

Standard ANSI/ISA-95 – integracja przedsiębiorstwa z systemami

nadzorczymi na kilku poziomach

12

ANSI/ISA-95

Proces (poziom 0)

Bezpośrednie sterowanie (poziom 1)

Nadzór nad procesem (poziom 2)

Nadzór nad produkcją (poziom 3)

Zarządzanie przedsiębiorstwem
i harmonogramowanie (poziom 4)

13

ANSI/ISA-95

Standard definiuje terminologię dla komunikacji producent-dostawca

Jednolite modele informacyjne

–

Część 1 i 2 – komunikacja pomiędzy systemem produkcyjnym i biznesowym

Funkcjonalność aplikacji i używanie informacji wyjaśnione na podstawie
modeli operacyjnych

–

Część 3 – funkcjonalność poziomu 3 (MOM)

Systemy SCADA są również potrzebne – funkcjonujące w obszarze
planowania i przygotowania produkcji oprogramowanie wyższego poziomu
jest często zbyt oddalone od procesu i nie pozwala na szybką i skuteczną
reakcję na zmieniające się warunki zewnętrzne i parametry procesu

14

ANSI/ISA-95

Część 1 i 2:

15

Oprogramowanie MES

MES (Manufacturing Execution System) – System realizacji produkcji,

system sterowania i zarządzania produkcją

Zadania:

–

Zarządzanie definicjami produktów

–

Zarządzanie zasobami maszynowymi

–

Rozdzielanie/harmonogramowanie zadań produkcyjnych

–

Kontrola wykonania zadań produkcyjnych

–

Rejestracja

danych

historycznych

(partie,

dane

procesowe,

czasy produkcji, przyczyny przestojów, wadliwe produkty)

–

Analiza wydajności produkcji

Korzyści z wdrożenia:

–

obniżenie kosztów produkcji

–

poprawa jakości produkcji

–

zwiększenie wydajności i stopnia wykorzystania zasobów produkcyjnych

16

Oprogramowanie MOM

MOM (Manufacturing Operations Management) – System zarządzania

operacjami produkcyjnymi
Zbiór systemów operujących na poziomie 3 standardu ANSI/ISA-95

Obejmuje:

–

MES

–

LIMS (Laboratory Information Management System) - laboratorium

–

WMS (Warehouse Management System) - magazyn

–

CMMS (Computerized Maintenance Management System) - serwis

Dane przekazywane pomiędzy MES a:

–

LIMS: wyniki testów jakości, partie testowe, certyfikaty produktów

–

WMS: zapotrzebowanie na materiały, dostawy/wysyłki produktów

–

CMMS: zamówienia remontowe, plan remontów, testy maszyn

17

Oprogramowanie ERP

ERP (Enterprise Resource Planning) – Planowanie zasobów

przedsiębiorstwa,

system

wspomagania

zarządzania

przedsiębiorstwem

Niezależne aplikacje (moduły) – zintegrowany system informatyczny

Wspólna baza danych
Obszary funkcjonalności:

–

Finanse i księgowość

–

Zasoby ludzkie (płace i kadry)

–

Planowanie produkcji

–

Zarządzanie łańcuchem dostaw

–

Zarządzanie projektami

–

Zarządzanie relacjami z klientami (marketing, zamówienia, serwis)

–

Kontrola dostępu

Dostawcy m.in. SAP AG

18

Architektura SOA

SOA (Service Oriented Architecture) – Architektura zorientowana na

usługi
Koncepcja tworzenia systemów informatycznych

Zestaw metod i narzędzi mających na celu lepsze powiązanie biznesowej

strony

organizacji

pracy

zakładu

produkcyjnego

z zasobami informatycznymi i ludzkimi

Usługi

(niezależne

elementy

oprogramowania

z

interfejsem

udostępniającym określone funkcje):

–

metody diagnostyczne

–

metody oparte na zdarzeniach

–

moduły wymiany danych w czasie rzeczywistym

–

moduły raportowania zaistniałych zdarzeń i wartości zmiennych

Możliwe różne technologie dla usług, ale wspólny protokół komunikacyjny

19

Kluczowe parametry wydajności

KPI (Key Performance Indicators) – mierniki oceny procesu realizacji

celów organizacji (przedsiębiorstwa), np. osiągnięcie określonego

zysku/obrotu, jakości produktu, usług, zadowolenia klienta, itd.

Zdefiniowane zgodnie ze strategią organizacji

Używane do oceny postępów i wprowadzania korekt

Wskaźniki (przykłady):

–

Marketing - pozyskani nowi klienci

–

Serwis - średni czas oczekiwania klienta

–

Logistyka - liczba spóźnionych dostaw

–

Produkcja - OEE

20

Wskaźnik OEE

OEE (Overall Equipment Effectiveness) – Całkowita wydajność

maszyn i urządzeń

Mierzy efektywność wykorzystania maszyn przez producenta przy

założeniu wytwarzania określonych produktów o akceptowalnej jakości

dla konsumenta, w określonym czasie
Składa się z trzech elementów:

OEE = Dostępność x Wydajność x Jakość

OEE

Producent

ok. 85%

Światowej klasy

ok. 70%

Bardzo dobry

ok. 50%

Relatywnie dobry

21

Wskaźnik dostępności

Nieplanowane przestoje – awarie i przezbrojenia sprzętu, brak materiałów

Dostępność=

Czas operacyjny

Planowany czas produkcji

Całkowity czas produkcji

Planowany czas produkcji

Planowane przestoje

Czas operacyjny

Nieplanowane

przestoje

22

Wskaźnik wydajności

Straty prędkości – np. zablokowany podajnik, chaotyczna praca, słaba wydajność

pracy operatora, zużycie maszyn

Wydajność=

Czas operacyjny netto

Czas operacyjny

Całkowity czas produkcji

Planowany czas produkcji

Planowane przestoje

Czas operacyjny

Nieplanowane

przestoje

Czas operacyjny netto

Straty

prędkości

23

Wskaźnik jakości

Straty jakościowe – np. braki, nieprawidłowy montaż, usterki w procesie

Jakość=

Czas efektywnej produkcji

Czas operacyjny netto

Całkowity czas produkcji

Planowany czas produkcji

Planowane przestoje

Czas operacyjny

Nieplanowane

przestoje

Czas operacyjny netto

Straty

prędkości

Czas efektywnej

produkcji

Straty

jakości-

owe

24

Wskaźnik OEE - przykład

Całkowity czas produkcji – jedna zmiana 8 godz. = 480 min.
Przerwa obiadowa – 20 min.
Czas awarii – 30 min.
Nominalna wydajność maszyny – 30 sztuk/minutę
Straty prędkości – 50% wydajności przez 40 min.
Odpady – 420 sztuk

Planowany czas produkcji = 480 min. - 20 min. = 460 min.
Czas operacyjny = 460 min. - 30 min. = 430 min.
Dostępność = 430 min. / 460 min. = 93,5%

Strata prędkości = 40 min. x 50% = 20 min.
Czas operacyjny netto = 430 min. - 20 min. = 410 min.
Wydajność = 410 min. / 430 min. = 95,3%

Straty jakościowe = 420 szt. / 30 szt./min. = 14 min.
Czas efektywnej produkcji = 410 min. - 14 min. = 396 min.
Jakość = 396 min. / 410 min. = 96,6%

OEE = 93,5% x 95,3% x 96,6% = 86%

25

Proficy Plant Applications

Oprogramowanie klasy MES

Monitorowanie produkcji wg KPI (OEE) w celu optymalizacji procesu

(lepszego wykorzystania kapitału – ludzi, narzędzi i maszyn,

zmniejszenia strat i odpadów)

26

Proficy Plant Applications

i oprogramowanie zintegrowane

Raporty www

Analiza zdarzeń produkcyjnych

Analiza wydajności

(Proficy Plant Performance Modules)

Zaawansowane raportowanie

(Proficy DataMart)

27

Proficy Plant Applications

i oprogramowanie zintegrowane

Harmonogramowanie produkcji

(Proficy Scheduler)

Zarządzanie strategią remontową
(Proficy Maintenance Gateway)

28

Proficy Plant Applications - moduły

Modułowa budowa – możliwość wdrożenia pojedynczych modułów lub

zintegrowanego rozwiązania, w zależności od potrzeb i wielkości

przedsiębiorstwa

Moduły:

–

Efficiency – identyfikacja obszarów obniżających wydajność (analiza pod

kątem ulepszeń/inwestycji), zarządzanie operacjami produkcyjnymi
w czasie rzeczywistym

–

Quality – poprawa jakości produktu i procesu przez obniżenie odpadów

strat, porównanie współczynników jakości dla różnych zmian,
komórek zakładu, produktów w celu identyfikacji źródła problemu

–

Production – śledzenie drogi produktu w procesie, możliwość

wprowadzania zmian w harmonogramowaniu

–

Batch analysis (produkcja wsadowa) – powtarzalność parametrów,

porównanie czasów cykli, parametrów i zmiennych dla różnych
wsadów

–

Raportowania – raporty www dla osób decyzyjnych

29

Proficy Plant Applications - moduły

30

Proficy Plant Applications –

model „wirtualnej fabryki”

W modelu zapisywane są informacje z linii produkcyjnych

Zakład produkcyjny

–

Linie produkcyjne

●

Maszyny

–

Zmienne produkcyjne

–

Zmienne kalkulacyjne (wyliczone na podstawie

parametrów)

–

Specyfikacje jakościowe (wartości parametrów dla

produktów)

–

Zdarzenia produkcyjne (kolejna partia, zmiana

produktu, itd.)

–

Produkty (powiązane)

Produkty
Drzewo przyczyn awarii i przestojów

Dziękuję za uwagę.