KPI e OEE con SIMATIC WinCC DowntimeMonitor In un periodo in cui è imperativo per tutte le aziende contenere i costi di produzione, avere degli strumenti di raccolta dati ed analisi della produttività degli impianti è un grande beneficio. Oggi la domanda chiave che un produttore di beni di ogni genere si fa è la seguente: - Come posso ottenere una maggiore redditività dalle mie risorse? Come sono utilizzate attualmente? La maggior parte dei manager sono consapevoli che la mancanza di dati certi sia una delle principali cause di scelte inefficaci e che un informazione chiara e trasparente sia necessaria nei processi decisionali riguardanti le strategie aziendali. La scelta tra l investire in nuove risorse o ottimizzare quelle esistenti dipende dalla conoscenza e consapevolezza della propria capacità produttiva e di ciò che si potrebbe raggiungere in base a chiare specifiche progettuali. L OEE (Overall Equipment Effectiveness) è un metodo largamente diffuso ed apprezzato per valutare quantitativamente e qualitativamente la produttività degli impianti. La sua formulazione risale ormai ad alcuni decenni or sono ed ha trovato applicazione soprattutto nell industria manifatturiera. I settori industriali principali sono automotive e semiconduttori. Recentemente sta riscuotendo grande interesse nel packaging dell industria alimentare (ad es: imbottigliamento), cosmetica e farmaceutica, e nell industria di processo. L OEE trae origine da un trattato del 1975 sulla Total Productive Maintenance di Seiki Nakajima, del Japanese Institute of Plant Maintenance. Nonostante si sia scritto molto sull argomento ed in termini omogenei, l OEE non è uno standard. Questo implica l impossibilità di comparare diversi OEE se sono il risultato di algoritmi diversi. Nonostante ciò, un tentativo di omogeneizzazione è stato fatto ed è stato coniato il termine di World Class OEE come valore realistico di OEE cui aspirare per una macchina tradizionale nell industria manifatturiera. Insomma una best practice.
L OEE in generale Si consideri un modello temporale in cui le principali cause di inefficienza di un apparato (in letteratura denominate Six Big Losses) sono da ascrivere a tre categorie di perdite inerenti rispettivamente i guasti, i ritmi produttivi e la qualità. Six Big Losses Categoria Commento Breakdowns Downtime Losses Guasti, manutenzione non programmata, lunghi tempi di attesa, interruzioni varie Setup/Adjustments Downtime Losses Tutti i tempi per setup di macchine Small Stops/Idling Speed Losses Brevi fermate o brevi tempi di attesa Reduced Speed Speed Losses Tempi di produzione a velocità ridotta Startup Rejects Quality Losses Scarti durante lo startup Production Rejects/Rework Quality Losses Scarti o rilavorazioni durante la produzione normale Il tempo totale attribuibile alle perdite sottratto al tempo pianificato fornisce il tempo di produzione ideale, in cui ipoteticamente l apparato lavora senza subire fermate, alla velocità dichiarata e senza produrre scarti. Total Time (365 days X 24 hours) Loading Time (Planned Production Time) Operating Time (Actual Production Time) Full Speed Production Time Speed Loss Downtime Loss Planned Downtime Ideal Production Time Quality Loss L OEE è numero adimensionale che deve tener conto delle tre categorie di perdite sopraccitate e, affinché sia di facile lettura, è espresso in termini percentuali. La formula che ricorre più spesso in letteratura, perchè applicabile nella pratica, è la seguente: OEE = Availability x Performance Rate x Quality Rate in cui: Availability = Actual Production Time / Planned Production Time E il rapporto tra il tempo effettivo di produzione e il tempo pianificato per la produzione Questo parametro è una misura delle perdite causate dalle fermate significative non pianificate (Downtime Losses).
Performance Rate = Total Production / (Design Speed * Actual Production Time) Nel discreto è dato dal rapporto tra il numero totale di pezzi prodotti e quello ideale calcolato in base alla velocità dichiarata. Questo parametro misura il throughput effettivo di un apparato rispetto a quello teorico, denotando l incidenza delle perdite legate alle riduzioni di velocità di funzionamento e alle fermate brevi (Speed Losses). Quality Rate = Good Production / Total Production Nel discreto è dato dal rapporto tra il numero di pezzi buoni ed il numero di pezzi totali prodotti. E una misura delle perdite causate da produzione di scarti o rilavorati (Quality Loss). L OEE di un apparato World Class è almeno pari all 85% e, considerando che l OEE medio attuale è intorno al 60%, possiamo affermare che ci sono larghi margini di miglioramento in molti impianti manifatturieri. La proposta Siemens: SIMATIC WinCC DowntimeMonitor L OEE, così come altri KPI, è un parametro di immediata lettura che riassume il comportamento di un apparato, in termini di efficienza complessiva. Dato un certo valore di OEE è indispensabile avere degli strumenti analitici che indagano in maniera approfondita sulle cause di tale valore. SIMATIC WinCC DowntimeMonitor è un software di gestione dati macchina che raccoglie i dati dal campo, genera automaticamente i KPI ed offre semplici strumenti di analisi. La configurazione del progetto di WinCC DowntimeMonitor comprende la definizione di un modello temporale, un calendario dei turni, una tabella di stati operativi delle macchine, un albero delle cause delle fermate, gli apparati e i parametri KPI.
Il modello temporale è basato sulla teoria delle "Six Big Losses", le sei grandi cause di perdite di efficienza, ma può essere definito o modificato liberamente. Il calendario offre la massima flessibilità, potendo creare i modelli per i turni, i giorni e le settimane. Il calendario permette di definire le pause tra i turni, i giorni festivi infrasettimanali, le chiusure e le festività nazionali, di cui il sistema terrà conto automaticamente nel calcolo dei KPI. Gli stati operativi degli apparati possono essere raggruppati fino a dieci famiglie (ad esempio Manutenzione, Guasti, Setup, etc..), utili nel calcolo veloce dei KPI. L individuazione degli stati macchina è la parte più importante e delicata del progetto, perchè da essa dipende l affidabilità dei parametri calcolati. Dopo aver inserito i possibili stati per gli apparati in campo, questi devono essere collegati ad un modello temporale, generando il reason tree ovvero una rappresentazione gerarchica degli stati raggruppati secondo le "Six Big Losses". Sulla base di questo albero delle cause il sistema genera automaticamente una tabella che associa ciascuno stato ad un numero. Esempio: "0035: Fermata imprevista dovuta ad una pulizia non pianificata conseguenza di un guasto." "0036: Fermata per pulizia pianificata." Etc. WinCC legge questi valori dai sistemi di automazione in campo (PLC) e li passa al software DowntimeMonitor. Per ogni apparato deve essere prevista in WinCC una diversa variabile. In DowntimeMonitor, ogni apparato è definito attribuendogli un tipo, una variabile WinCC di stato, una tabella di conversione degli stati ed una prevista velocità di produzione.
La velocità può essere resa dinamica associandola ad una variabile WinCC in modo che possa essere cambiata in caso di cambio prodotto o formato. E possibile anche definire una variabile come identificativo di prodotto, cosa che torna utile quando, interrogando il database, si vuole analizzare la produttività di un apparato in funzione del tipo di produzione fatta. A ciascun apparato è possibile associare anche dei contatori, precedentemente aggiunti alla configurazione, come ad esempio il numero totale dei pezzi fatti e il numero dei pezzi buoni o scartati. Con il progetto WinCC attivato, il DowntimeMonitor raccoglie i valori dal campo e li classifica opportunamente, salvandoli nel proprio database relazionale (Microsoft SQL). I dati raccolti sono elaborati da algoritmi predefiniti o liberamente configurabili. Gli algoritmi già presenti in DowntimeMonitor sono, ad esempio, i seguenti: OEE = Availability * Performance * Quality Mean Time Between Failures MTBF Mean Time to Repair MTTR Productive Time, Cycle Time Downtime Loss, Speed Loss Mean Time Between Assists MTBA, Mean Time To Assists MTTA Total Effective Equipment Productivity TEEP, Effective Output Maintenance, Utilization Change Over, Occurrence Calculated Time TEEP = EquipmentUtilization x Performance Rate x Quality Rate Un generatore di formula permette poi di creare nuovi algoritmi utilizzando come operatori valori costanti, i macro periodi (es. Downtime Losses), le macro famiglie di stati (es. Manutenzione), i contatori (es. i pezzi fatti) e gli algoritmi predefiniti. Per la visualizzazione dei dati all interno di pagine grafiche di WinCC, il sistema mette a disposizione diversi controlli ocx. I dati sono gli stati degli apparati, i contatori ad essi associati o il risultato di un algoritmo selezionato. L intervallo temporale può essere assoluto legato ad un turno di lavoro. Tutti i controlli hanno le funzioni di esportazione (in formato csv) e di stampa. Table Viewer: visualizza in forma tabellare gli stati o i contatori, di uno o più apparati. Se l utente è autorizzato, ha la possibilità di editare i dati per modificare a posteriori gli stati, i tempi e i contatori. Gantt Viewer: suddivisi per apparato, i diversi stati macchina sono rappresentati graficamente nel tempo e raggruppati nelle rispettive macro famiglie di stati. Il sistema restituisce il tempo totale di permanenza in ciascuna famiglia o macro famiglia. La vista globale di più apparati permette di identificare le interdipendenze. KPI Viewer: visualizza un KPI di uno o più apparati sotto forma di trend, grafico a barre o Pareto. I dati possono essere raggruppati per cluster, ad esempio il cluster principale è l apparato ed il cluster secondario è un intervallo di un ora.
Con l utilizzo dell opzione WinCC WebNavigator, l analisi dei dati tramite queste viste può essere effettuata anche via web, in Internet o intranet. Inoltre i KPI possono essere calcolati anche automaticamente, in modo ciclico o one shot. Il calcolo ciclico è visualizzabile attraverso il KPI Viewer, mentre il valore one shot può essere associato ad una variabile di WinCC in modo che possa essere ulteriormente elaborato, archiviato o inserito in un report di produzione. Conclusioni SIMATIC WinCC DowntimeMonitor rappresenta un valido aiuto per il responsabile d impianto che deve prendere decisioni tese ad ottimizzare le risorse e ridurre gli sprechi. E una soluzione competitiva e poco invasiva, indirizzata a chi vuole aggiungere allo SCADA uno strumento semplice per analizzare la produttività del proprio impianto, senza stravolgere l automazione esistente. WinCC DowntimeMonitor non è un sostituto del MES, col quale è in grado di comunicare via OPC, e nel caso in cui il cliente decida di passare ad una soluzione MES completa con SIMATIC IT è possibile riutilizzare il progetto configurato per DowntimeMonitor. Per informazioni: domenico.leonetti@siemens.com