Книга «ИНДУСТРИЯ 4.0: Умные технологии — ключевой элемент в промышленной конкуренции». Часть 12. Умное производственное оборудование

Автор: Евгений Липкин, генеральный директор «Остек-СМТ»

Ключевым инструментом умного производства является, конечно же, оборудование. Именно от него во многом зависит и уровень технологии, и качество конечной продукции, и возможности предприятия.

Промышленная революция была бы невозможна без качественных изменений производственного оборудования. В данной главе рассмотрим основные изменения в данной сфере, свидетелями которых мы уже являемся и будем являться в ближайшие годы.

Направления развития производственного оборудования

Даже если мы с вами продолжим по привычке называть оборудование оборудованием, оно уже перестало быть просто оборудованием, сегодня оно уже является физическим элементом сложной системы, которая стремительно развивается в направлении киберфизической системы.

Передовые модели техники ведущих мировых производителей уже сегодня предполагают наличие ряда обязательных компонентов, о которых уже говорилось в прошлых частях книги.


Производственное оборудование как элемент системы

Современные производственные системы непременно должны быть оснащены мощным комплексом программного обеспечения, которое обеспечивает интеграцию различных функций, в том числе разработку, производство и управление качеством.

Как было сказано ранее, для более эффективной работы оборудования его в ряде случаев целесообразно объединять в сеть. Это накладывает дополнительные требования к этому программному обеспечению: оно должно управлять работой не одной установки, а группы машин и систем как единым целым.

Разумеется, аналитические системы, которым мы посвятили целую главу, сегодня находят своё место и в данной области. Программное обеспечение, поставляемое вместе с оборудованием, уже сегодня позволяет автоматизировать ранее недоступные функции (или доступные с применением стороннего программного обеспечения):

  • анализ электронной конструкторской документации на предмет соответствия технологическим требованиям;
  • анализ параметров работы оборудования на предмет эффективности и соблюдения требований к эксплуатации;
  • выявление причин выхода оборудования из строя;
  • прогнозирование выхода оборудования из строя;
  • планирование работы и диспетчеризация работы парка оборудования;
  • анализ причинно-следственных связей между дефектами и параметрами работы технологического оборудования;
  • автоматическая оптимизация параметров работы оборудования и многое другое.

Идя навстречу рынку, производители оборудования и сервисные компании активно внедряют электронные сервисы, позволяющие сделать работу оборудования и предприятия в целом эффективнее. Эти сервисы могут касаться управления обслуживанием станочного парка, упреждающей поставки инструментов и расходных материалов, удалённой диагностики оборудования или чего-то ещё. Таким образом, современные машины и станки являются элементами продуктово-сервисных систем, о которых мы также уже говорили.

Далее мы чуть более подробно разберем отдельные моменты, связанные с развитием производственного оборудования.

Кейс DMG Mori CELOS

Компания DMG Mori Seiki Co. Ltd., являющаяся одним из мировых лидеров в области металлообработки, активно развивает направление программного обеспечения, предназначенного для более эффективного использования оборудования, произведённого компанией.

На сегодняшний день компания предлагает своим заказчикам широкую палитру программных продуктов, объединённых в комплекс CELOS, который позволяет значительно повысить эффективность работы оборудования и смежных бизнес-процессов.


Набор приложений для управления парком оборудования DMG MORI. Фото: DMG MORI

С помощью комплекса программного обеспечения предприятие может объединить в единой информационной среде такие функции, как разработка программ для оборудования, симуляция технологических операций, мониторинг работы оборудования, производственное планирование, управление техническим обслуживанием, управление оснасткой и так далее.

Модуль Service Agent представляет собой инструмент комплексного управления обслуживанием оборудования. Он помогает осуществлять планирование технического обслуживания, диагностику технического состояния оборудования, раннее оповещение о необходимости технического обслуживания и размещении заказов на запасные части.

Модуль Messenger позволяет в режиме реального времени удалённо, в том числе с помощью смартфона, отслеживать состояние парка оборудования, оценивать его эффективность и получать уведомления о нештатных ситуациях.

Кроме того, компания предлагает модуль по обучению программированию оборудования, что позволяет новым сотрудникам освоить навыки работы до того, как они получат практическое задание.

Комплекс CELOS, новинка компании, разработан с учётом современных тенденций. Поэтому комплекс включает также модуль Condition Analyzer, который регистрирует большое количество параметров работы станка (к слову, о больших данных), отправляет их в облачное хранилище и на основе анализа значений параметров позволяет выявлять необычное поведение оборудования. В случае если система выявляет отклонение в работе станков, информация об этом напрямую передается в сервисный центр и клиенту. Это позволяет оперативно вмешаться в процесс, исключив серьёзную поломку оборудования.

К тому же в системе реализована возможность удалённой технической поддержки со стороны сервисного центра производителя.

Таким образом, благодаря комплексному подходу к программному обеспечению и электронным сервисам пользователи оборудования DMG Mori могут использовать новые возможности по повышению эффективности оборудования, а компания-производитель получает дополнительное конкурентное преимущества.

Оптимизация эффективности

Открыв сайты большинства производителей оборудования, можно найти слова о том, что современные решения, используемые в его продукции, позволяют повысить эффективность отдельных бизнес-процессов или всего бизнеса потенциальных клиентов. Слово «эффективность» чаще применяется по отношению к чему-нибудь новому и передовому. Действительно, прогресс, в том числе и промышленный, нацелен на то, чтобы появились более эффективные инструменты для решения существующих и перспективных задач. И никто особо не спорит с простым принципом: «Новое оборудование должно быть более эффективным, чем существующее и устаревшее».

Кто-то сейчас меня упрекнёт в том, что я озвучиваю очевидные вещи. Однако этот, казалось бы, очевидный принцип не такой уж и очевидный. Дело в том, что под эффективностью часто понимают совершенно разные показатели.

Для того чтобы не было разногласий и все одинаково понимали, о какой эффективности думают разработчики и производители оборудования, промышленного программного обеспечения и сервисные компании, предлагаю немного разобраться в данном вопросе.

Сегодня существуют два общепризнанных индикатора, с помощью которых оценивают эффективность и на оптимизацию которых нацелены усилия производителей оборудования и пользователей. Этими индикаторами являются совокупная стоимость владения (в англоязычной и финансовой литературе – TCO (Total Cost of Ownership), в русской литературе ещё встречается как «стоимость жизненного цикла») и общая эффективность оборудования (в англоязычной литературе – OEE (Overall Equipment Eff ectiveness)). Разберёмся в сути каждого из этих показателей.

Совокупная стоимость владения

Данный показатель определяется общей суммой затрат, которые вынужден нести владелец в данном случае оборудования в течение всего цикла его эксплуатации. Этот показатель учитывает как прямые затраты, так и косвенные.

В случае приобретения оборудования затраты можно разделить на две большие группы: затраты на приобретение и внедрение и затраты в процессе эксплуатации. В классическом случае, когда оборудование эксплуатируется в течение длительного периода, соотношение этих групп затрат напоминает айсберг, так как суммарные затраты в процессе эксплуатации существенно превышают исходную стоимость приобретенного оборудования.


Распределение затрат в совокупной стоимости владения оборудованием

В подводной части айсберга среди прочего следующие статьи затрат:

  • затраты на техническое обслуживание;
  • затраты на модернизацию оборудования;
  • затраты на помещение;
  • затраты на персонал;
  • затраты на вспомогательное оборудование;
  • затраты на расходные материалы;
  • затраты на оснастку;
  • затраты на ремонт; затраты на простои оборудования;
  • затраты на энергоресурсы;
  • затраты на некачественную продукцию;
  • затраты на утилизацию оборудования.

Если взять две единицы оборудования с одинаковым ресурсом по количеству технологических операций, то очевидно, что при прочих равных условиях предпочтение стоит отдать той, у которой совокупная стоимость владения будет ниже. При равном количестве выполненных операций их себестоимость будет напрямую зависеть именно от данного показателя.

Сейчас многие производители промышленных систем говорят о том, что их продукция обладает лучшими показателями стоимости владения, чем аналоги. И это становится или уже стало значимым конкурентным преимуществом в промышленном сегменте. Уже сформирован тренд, который стимулирует разработчиков создавать решения, позволяющие оптимизировать затраты в процессе эксплуатации.

Конечно, мы могли бы быть идеалистами и рассуждать о том, что все должны стремиться снижать стоимость оборудования и вместе с тем «подводную часть айсберга», но приходится опуститься с небес на землю. Часто, когда мы говорим про инновационное оборудование, позволяющее работать эффективнее и экономнее, мы сталкиваемся с такой картиной:


Соотношение затрат в совокупной стоимости владения по мере развития оборудования

Да, действительно, оборудование позволяет производить продукцию с меньшим расходом энергоресурсов, лучшим качеством, меньшими трудозатратами и т.д., но оно стоит дороже. И это в определённой степени оправданно, ведь для реализации этой задачи требуется более сложное техническое решение, включающее как дополнительные аппаратные средства, так и программное обеспечение. Так что надо считать. Но прогресс движется в эту сторону.

В случаях когда оборудование не приобретается, а используется на правах аренды или других условиях, показатель совокупной стоимости владения также применим, так как даже если оно не покупается, то есть арендная плата и эксплуатационные затраты. Последние также требуется оптимизировать, как и во всех других случаях.

Кстати, развитие рынка продуктово-сервисных систем во многом связано с оптимизацией совокупной стоимости владения.

Общая эффективность оборудования

Одним из наиболее важных ориентиров руководства предприятия в части управления инвестициями является срок окупаемости. Так как оборудование является часто самым дорогостоящим активом, то в отношении него это особенно актуально.

Чтобы срок окупаемости инвестиций в оборудование был минимальным, недостаточно просто оптимизировать совокупную стоимость владения, необходимо также обеспечить максимально возможное количество производимой качественной продукции. Собственно говоря, если совсем ничего не производить, то затраты на станки будут минимальными, вот только они никогда не окупятся.

Как следствие, вторым показателем, по которому определяется эффективность оборудования, является общая эффективность оборудования, которая в России чаще встречается в виде аббревиатуры англоязычного названия данного показателя OEE.

Принцип расчёта ОЕЕ

Подробное описание методики расчёта ОЕЕ можно найти в различных источниках, но в общем виде оно определяется по следующей формуле:

ОЕЕ = Доступность × Производительность × Качество, где

Доступность – доля планового времени работы оборудования, в течение которого оно было работоспособным, то есть не было поломок, ремонтов, технического обслуживания и т.д.;

Производительность в зависимости от ситуации рассчитывается по-разному, но в любом случае показывает отношение фактического показателя производительности (количество операций, объём выпущенной продукции, время работы и т.д.) к максимально возможному с учётом доступности оборудования;

Качество – доля качественной продукции в общем объёме.

Анализ показателя ОЕЕ осуществляется за временной интервал (день, неделя, месяц и т.д.) и позволяет осуществлять оценку чистого производственного времени, в течение которого оборудование работало и производило качественную продукцию. Действительно, было бы странно, если бы параметр качества не был бы учтён в данной формуле. Если станок работает сто процентов времени, но производит такой же процент бракованной продукции, то ни о какой эффективности говорить не стоит.

Производители работают над тем, чтобы общая эффективность их оборудования была выше, а у пользователя были инструменты управления этим показателем. Приведу несколько примеров решений по оптимизации ОЕЕ, которые могут быть обеспечены производителем оборудования.

Оптимизация доступности:

  • повышение надёжности оборудования;
  • разработка решений по предупреждению поломок и отказов;
  • системы диагностики технического состояния оборудования и прогнозирования отказов;
  • обеспечение высокой скорости реакции сервисной службы и т.д.

Повышение производительности:

  • разработка технических решений, сокращающих время переналадки и настройки оборудования;
  • разработка транспортных систем, автоматизирующих загрузку и выгрузку заготовок/материалов и минимизирующих паузы между операциями;
  • программное обеспечение для оптимизации распределения работ и планирования;
  • системы мониторинга простоев оборудования и анализа их причин и т.д.

Повышение качества:

  • программное обеспечение для моделирования производственных процессов и выявления потенциальных причин дефектов;
  • система статистического анализа дефектов и их причин;
  • система автоматической настройки параметров, позволяющая адаптироваться к изменениям внешних условий;
  • средства раннего обнаружения дефектов и т.д.

В общем случае чем выше показатель ОЕЕ, тем короче срок окупаемости оборудования, поэтому наличие решений, которые позволяют повысить этот показатель, даёт дополнительные конкурентные преимущества производителям оборудования.

Если сравнивать два показателя эффективности, совокупную стоимость владения и общую эффективность оборудования, то можно выделить следующие достоинства и недостатки.

Совокупная стоимость владения

Достоинства:

  • учитывает практически все финансовые показатели на протяжении всего цикла использования оборудования.

Недостатки:

  • сложно организовать автоматизированный расчёт;
  • практически невозможно оперативно отслеживать и реагировать.

Общая эффективность оборудования

Достоинства:

  • легко автоматизируется расчёт показателя и его составляющих;
  • возможность оперативного реагирования.

Недостатки:

  • не учитывает финансовых параметров, только время и процент качественной продукции.

Для полноценного управления эффективностью необходимо анализировать оба параметра, тогда картина будет полной.

Стоит сказать пару слов о способах расчёта и анализа данных показателей. Расчёт совокупной стоимости владения можно качественно реализовать только в системах высокого корпоративного уровня, таких как ERP, в которых содержится расширенная финансово-экономическая информация. Мониторинг и анализ ОЕЕ можно реализовать более простыми средствами. Это уровень SCADA- и MES-систем. Пример автоматизированной системы мониторинга показателя общей эффективности оборудования:


Пример системы мониторинга OEE

Когда производители оборудования говорят о том, что их технические решения более эффективные, чем были ранее или чем решения конкурентов, то, скорее всего, речь идёт о том, что тем или иным способом с помощью их оборудования можно обеспечить более низкую совокупную стоимость владения (при эквивалентном количестве операций) или более высокий показатель общей эффективности.

Однако с учётом того что содержание рекламных заявлений не всегда соответствует действительности, неплохо уточнять детали. В противном случае приобретение может оказаться дорогим и неэффективным во всех смыслах.

Применение аналитических систем при управлении работоспособностью оборудования

Производственное оборудование и инженерные системы предприятия являются ключевым активом, и обеспечение его работоспособности (доступности) непосредственно влияет на работу бизнеса, поэтому данному вопросу уделю особое внимание.

Современные аналитические инструменты вкупе с другими технологиями выводят управление парком оборудования на совершенно новый уровень. В про аналитическую обработку больших массивов данных был приведён пример системы MAX компании ThyssenKrupp AG, позволяющей удалённо отслеживать состояние лифтов и прогнозировать их выход из строя. Сервисная служба не ждёт, когда лифт выйдет из строя, а заблаговременно готовит необходимые запасные части и направляет бригаду специалистов на объект. Таким образом, сводятся к минимуму простои лифтов по причине поломок и компания получает довольных клиентов.

В том, чтобы заблаговременно предсказывать выход оборудования из строя, заинтересован и пользователь оборудования, и производитель, и обслуживающая компания.

Пользователь оборудования таким образом может застраховать себя от непредсказуемых поломок, которые происходят, как обычно, в самый неподходящий момент. Степень критичности может быть разная, но это всегда неприятно. Если летом в солнечную погоду сломается кондиционер в офисном помещении, то с помощью мороженого, холодной воды и вентилятора можно в отдельных случаях как-то спасти ситуацию. А вот если в разгар исполнения крупного и ответственного заказа откажет критически важный станок или выйдет из строя компрессор, обеспечивающий работу целого производственного участка, то одним «мороженым» ситуацию не спасти.

Инструменты прогнозирования состояния оборудования коренным образом изменяют подход к его техническому обслуживанию и ремонту. Благодаря развитию аналитических систем появились решения, ориентированные на прогнозирование (предиктивный анализ) состояния оборудования и упреждающее реагирование на вероятный отказ.

Новый класс систем предиктивной аналитики стремительно развивается в широком круге отраслей машиностроения. И хотелось бы рассказать о нём. Но для того чтобы были очевидны те плюсы, которые он даёт, я хотел бы немного напомнить о тех недостатках, которые в себе таят традиционные подходы к обеспечению работоспособности оборудования.

Реактивное обслуживание

На сегодняшний день реактивное обслуживание является наиболее популярной стратегией технического обслуживания оборудования. В данном случае оборудование работает до отказа, после чего производятся работы по восстановлению его работоспособности или замене.

Применение данного подхода целесообразно для некритического оборудования, влияние которого на ключевые производственные процессы и работу более важных систем несущественно. Также данный вариант может быть применим для оборудования, ремонт и восстановление которого незначительны по времени и стоимости.

Очевидным недостатком данного подхода является то, что оборудование относительно часто выходит из строя и приводит к внеплановым работам и другим неприятным последствиям.

В случае с реактивным обслуживанием могут найти применение лишь инструменты описательной или диагностической аналитики, которые только укажут на факт случившейся поломки и продемонстрируют, что именно вышло из строя.

Предупредительное обслуживание

Предупредительное обслуживание реализуется таким образом, чтобы технические работы с оборудованием были проведены до того, как произойдёт отказ. Работы в этом случае обычно проводятся согласно рекомендованному производителем оборудования графику (например, ежедневно, еженедельно, ежемесячно) или с учётом наработки (например, каждые 2000 часов работы).

По задумке идеологов, данный подход должен, с одной стороны, защитить оборудование от выхода из строя в текущий момент, с другой стороны, предупредить необратимые негативные последствия для состояния оборудования, которые могут привести к дорогостоящему ремонту оборудования в будущем.

На практике сервисное обслуживание и продажа быстроизнашиваемых и запасных частей становится ключевым элементом бизнес-модели производителей оборудования и важным источником их дохода. В итоге многие производители формируют избыточные рекомендации по периодичности технического обслуживания, а пользователи несут дополнительные потери.

Для того чтобы развеять сомнения в этом утверждении, могу привести пару контрольных вопросов:

  • должен ли интервал проведения работ зависеть от условий эксплуатации оборудования?
  • должен ли график и состав работ зависеть от планируемого срока эксплуатации оборудования и плановой остаточной стоимости по истечению этого срока?

График предупредительного обслуживания формируется таким образом, чтобы обеспечить максимально длительную работу оборудования в самых неблагоприятных условиях. В итоге пользователи оборудования, которые его приобрели с менее продолжительным плановым сроком эксплуатации или которые эксплуатируют оборудование в более комфортных условиях, вынуждены, по сути, переплачивать за избыточные работы и запчасти. К тому же в процессе обслуживания оборудование простаивает, соответственно, не выполняет требуемых функций.

Возьму на себя смелость предположить, что автомобиль, который «бегает» по идеальным дорогам, можно смело обслуживать реже, чем автомобиль, который трясется по бездорожью.

Стоит отметить, что производители оборудования активно применяют аналитические инструменты, которые позволяют, с одной стороны, разработать рекомендации по обслуживанию на основе накопленной статистики, с другой стороны, дают возможность минимизировать расходы на гарантийные ремонты и максимизировать доходы от услуг технического обслуживания и продажи запасных частей.

Пользователи при этом практически не используют аналитические инструменты. Чаще всего задействованы лишь средства ведения учёта выполненных регламентных работ и календарного планирования технического обслуживания.

Обслуживание на основе предиктивной (прогнозной) аналитики

В отличие от предупредительного обслуживания в данном случае при определении необходимости технических работ учитывается не рекомендуемый интервал обслуживания, а фактическое состояние оборудования, динамика изменения параметров его работы и прогноз по срокам возникновения отказа. Для реализации этой задачи применяются аналитические инструменты, позволяющие собирать данные о параметрах работы оборудования и прогнозировать их изменение.

Для того чтобы определить необходимость проведения обслуживания оборудования, формируются алгоритмы оценки его технического состояния и предсказания отказов. В основу методики оценки состояния оборудования могут лечь рекомендации производителя или собственные предпочтения пользователя.

Такой подход позволяет устранить массу недостатков реактивного и предупредительного обслуживания и повысить значение показателя «доступность оборудования», который учитывается при оценке общей эффективности.

Во-первых, планирование работ по обслуживанию происходит не на основе усреднённых и избыточных рекомендаций производителя, а на основе анализа и прогнозной оценки состояния конкретной единицы оборудования с учетом существующих условий и режимов эксплуатации. Это сводит к минимуму риск выхода оборудования из строя.

Во-вторых, существенно расширяется временное окно, в течение которого пользователь может провести технические работы, не допустив выхода оборудования из строя.

В-третьих, наличие запаса времени даёт возможность спланировать последовательность работ и перемещения бригады специалистов таким образом, чтобы затраты были минимальными.

Системы прогнозной аналитики состояния оборудования основываются на показаниях системы датчиков, которые снимают параметры, связанные с работой оборудования. Датчики могут фиксировать как параметры работы самого оборудования, так и информацию о внешних факторах.

На сегодняшний день применение средств прогнозной аналитики при управлении парком оборудования наиболее востребовано в эксплуатации наиболее ответственных систем. Уже был пример с лифтами.

Ещё одним примером таких систем являются объекты энергетической инфраструктуры, нарушение работоспособности которых чревато техногенными катастрофами и огромными затратами.

К сожалению, для построения математической модели, описывающей логику поведения конкретной модели оборудования и зависимость его от различных факторов, необходимо иметь данные наблюдения за множеством единиц точно такого же оборудования в течение длительного времени. И чем больше количество единиц оборудования и дольше время наблюдения, тем более точным будет выявление зависимостей от отдельных факторов и их комбинаций.

Именно по этой причине на сегодняшний день максимального прогресса в прогнозном анализе поведения оборудования удалось добиться производителям оборудования, однотипные представители которого поставляются тысячами и десятками тысяч единиц. Это подтверждает и вышеуказанный пример. Большой парк однотипного оборудования позволяет собрать достаточно данных наблюдения для построения более-менее точной математической модели, которая позволяет оценивать вероятность выхода оборудования из строя и своевременно осуществлять техническое обслуживание.

По мере развития технологий появляется всё больше возможностей для реализации прогнозирования работы всё более широкого круга оборудования. Многие производители уже либо разработали, либо начали разработку инструментов, позволяющих спрогнозировать отказ оборудования.

На основе данных возможностей формируются новые бизнес-модели и формы взаимодействия поставщика оборудования и пользователя. Аналитические инструменты делают оборудование более конкурентным в глазах потенциального покупателя. Пользователю теперь не надо ждать, пока установка выйдет из строя или потребуется замена быстроизнашиваемой детали; и пользователь, и поставщик смогут заранее увидеть приближающееся событие, спланировать действия по недопущению остановки оборудования и своевременно среагировать. Тем самым производитель может предложить принципиально новый уровень сервиса своим заказчикам.

 

Книга «ИНДУСТРИЯ 4.0: Умные технологии – ключевой элемент в промышленной конкуренции»:

Часть 1. Предпосылки системных изменений

Часть 2. Технологическая основа новой промышленной революции

Часть 3. Дополненная и виртуальная реальность

Часть 4. Симуляция и основы применения аддитивных технологий

Часть 5. Аддитивные технологии: изготовление изделий, постобработка, контроль качества, временные сложности

Часть 6. Горизонтальная и вертикальная интеграция, промышленный Интернет вещей

Часть 7. Облачные технологии и информационная безопасность

Часть 8. Тотальная цифровизация

Часть 9. Развитие аналитических систем

Часть 10. Умные продуктово-сервисные системы

Часть 11. Логистика 4.0

Часть 12. Умное производственное оборудование

Часть 13. Умное производственное оборудование. Продолжение

Часть 14. Эффект от внедрения новых технологий

Часть 15. Преграды на пути прогресса

Часть 16. Умные технологии и люди



Поделиться: