Мониторинг оборудования: сбор и обработка машинных данных

Октябрь 2017

Подробно рассмотрены функции, которыми должна обладать современная система мониторинга механообрабатыва- ющего производства и структура такой системы. Показано, что правильно настроенная система мониторинга позволя- ет усовершенствовать работу всех служб, связанных с производством. Приведена краткая характеристика отечествен- ного рынка систем мониторинга оборудования. Ключевые слова: системы мониторинга, ЧПУ, сбор и обработка машинных данных, единое информационное пространство, интеграция.
 

Мониторинг (в механообрабатывающем производстве) — процесс сбора, обработки, хранения, передачи, анализа и визуализации данных с технологического оборудования, а также формирование информации и сигналов на их основе. Машинные данные, получаемые в процессе производства непосредственно с оборудования, самым достоверным образом отображают процесс изготовления продукции, его технологические и количественные параметры. Автоматизированная обработка машинных данных открывает путь к повышению эффективности производства и переходу на новый технологический уровень. Цель создания автоматизированной системы мониторинга — собрать в единый контур все технологические и производственные данные для перехода от управления по результатам к управлению производством в реальном времени. Получить достоверную информацию для улучшения планирования производства, конструирования изделий и технологической подготовки, увеличения ресурса оборудования.

Применение системы мониторинга позволяет:

  • выпускать продукцию в соответствии с планом (не срывать заказы);
  • поддерживать стабильность технологии (уменьшить брак, недоработки, переделки), ускорить переналадку производства, оптимизировать ТП (скорость, точность, трудоемкость, ресурсоемкость);
  • поддерживать оборудование в работоспособном состоянии, предотвращать отклонения (остановки, простои), аварии (или уменьшить их последствия);
  • снизить ресурсоемкость (рабочее и машинное время, материалоемкость, износ инструмента, незавершенное производство, брак, расходные материалы и т. д.);
  • снизить нагрузку на персонал и требования к его квалификации.
Компания Экстенсив (г. Екатеринбург), изучив реалии промышленных предприятий, сформулировала стандартные функции, которыми должна обладать современная система мониторинга оборудования.

Функции системы мониторинга

Учет выработки, включая учет числа произведенных технологических операций и затраченное на них время и ресурсы; анализ производительности в разрезе выбранного подразделения/оборудования за выбранный период.

Для достижения этих целей система мониторинга должна:

  1. Сбор данных (источники входных данных):

    • ручной ввод, когда сотрудник вводит в систему информацию, автоматическое получение которой не настроено, или экспертную оценку ситуации;
    • специализированное оборудование: контроллеры, предназначенные для сбора информации о производстве, цифровые измерительные приборы и т. п.
    • штатное оборудование: контроллеры и вычислительные устройства, являющиеся частью техноло- гического оборудования и производственных линий (например устройство ЧПУ станка);
    • стандартный протокол передачи данных. Использование универсальных протоколов (OPC, Euromap, MTconnect и т. п.), как правило, сопровождается потерей функциональности и эффективности;
    • проприетарное ПО, разрабатываемые производителем оборудования для его использования и под- ключения к информационным системам;
    • драйверы оборудования, разрабатываемые специально для управления устройством из информационных систем и контроля его состояния.
    • внешнее оборудование: некоторые устройства, логически объединяемые в единую систему (например, температурные или вибродатчики, измерительные устройства и т. д.)
    • внешние данные, уже собранные или обработанные другими системами.
  2. Хранение данных. Современные системы мониторинга хранят данные в различных БД. При выборе БД необходимо учитывать характеристики СУБД, так как работа с большими объемами данных влияет на скорость обработки и требуемую емкость хранения. Крупным и оборонным предприятиям необходимо иметь возможность работать с разными СУБД (избегать диктата единственного поставщика), в том числе отечественных производителей и ПО с открытым кодом или свободного ПО (Open Source). При выборе СУБД необходимо протестировать механизмы сжатия и очистки базы данных, так как эти операции будут происходить регулярно в процессе работы системы мониторинга.
  3. Первичная обработка «сырых» данных в целях получения интегрированных значений или более компактной для хранения информации.
  4. Анализ данных. Математический аппарат, заложенный в систему мониторинга, позволяет выявить неочевидные взаимосвязи между факторами производства, в том числе с применением технологий BigData. Например, построить рейтинги производительности станков, станочников или инструмента. Ранжировать влияние на отклонения (причины брака) сырья, инструмента, исполнителей. Применять статистические методы для поддержания стабильности технологии и качества продукции.
  5. Визуализация данных. Отображение информации — важнейшая часть мониторинга. Светофор станка, АРМ оператора, андон-дисплей в цехах, трансляция информации через Internet должны своевременно отображать нужную информацию и сигналы, в т. ч. графики, диаграммы, таблицы, счетчики и т. п.
  6. Вывод данных. Поддержка стандартных форматов xml, xls и pdf. Вывод в электронную почту, на печать, в промежуточные файлы. Сторонитесь кастомизированных форматов, придется постоянно следитьза их поддержкой и совместимостью.
  7. Передача данных. Развитые системы мониторинга поддерживают Ethernet, IPV, Wi-Fi, SMS, сообщения электронной почты и мессенджеров (Telegram и т. п.) для передачи информации через очередь ОС Windows, представления Oracle, таблицы СУБД, хml и текстовые файлы, Web-интерфейс.
  8. Передача данных. Развитые системы мониторинга поддерживают Ethernet, IPV, Wi-Fi, SMS, сообщения электронной почты и мессенджеров (Telegram и т. п.) для передачи информации через очередь ОС Windows, представления Oracle, таблицы СУБД, хml и текстовые файлы, Web-интерфейс.
    • содержать нормативно-справочную информацию, значения технологических параметров, заданных на этапе проектирования изделия, для сравнения их с фактическими значениями;
    • ранжировать отклонения и причины их возникновений по частоте и степени отклонений (какие сотрудники, виды инструмента, заготовки и т. д. приводят к самым серьезным отклонениям или вызывают их чаще всего);
    • сравнивать фактические параметры обработки изделия с их эталонными значениями, оценивать отклонения и формировать управляющие и информационные сигналы для персонала или других ИТ-систем. В этом контексте различают несколько видов реакции системы на отклонения. Автоматическаяреакция — отклонение обрабатывается системой, управляющие сигналы формируются и исполняются на основе алгоритмов, заложенных в системе мониторинга. Реакция с подтверждением — управляющие сигналы формируются на основе алгоритма, но исполняются только по явной команде персонала. Полуавтоматическая реакция — форма реакции на отклонение выбирается персоналом из предложенных системой вариантов. Неавтоматическая реакция — система отображает отклонения и ожидает реакции персонала, который самостоятельно определяет алгоритм реагирования.
  9. Управление технологией обработки изделий. Значения фактических параметров производства, полученные системой мониторинга, передаются разработчикам изделий (конструкторам/технологам) непосредственно из системы мониторинга или через PLM-системы с целью дальнейшего совершенствования технологий.
  10. Хранение управляющих программ в специальной библиотеке. Контролируются версии программ, проводится их централизованное резервное копирование. Управляющие программы соотносятся с номенклатурой изделий, производственными операциями, оборудованием. Система отслеживает код управляющей программы, который фактически выполняется на станке. При этом учитывается не только имя программы, но и ее содержимое (тело). На основе сравнения исходного и выполненного кода осуществляется управление версиями управляющих программ.
  11. ТОиР. Служба главного механика часто выступает инициатором внедрения систем мониторинга и ожидает реализации следующих функций:
    • автоматическое резервирование настроек. Все производители устройств ЧПУ настаивают на периодическом сохранении настроек и параметров станка, так как не всегда регулярно делаются «бэк-ап»;
    • эталонная настройка — запись параметров станка (с картой температур и вибраций) при прогоне контрольной управляющей программы и периодическое сравнение параметров с эталонными в процессе эксплуатации;
    • вибродиагностика [1];
    • учет наработки оборудования в целях планово‑предупредительного ремонта;
    • обработка всех сообщений диагностических систем оборудования (ошибки УЧПУ);
    • контроль критических режимов работы оборудования и информирование об их достижении;
    • контроль развития дефектов движущихся частей станка;
    • инициирование регламентных процедур по техническому обслуживанию станка.
    • сбор информации об инструменте, включая функции библиотеки параметров инструмента, вывода инструмента на ТО по наработке, статистика наработки инструмента по производителям/моделям, контроль изменения нагрузки в серийных управляющих программах и пороговых значений, график смены инструментов в АСИ, рейтинг надежности инструмента.
  12. Определение фактической длительности и ресурсоемкости производственных операций. Реальные данные позволяют строить реальные планы.
  13. Обработка брака. Учитываются все производственные операции, следовательно завершенные некорректно или незавершенные будут учтены для их анализа и обработки. Детали (партии деталей), произведенные с отклонениями от технологии, будут помечены для их более тщательного контроля в ОТК.

Пользователи системы мониторинга

Правильно настроенная система мониторинга позволяет усовершенствовать или упростить работу всех служб, связанных с производством. Права пользова- телей на доступ к информации и элементам управления ограничиваются администратором системы.

Руководитель и владелец получает информацию в обобщенном виде с возможностью детализации. Акцент делается на показатели эффективности производства и сравнение текущих показателей с аналогичными показателями прошлых периодов и с плановыми. В случае надлежащей защиты, данные могут выводиться на мобильные устройства или обрабатываться помощником. Руководитель не всегда находится на предприятии и получает мощное средство дистанционного контроля.

Менеджер анализирует фактические показатели производства и обрабатывает отклонения для достижения заданной производительности; может своевременно организовать помощь профильного специалиста (технолога, механика, контролера и т. д.) или ресурсное подкрепление (заготовки, инструмент, оснастка, транспорт, расходники, удаление отходов и т. п.). Технолог в реальном времени контролирует параметры режимов обработки, критические нагрузки на оборудование и инструмент, фактическое время распределения режимов обработки и состояний станка. Обычно именно технолог отвечает за подготовку управляющей программы, ее тестирование, хранение, передачу в производство и обновление. Технологу доступны коды управляющей программы, фактически выполненные на станке. Есть возможность сохранить правки, внесенные оператором, либо настоять на выполнении программы без вмешательства. Можно вводить значения и переменные в код управляющей программы и получать их значения как выходные параметры системы. Технолог может управлять библиотекой управляющих программ.

Механик использует следующую информацию: наработка оборудования (моточасов) в интересах планово‑предупредительных ремонтов; сообщение о критических параметрах; критические и запредельные режимы; информацию о подключении внешних датчиков; резервные копии образов диска станка; реестр и анализ ошибок; анализ вибраций; анализ температуры технологических узлов оборудования и рабочих жидкостей; автоматическое формирование регламентной процедуры в случае запроса техпомощи.

Оператор станка получает АРМ, оснащенный приборными панелями, где
  • по каждому станку указывается состояние, режим работы, работающая управляющая программа, ее версия и код изделия. Данные с устройств ЧПУ совмещаются с данными производственной системы.
  • отображаются производственные задания, назначенные на рабочий центр, имеется возможность их своевременного запуска;
  • фиксируется факт простоя оборудования и причины простоя;
  • инициируется запрос поддержки: помощь мастера, технолога, механика; запуск регламентных процедур; ресурсная поддержка при недостаче материала, инструмента, оснастки, транспорта и т. д.
  • отображается график технологических переходов, что позволяет оптимально планировать ближайшие действия. Предсказывается потребность в ресурсах и рационально используется время персонала.

Служба персонала учитывает квалификационные уровни работников и имеет данные о реальных трудозатратах в привязке к результатам работы.

Служба безопасности получает сигналы о нарушениях регламентов входящих в их компетенцию (попытки выполнения незапланированных операций или фальсификации данных).

Сервисная служба оптимизирует обслуживание станка или его восстановление после аварии при наличии доступа к протоколам (лог-файлам) о значениях параметров перед инцидентом, проводит диагностику станка с применением автоматических процедур.

Поставщик станка сохраняет эталонные параметры, использует накопленные за период эксплуатации данные для улучшения послепродажного обслу- живания и совершенствования линейки выпускаемой продукции.

Служба качества (ОТК) получает уведомление об отклонениях в операциях, произведенных с отступлением от технологии.

Структура системы мониторинга

Система мониторинга описывает структуру предприятия с учетом подхода ISA‑95 к описанию иерархической структуры оборудования объекта автоматизации и включает уровни: предприятие, производственная площадка (цех), подразделение (участок/линия), оборудование (рабочий центр). Она характеризуется территориально-распределенной архитектурой. Ядро системы устанавливается в центральном диспетчерском пункте предприятия. Оно включает: модули настройки системы и управления хранением данных, справочники, систему аналитика, средства визуализация, отчетов, сообщений и сигналов, безопасности и распределения прав доступа, АРМ оператора, библиотеку управляющих программ, редактор управляющих программ, систему вибродиагностики, систему энергоаудита. Серверы данных располагаются непосредственно около контролируемого оборудования.

В системе мониторинга предусмотрены справочники рабочих центров (в разрезе подразделений, должностей, бригад и смен), номенклатуры изделий (в привязке к управляющим программам), инструмента, причин простоев и т. д. и они должны иметь режим автономного использования и синхронизацию с профильными системами (справочники редактируются в системе мониторинга или загружаются извне).

Посредством системы мониторинга можно выдавать задания на рабочие центры в разрезе заведен- ной в справочники номенклатуры. Задания заводятся вручную или формируются на основе сменно-суточных заданий планируемых в MES или ERP.

Система мониторинга должна интегрироваться в единое информационное пространство предприятия, взаимодействовать с системами уровня; ERPMESPLMWMSAPS и иметь для этого необходимые средства коммуникации.

Тупики, связанные с внедрением систем мониторинга

Некоторые методы и функции систем мониторин- га, показавшие свою неэффективность:
  • аппаратные средства, дублирующие функции устройств ЧПУ. Основные разработчики переходят к прямому чтению данных из устройств ЧПУ. Внешние устройства используются только при оцифровывании данных с оборудования, не имеющего ЧПУ;
  • анализ обработки по энергонагрузкам. Точная обработка, наиболее нуждающаяся в контроле, вызывает незначительные изменения энергопотребления. Изменения в энергозатратах могут быть вызваны наложением косвенных факторов;
  • дублирование ввода;
  • «толстый клиент». Клиентские части приложений, реализованные в виде отдельных систем, требуют технического сопровождения, что ведет к увеличению затрат;
  • встроенные средства безопасности. Система должна иметь механизмы совместимости с внешними средствами защиты: системными службами, меж- сетевыми экранами и др.;
  • кастомизирванные справочники и форматы поддерживать дорого и опасно;
  • нераспределенные потоки данных при значительном объеме оборудования приведут к потере в производительности системы или потребует дополнительных затрат на критических участках;
  • ограничительные меры по использованию систем при изменении состава оборудования или сроку лицензии недопустимы для реального производства;
  • показатели загрузки оборудования не могут быть основным показателем эффективной работы предприятия, а в случае менее чем трехсменной работы, вообще имеют второстепенное значение. Главным результатом предлагается избрать качество про дукции и сроки исполнения заказов, минимизацию незавершенного производства или себестоимости.

Рынок систем мониторинга

Практически все серьезные разработчики оборудования и устройств ЧПУ имеют собственные системы мониторинга. Среди зарубежных решений отметим системы: Cybermonitor компании Mazak (Япония); MCIS компании Siemens (Германия), интегрированную в среду цифрового предприятия;

Мысли лучших умов всегда становятся в конечном счете
мнением общества.

Филип Дормер Стенхоп Честерфилд SIMCO MDC Max (Швеция), включающую популярный у пользователей модуль редактирования управ- ляющих программ SIMCO Edit; Omative (Израиль), известная модулем анализа вибраций. Среди отечественных производителей отметим системы СМПО Foreman компании ЛО ЦНИТИ (Санкт-Петербург), «АИС Диспетчер» компании Станкосервис (г. Смоленск); СИНТИЗ группы компаний Ostec (Москва), платформа Internet вещей Winnum, включающая модуль мониторинга оборудования, от Signum (Сколково), система Naviman компании Солвер (Воронеж), Палантир компании КАМ-Инжиниринг (г. Ижевск); программный комплекс обработки машинных данных DPA от компании X‑Tensive (Экстенсив, г. Екатеринбург), работа- ющий как автономный продукт и как опорная часть системы управления производством MEScontrol.
Испытана интеграция DPA с лидирующими в своих классах системами:
  • ERP: SAP, 1C, КСТ-M3, Parus, Microsoft Dynamics AX (Axapta), ODOO, IFS;
  • PLM — Siemens Teamcenter
  • MES: 1C, MEScontrol.

Будущее систем мониторинга

В перспективе системы мониторинга должны стать единым центром технологической информации, поступающей со всех участков производства: механообработка, гальваника, эрозионная термообработка, лазерный, плазменный и гидроабразивный раскрой, нанесение покрытий, аддитивные технологии, порошковая металлургия, термопластавтоматы, литьевые машины, манипуляторы, внутрицеховой транспорт. Также прослеживается необходимость интеграции систем мониторинга в единый ИТ-ландшафт предприятия [2].

Cписок литературы

  • Шиляев С.Н., Третьяков И.В. Системы вибродиагностики в механообработке // Автоматизация в промышленности. 2017. №10.
  • Яковис Л.М. От единого информационного пространства к единому пространству управления производством // Автоматизация в промышленности. 2013. №1.

Автор

Третьяков Игорь Вячеславович – директор по развитию ООО «Экстенсив». Контактный телефон (343) 287-61-73.

Задать вопросы по статье можно в соответствующей ветке нашего форума.

УралWeb