Dane vs koszty w procesach produkcyjnych
W czasach postępującej cyfryzacji możliwość usprawnienia kontroli oraz zarządzania kosztami wytworzenia produktu jest jednym z czynników stanowiących o przewadze konkurencyjnej przedsiębiorstwa. Z tego powodu zakłady przemysłowe inwestują w systemy informatyczne pozwalające na zbieranie oraz analizę danych z obszaru wykorzystywanych mediów (energia elektryczna, sprężone powietrze, woda technologiczna, para, gazy techniczne, ścieki, etc.) oraz diagnostyki maszyn i urządzeń.
Do precyzyjnego wyznaczenia kosztu wytworzenia produktu dział controllingu musi wykazywać się znajomością nie tylko kosztów pracowniczych i materiałowych, ale również kosztów zmiennych bezpośrednio związanych z procesem produkcyjnym. Znaczącą część w tym obszarze stanowią koszty mediów. Rosnące ceny energii mają istotny wpływ na koszty produkcji, warto więc szukać możliwości ograniczenia zużycia przy zachowaniu wielkości i jakości produkcji. Bez odpowiednich danych jest to niemożliwe.
Zmienność wytwarzanego asortymentu oraz dynamika produkcji bardzo często powodują, iż odczyty liczników mediów wykonywane raz na tydzień bądź miesiąc nie pozwalają na odpowiednią korelację zużycia z poszczególnymi partiami produkcyjnymi. W konsekwencji niektóre partie produkcyjne są w finalnej kalkulacji ceny przeszacowane, a niektóre wręcz odwrotnie. Błędy te mogą nieść ze sobą bardzo bolesne konsekwencje w postaci niesprzedanego już wytworzonego produktu. Wiedza o faktycznych kosztach może pozwolić na obniżenie cen produktów, których koszt był do tej pory zawyżony z wyżej opisanych powodów.
Obecnie duży nacisk kładziony jest na ograniczanie emisji gazów cieplarnianych. Ograniczenie marnotrawstwa energii jest jednym z działań, które może wydatnie przysłużyć się realizacji tego celu, zwłaszcza w dużym przedsiębiorstwie, gdzie prowadzone są bardzo energochłonne procesy, a zużycie energii elektrycznej jest liczone w gigawatogodzinach.
Budując system nadrzędny do zarządzania danymi z obszaru mediów warto uwzględnić również inne obszary bezpośrednio wpływające na koszty wytworzenia. Bardzo dobrym przykładem jest diagnostyka maszyn. Często zdarza się, iż nieprzewidziana awaria maszyny będącej ogniwem ciągu technologicznego zatrzymuje produkcję, powodując wystąpienie kosztów nie tylko jej remontu, ale również kosztów utraconych korzyści. Utrata korzyści wynikająca z faktu przestoju awaryjnego często wielokrotnie przewyższa koszt naprawy czy części zamiennych, ale również samego urządzenia. To sprawia, że monitoring stanu maszyn staje się atrakcyjny zarówno dla służb utrzymania ruchu, jak również osób odpowiedzialnych za wyniki finansowe przedsiębiorstwa.
Obserwacja zmian stanu technicznego maszyn na podstawie danych rejestrowanych przez długi okres oraz możliwość porównywania stanu maszyn tego samego typu lub współpracujących ze sobą zwiększa możliwości wczesnego wykrycia symptomów zbliżającej się awarii. Stan techniczny maszyn ma wpływ na wydajność produkcji i zużycie mediów. Zużycie mediów wprost stanowi koszt produkcji, jednak dopiero w zestawieniu z wielkością produkcji możliwe jest określenie tego składnika kosztów w przeliczeniu na jednostkę produkcji. Obserwacja trendów tak wyznaczonej metryki daje informację na temat nieprawidłowości, jeśli wartość odbiega od normy.
Przykładów podobnych zależności można mnożyć wiele, jednak ich odkrycie i obserwacja jest możliwa tylko, gdy dostępne są odpowiednie dane i umiemy je, na bieżąco, analizować.
System nadrzędny
Mając na uwadze aspekty opisane w artykule „Różne koszty procesów produkcyjnych” oraz potrzebę budowy skalowalnego i bezpiecznego systemu nadrzędnego, z połączenia doświadczeń trzech firm: Axoma, Inter Trade oraz WAGO, powstało kompleksowe rozwiązanie. Obejmuje ono zarówno akwizycję – zbieranie i wstępne przetwarzanie danych, jak i system nadrzędny – analizy i udostępniania wyników użytkownikowi.
System nadrzędny, wykorzystujący platformę Ignition, został zaprojektowany przez firmę Axoma, a implementacja na obiekcie jest wykonywana wspólnie z firmą Inter Trade. Schemat ideowy poniżej przedstawia topologię środowiska.
Opracowana architektura systemu jest złożona z następujących elementów:
- serwer systemu nadrzędnego,
- sieć zakładowa (Ethernet i WiFi),
- urządzenia brzegowe/lokalne koncentratory danych,
- źródła danych (urządzenia pomiarowe, czujniki, PLC).
Podczas projektowania systemu kierowano się założeniami wynikającymi z oczekiwań klienta dotyczących zakresu procesów przeznaczonych do objęcia monitoringiem, skalowalności, czasu i kosztu wdrożenia oraz możliwości rozbudowy o kolejne funkcjonalności:
- automatyzacja procesu gromadzenia i obróbki danych – wykonywanie ręcznych pomiarów i obróbka plików z danymi jest bardzo czasochłonna,
- stworzenie wspólnej bazy danych, w której zbierane będą dane pochodzące z całego zakładu; dzięki temu możliwe jest poszukiwanie zależności pomiędzy różnymi zjawiskami na dużą skalę,
- obróbka danych do postaci, która umożliwi jak najłatwiejszą interpretację i wdrożenie działań,
- budowa infrastruktury umożliwiającej jak najprostsze włączanie do systemu kolejnych obszarów i objęcie systemem jak największej ilości danych pochodzących z obiektu.
W zakładzie podzielonym na kilka działów i zajmującym powierzchnię wielu hektarów liczba potencjalnych punktów pomiarowych różnych wielkości fizycznych może być liczona w setkach, dlatego wymagane jest rozwiązanie modułowe o dużej elastyczności i zdolności do wstępnego przetwarzania danych w miejscu pomiaru tak, by do bazy danych wysyłać tylko naprawdę istotne dane z częstotliwością dostosowaną do potrzeb. Wszystko po to, by nie zalać sieci zakładowej i serwera systemu nadrzędnego nadmierną ilością danych.
Ze względu na różnorodność procesów objętych systemem nadrzędnym różne są również urządzenia pomiarowe. Dotyczy to zarówno urządzeń istniejących, jak i nowo zainstalowanych. Dane są odczytywane w postaci sygnałów analogowych oraz cyfrowo za pośrednictwem różnych przemysłowych protokołów komunikacji. To wymusza dużą elastyczność urządzeń brzegowych pod względem obsługiwanych sygnałów.
Kompleksowy system nadrzędny rejestruje dane dotyczące zużycia mediów, w tym energii elektrycznej i sprężonego powietrza. Kolejnym obszarem jest diagnostyka maszyn. Elementem łączącym oba obszary są dane procesowe i produkcyjne. Dzięki objęciu systemem szerokiego spektrum zjawisk istotnych dla prawidłowego przebiegu procesu produkcji dane są dostępne w scentralizowanej i przystępnej formie.
Pracownicy zakładu, bazując na swoim doświadczeniu, mogą dostarczać wielu pomysłów na wykorzystanie danych. System jest na tyle elastyczny, by wdrażać nowe funkcjonalności. Wymagana jest regularna współpraca pomiędzy pracownikami zakładu a dostawcą systemu po to, by uczynić system jak najbardziej użytecznym. Odbiorcami prezentowanych danych są pracownicy działu controllingu, kierownicy produkcji, inżynierowie procesu i służby utrzymania ruchu. To ludzie o bardzo zróżnicowanych zakresach odpowiedzialności i potrzebach, dlatego system musi charakteryzować się dużą elastycznością w sposobach prezentacji danych i dopasowania treści komunikatów do wymagań użytkowników.
Tak zaprojektowany system nadrzędny niewiele jednak zdziała, jeżeli nie dostarczymy mu odpowiednich, najczęściej różnorodnych, danych do analizy.
Akwizycja danych
Bardzo istotnym elementem każdego systemu monitoringu jest dobór urządzeń obiektowych w taki sposób, by były w stanie obsłużyć wszystkie standardy sygnałów przesyłanych do systemu nadrzędnego, wykonywać wstępne przetwarzanie danych, umożliwiać szybkie wdrożenie i skalowalność. Często tego typu przedsięwzięcia planuje się na kilka lat, a ważne jest, aby jak najszybciej otrzymywać dane. Wymagana jest zatem możliwość szybkiego uruchamiania kolejnych funkcjonalności przy jednoczesnym zachowaniu możliwości rozbudowy o kolejne obszary.
Takie możliwości dają sterowniki WAGO PFC200. Wykorzystywane są one w systemie jako lokalne koncentratory danych.
O zastosowaniu tych urządzeń zadecydowały następujące argumenty:
- możliwość komunikacji z systemem nadrzędnym w większości dostępnych standardów (np. OPC UA),
- szerokie możliwości komunikacji z urządzeniami na obiekcie,
- elastyczna możliwość rozbudowy o moduły I/O,
- duża moc obliczeniowa w stosunku do ceny i gabarytów.
Kluczem do sprawnego wdrożenia systemu jest maksymalna standaryzacja infrastruktury i rozwiązań programistycznych. Wszystkie dane trafiają do systemu nadrzędnego w tym samym standardzie, za pośrednictwem ustandaryzowanych koncentratorów danych – WAGO PFC200. Powtarzalność wielu instalacji, np. monitoringu zużycia energii elektrycznej, pozwala na powielanie konfiguracji i programów pomiędzy sterownikami, zmieniając właściwie tylko adres IP i liczbę obsługiwanych analizatorów. Standaryzacja liczby, typu i nazewnictwa zmiennych wysyłanych do systemu nadrzędnego umożliwia z kolei powielanie elementów wizualizacji, co również skraca czas włączania kolejnych obszarów do systemu. Dzięki standaryzacji wysyłanych metryk przez urządzenie brzegowe możliwe jest także porównywanie danych pochodzących z różnych źródeł, bez konieczności dalszej obróbki na poziomie bazy danych. Obecnie wdrażane architektury zakładają istnienie lokalnego serwera systemu nadrzędnego, jednak możliwe jest wykorzystanie chmury. Sterowniki PFC200 mają możliwość transmisji danych po MQTT, więc migracja rozwiązania do chmury jest bardzo prosta.
Podstawowym zadaniem sterowników jest zbieranie danych z urządzeń pomiarowych i przekazywanie ich do systemu nadrzędnego. Zakładając, że czas cyklu sterownika to około kilkudziesięciu milisekund można przyjąć, że pomiary mogą być odświeżane z częstotliwością nawet powyżej 20 Hz. Dane niekoniecznie muszą być zbierane z tak dużą częstotliwością. Częstotliwość można regulować po stronie systemu nadrzędnego. Można również wykorzystać moc obliczeniową sterownika do wstępnej obróbki danych rejestrowanych z dużą częstotliwością po to, by po pierwsze uzyskać dokładne pomiary, a po drugie odciążyć bazę danych i sieć zakładową bez utraty wartości rejestrowanych danych. Wiele pomiarów, jak na przykład liczniki energii, mogą być aktualizowane nawet raz na godzinę lub asynchronicznie – po osiągnięciu określonego przyrostu wartości. Z drugiej strony, dla procesów szybkozmiennych, można zaprząc sterownik do obróbki danych i wysyłać do wspólnej bazy określone metryki zawierające skondensowaną informację. To jedna z idei przyświecających podczas budowy systemu – liczy się nie tyle sama ilość danych, co raczej maksymalne wykorzystanie potencjału zawartego w gromadzeniu wyselekcjonowanych i właściwie obrobionych danych. Wartości mogą zostać przetworzone na poziomie systemu nadrzędnego do postaci zrozumiałych dla użytkowników informacji, które ułatwią podejmowanie decyzji i reagowanie na nieprawidłowości lub oznaki nieefektywnej pracy.
Efektem wynikającym z wdrożenia dobrze zaprojektowanego systemu monitoringu mediów i stanu technicznego maszyn będzie:
- wzrost efektywności poszczególnych linii technologicznych oraz w konsekwencji całego zakładu,
- zmniejszenie kosztów mediów na jednostkę produkcji,
- możliwość precyzyjnego ustalenia rzeczywistych kosztów produkcji pojedynczego elementu,
- efektywniejsze zarządzanie ceną końcową,
- pośrednio redukcja emisji CO2,
- precyzyjne dane controllingowe,
- spadek liczby awarii oraz kosztów ich usunięcia,
- digitalizacja zasobów,
- możliwość zdalnego monitoringu pracy zakładu,
- umocnienie pozycji rynkowej.
Autorzy:
Mateusz Milczanowski, AXOMA
Tomasz Ciesielski, WAGO.PL
