Koncepcja lokalnego systemu traceability dla przemysłu motoryzacyjnego

Na początku artykułu wyjaśniono pojęcie „traceability” − identyfikowalność − i jej znaczenie w przemyśle, a także szczegółowe funkcje lokalnego systemu traceability. W dalszej części artykułu opisano przykład zastosowania takiego systemu w przedsiębiorstwie z branży motoryzacyjnej (dostawca komponentów) z gniazdową formą organizacji produkcji. Podano schemat rozważanego gniazda produkcyjnego wraz z niezbędnym do funkcjonowania systemu sprzętem i oprogramowaniem. W dalszej części artykułu zamieszczono opis rozważanego systemu z punktu widzenia rodzaju i znaczenia wymienianych i rejestrowanych danych. Artykuł kończy się wnioskami dotyczącymi przyczyn stosowania oraz pożyteczności lokalnych systemów traceability.

Traceability – identyfikowalność i jej znaczenie w przemyśle

Angielskie określenie „traceability” oznacza „śledzenie ruchu i pochodzenia”. Można też tłumaczyć je jako „identyfikowalność”. Odnosi się do kompletności informacji o produkcie i każdym jego etapie produkcyjnym. Powszechnie przyjęta definicja brzmi: identyfikowalność to zdolność do chronologicznego wiązania ze sobą unikalnie identyfikowalnych jednostek (części, produktów) w weryfikowalny sposób. Inaczej mówiąc, identyfikowalność to zdolność do weryfikacji historii produktu, jego lokalizacji poprzez udokumentowaną identyfikację [1].

Dzisiejsze firmy znajdują się pod dużą presją, by zapewnić bezpieczeństwo i integralność swoich produktów oraz zgodność z coraz to bardziej zaostrzonymi przepisami prawa. Muszą także szybko reagować w przypadku zdarzeń takich jak wyprodukowanie wadliwych produktów. Poprzez utrzymywanie pełnego śledzenia swoich produktów, materiałów oraz komponentów potrzebnych do produkcji, firmy pokazują, że są odpowiedzialnymi uczestnikami wolnego rynku i wspierają bezpieczeństwo produktów oraz zasady zrównoważonego rozwoju [2].

Identyfikowalność jest warunkiem powodzenia i przetrwania przemysłu o produkcji dyskretnej na dzisiejszym rynku. Systemy produkcyjne stają się bardziej złożone, wymagane są coraz krótsze czasy rozwoju produktu, a przemysł wytwórczy ma do czynienia z ostrym wzrostem oczekiwań rynku w odniesieniu do jakości. Identyfikowalność umożliwia:

• przejrzystość we wszystkich etapach procesu produkcyjnego
• poprawę jakości produktów
• bardziej precyzyjne planowanie
• produkcję niezależną od ludzkiego błędu
• sprostanie rosnącym wymaganiom klientów
• spełnianie standardów producentów OEM i przepisów, jak również wymogów prawnych
• zmniejszenie ryzyka odpowiedzialności za produkt
• dokładne ustalenie przyczyny błędu (obecnie ryzyko wykorzystania w produkcji wadliwego komponentu jest tym większe, im bardziej upowszechnia się zlecanie produkcji na zewnątrz – outsourcing)
• zapobieganie utracie wizerunku przedsiębiorstwa.

W szczególności, identyfikowalność jest wymuszana w coraz większym stopniu przez producentów OEM w przemyśle motoryzacyjnym. Identyfikowalność jest także zagadnieniem poruszanym przez normy jakości i wytyczne. Wiele norm i standardów ustanowionych przez różne stowarzyszenia wśród wymagań dotyczących zgodności obejmuje również identyfikowalność (PN-EN ISO 9001:2009, ISO/TS 16949:2009 etc.) [3].

Firmy z branży motoryzacyjnej narażone są na nieustanną walkę o klienta, dlatego kluczową sprawą jest dla nich ciągłe doskonalenie jakości oferowanych produktów. Rosnąca konkurencja na rynku wymusza, by produkowane przez firmy branży motoryzacyjnej produkty były trwałe, niezawodne, estetyczne i konkurencyjne cenowo. Precyzyjne śledzenie jakości poszczególnych partii produkcyjnych oraz działania kontrolne muszą być prowadzone systematycznie i bardzo rygorystycznie – tylko wówczas firma może utrzymać bądź wzmocnić swoją pozycję rynkową [4].

Dzięki systematycznej rejestracji danych produkcyjnych w bazie danych można na bieżąco weryfikować historię produktu i na podstawie wykrytych i zarejestrowanych wad nie dopuścić wyrobu do dalszych procesów produkcyjnych.

Jednym z narzędzi pozwalającym na rygorystyczną kontrolę jakości są lokalne systemy traceability. Ich podstawową cechą jest zapewnienie komunikacji pomiędzy bazą danych a urządzeniami produkcyjnymi w celu archiwizacji danych produkcyjnych oraz blokowania wadliwych produktów, aby nie mogły być przekazane do dalszych procesów produkcyjnych. Komunikacja ta może być realizowana za pomocą firmowych sieci, protokołów komunikacyjnych przeznaczonych do konkretnych urządzeń lub coraz częściej z wykorzystaniem technologii OPC (ang. OLE for Process Control). Standardowe technologie OPC pozwalają uniezależnić się od urządzeń produkcyjnych. Komunikacja na bazie OPC znacznie ograniczyła nakłady pracy wymagane w fazie projektowej i wdrożeniowej systemu sterowania oraz spowodowała, że integracja systemu sterowania złożonego z urządzeń pochodzących od wielu producentów w jednorodne środowisko komputerowe stała się możliwa i prosta do wykonania [5].

Obecnie lokalne systemy traceability to systemy z reguły dedykowane. Trudno jest bowiem opracować i zastosować systemy uniwersalne w takich przypadkach, które cechują się bardzo indywidualnymi wymaganiami integracji danych i funkcjonalności. Systemy dedykowane nie tylko najlepiej rozwiązują najważniejsze problemy, ale również są optymalne ze względu na czas i koszty wdrożenia. Z bazy danych produkcyjnych tworzonej przez te systemy mogą korzystać systemy MES bądź ERP (rys. 1).

Dalej zostaną zaprezentowane cechy lokalnych systemów traceability oraz przykład zastosowania takiego systemu, rejestrującego genealogię produktu w zakresie lokalnym – linia lub gniazdo produkcyjne w przedsiębiorstwie, będącym poddostawcą komponentów motoryzacyjnych. Systemy takie mogą być również elementem wdrażanej w przedsiębiorstwach strategii Lean Manufacturing, w szczególności zaś metody Poka-Yoke (ang. mistake proofing, error proofing), która jest metodą zapobiegania wadom pochodzącym z błędów i pomyłek popełnionych przez brak koncentracji (nieuwagę).

W szczególności lokalny system traceability pozwala na:

• komunikację z urządzeniami produkcyjnymi
• wyświetlanie statusu operacji wytwarzania komponentów na stanowiskach produkcyjnych
• zapis do bazy danych informacji o produkowanych komponentach
• blokowanie do dalszego montażu komponentów w przypadku, gdy wcześniejsze operacje produkcyjne były niepoprawne lub nastąpiło powtórzenie etykiety identyfikującej komponent
• edycję danych dla typów produktów, które pojawiają się na naklejanych na produkt etykietach
• wydruk etykiet identyfikujących produkt
• przyporządkowywanie różnych formatów wydruku etykiet identyfikacyjnych do typu produktu
• odpytywanie bazy danych, przeglądanie i zapisywanie raportów o wyprodukowanych komponentach w postaci pliku odczytywanego np. przez MS Excel
• obszerne konfigurowanie systemu (w tym porty komunikacyjne, schemat zmian roboczych, dane gniazda produkcyjnego) z możliwością włączania i wyłączania blokowania wadliwych komponentów
• przeglądanie zdarzeń systemowych w dzienniku systemowym
• rejestrację i usuwanie uprawnionych użytkowników systemu
• ochronę dostępu do systemu przy pomocy hasła lub sprzętowego klucza dostępu
• obsługę w trybie dotykowym z wirtualną klawiaturą.

Przykład zastosowania

Analizowane przedsiębiorstwo z branży motoryzacyjnej (dostawca komponentów) charakteryzuje się gniazdową formą organizacji produkcji. Stanowiska robocze zostały dobrane odpowiednio do wyznaczonych zadań. W gniazda produkcyjne zgrupowane zostały maszyny pod kątem pełnionych określonych funkcji. Wykonują one pracę w granicach specjalizacji przedmiotowej. Gniazdo produkcyjne obejmuje cały wyodrębniony proces powstawania produktu. Materiał niezbędny do wytwarzania produktu wchodzi do gniazda, przepływa przez nie, poddawany jest operacjom technologicznym i opuszcza je w postaci gotowego produktu.

W analizowanym gnieździe produkcyjnym (rys. 2) automat spawalniczy drukuje dla każdego wyprodukowanego komponentu unikalną etykietę, która jest naklejana na komponent i służy do jego identyfikacji. Komponent trafia na stanowisko montażu wstępnego Montaż 0. Maszyna przed rozpoczęciem cyklu odczytuje (skanuje) kod kreskowy na etykiecie spawalniczej za pomocą skanera stacjonarnego. Na podstawie informacji (numeru referencyjnego wyrobu) stanowisko ustala program pracy. Zmontowany komponent trafia do procesu lakierowania poza gniazdem. Po polakierowaniu komponent wraca do gniazda i zostaje ostatecznie zmontowany na trójstanowiskowej linii montażu (opartej na systemie paletowym wykorzystującym system identyfikacji RFID z rodziny MOBY firmy Siemens, który zapewnia szybką, bezpieczną oraz efektywną identyfikację obiektów w trudnych warunkach przemysłowych i umożliwia przechowywanie informacji bezpośrednio na palecie z produktem). Poszczególne stanowiska to

• Montaż 1: skanowanie etykiety spawalniczej, ustalanie programu na podstawie numeru referencyjnego, montaż niezbędnych elementów
• Montaż 2: przykręcanie elementów
• Montaż 3: montaż końcowy, skanowanie etykiety spawalniczej i drukowanie etykiety finalnej, która jest naklejana ręcznie na etykietę spawalniczą.

Na końcu procesu znajduje się stanowisko kontroli ostatecznej, gdzie dokonuje się końcowych oględzin produktu i skanowania etykiety finalnej na znak przeprowadzonej kontroli z wynikiem pozytywnym. W gnieździe montuje się około 800 produktów dziennie. Dane produkcyjne muszą być przechowywane przez okres 15 lat. Ponieważ okres pomiędzy procesami Montaż 0 a Montaż 1 może być różny ze względu na pośredniczący proces lakierowania i aby umożliwić szybki proces decyzyjny w systemie, dane o wyniku procesów są gromadzone w osobnych tabelach bazy danych – dla produktów gotowych i produktów w trakcie produkcji – oraz w uproszonej tabeli, tylko z danymi z wynikami przeprowadzonych operacji montażowych, która jest odpytywana za każdym razem, gdy ma być montowany nowy produkt.

Wszystkie maszyny w gnieździe produkcyjnym są sterowane przez układy Siemens S7-300 wyposażone w moduł komunikacyjny Simatic NET CP343-1, natomiast stanowiska Montaż 0 oraz Montaż 1 są wyposażone w stacjonarny skaner kodów kreskowych. Linia na końcu (Montaż 3) jest wyposażona w skaner ręczny oraz drukarkę etykiet (do wydruku etykiety finalnej).

Zainstalowany system traceability służy do:

• archiwizacji w bazie danych MySQL parametrów kontrolnych procesu z pomiaru przystanowiskowego zebranych z maszyn za pośrednictwem sieci Ethernet, takich jak: oznaczenie stanowiska, oznaczenie linii produkcyjnej, kod etykiety spawalniczej, kod etykiety finalnej, numer sztuki, data montażu na poszczególnych stanowiskach wraz z wynikiem montażu (OK/NOK), data montażu ostatecznego, wartość momentu oraz kąta dokręcania
• blokowania wadliwych produktów do dalszych procesów
• drukowania etykiet finalnych.

Wydruk następuje po zeskanowaniu skanerem ręcznym etykiety spawalniczej produktu. System umożliwia drukowanie etykiety finalnej na podstawie etykiety spawalniczej oraz danych zgromadzonych w systemie (etykieta finalna może być drukowana tylko dla sztuki, która miała status OK na wszystkich stanowiskach). Na stanowisku Kontrola ostateczna skanowana jest etykieta finalna, jako wynik pozytywnego przejścia przez produkt kontroli ostatecznej. W bazie danych zapisywana jest wówczas informacja o pozytywnej kontroli ostatecznej produktu (OK). System umożliwia eksport danych z bazy do formatu MS Excel z określeniem czasookresu danych eksportowanych. Jedną z najważniejszych funkcji systemu (oprócz rejestracji danych produkcyjnych) jest zapewnienie prawidłowego przepływu części, tzn. na kolejnym stanowisku może zostać zmontowana sztuka tylko wtedy, gdy na wszystkich poprzednich stanowiskach miała status OK. System jest zintegrowany z serwerem OPC firmy Woodhead (aplikacja DirectLink 3.9). Podstawowym zadaniem serwera danych OPC (tzw. OPC Data Access Server) jest wymiana danych pomiędzy urządzeniem automatyki przemysłowej, takim jak: PLC, IPC, a aplikacją klienta OPC [5]. Dzięki temu system pozyskuje dane produkcyjne, a także steruje blokowaniem stanowisk. Aby system funkcjonował według założeń, sterowniki PLC muszą mieć zainstalowany odpowiedni program pozwalający na wymianę właściwych danych (np. numeru identyfikacyjnego produktu) oraz możliwość blokowania stanowiska aż do odwołania. Dlatego też wdrażanie lokalnego systemu traceability na funkcjonujących już liniach produkcyjnych wymaga nieraz żmudnych badań oraz modyfikacji oprogramowania w sterownikach PLC. Oprogramowanie śledzące, serwer OPC oraz serwer bazy danych w opisywanym systemie zainstalowane zostały na PC panelowym firmy Pro-face. Oprogramowanie systemu jest zgodne z Windows XP. Dostęp do funkcjonalności systemu jest możliwy poprzez system kontroli dostępu EKS firmy Euchner, w którym rolę logowania użytkownika spełnia sprzętowy klucz dostępu oraz specjalizowany czytnik sprzężony z oprogramowaniem systemu traceability. System wyposażony jest w interfejs użytkownika, który umożliwia wyświetlanie statusu operacji montażu komponentów na stanowiskach produkcyjnych (rys. 3).

Teraz przechodzimy do opisu systemu ze względu na rodzaj i znaczenie wymienianych i rejestrowanych danych. Zakres funkcjonowania opisywanego systemu śledzenia rozpoczyna się od skanowania unikalnego numeru referencyjnego z etykiety spawalniczej przez operatora na stanowisku Montaż 0 za pomocą skanera stacjonarnego. System śledzenia sprawdza, czy skanowany unikalny numer referencyjny nie został już zarejestrowany (czyli czy produkt o identycznym numerze nie był już produkowany). Jeżeli numery powtarzają się, sterownik PLC na stanowisku Montaż 0, otrzymując zakaz montażu, blokuje wykonanie operacji (rys. 4). W przypadku, gdy numer referencyjny skanowanego produktu nie został już wcześniej zarejestrowany w systemie śledzenia, sterownik PLC, otrzymując z systemu zezwolenie na montaż, pozwala na wykonanie operacji. Po wykonaniu operacji wynik (pozytywny lub negatywny), pobrany ze sterownika PLC, zapisywany zostaje w bazie danych SQL systemu śledzenia i przypisany do numeru referencyjnego montowanego produktu.

Kolejnym etapem opisywanego procesu produkcji (po lakierowaniu) jest trzystanowiskowa linia montażowa. Proces rozpoczyna się od stanowiska Montaż 1. Dopiero po zakończeniu operacji na tym stanowisku skanowany jest numer referencyjny na etykiecie spawalniczej za pomocą skanera stacjonarnego. System śledzenia sprawdza, czy skanowany unikalny numer referencyjny nie został już zarejestrowany w bazie danych SQL. Następnie system śledzenia sprawdza, czy operacja na stanowisku Montaż 0 dla danego produktu powiodła się. Jeżeli numery powtarzają się lub poprzednia operacja nie udała się, sterownik PLC na stanowisku Montaż 1 uniemożliwia przesunięcie produktu przez pracownika do stanowiska Montaż 2 linii montażowej, zgłaszając na panelu operatorskim tzw. błąd referencji. W przypadku pozytywnej weryfikacji, po wykonaniu operacji, wynik (pozytywny lub negatywny), pobrany ze sterownika PLC, zapisywany jest w bazie danych SQL systemu śledzenia i przypisany do numeru referencyjnego montowanego produktu, natomiast pracownik, jeżeli wynik operacji był pozytywny, może przesunąć produkt do stanowiska Montaż 2.

Po wykonaniu operacji montażowych na stanowiskach Montaż 2 (rejestrowany jest wynik przykręcania elementów produktu) oraz Montaż 3, produktu nie można usunąć z linii montażowej dopóty, dopóki nie zostanie zeskanowana etykieta finalna produktu. Etykieta finalna drukowana jest po zeskanowaniu etykiety spawalniczej pod warunkiem, że wszystkie operacje były zrealizowane bez błędów (w przypadku odmowy drukowania etykiety finalnej przez system, na ekranie komputera PC pojawia się komunikat z informacją o przyczynie braku wydruku etykiety finalnej) lub że pracownik zażądał wydruku etykiety finalnej. Pracownik nakleja bezpośrednio na etykietę spawalniczą wydrukowaną etykietę finalną, po czym skanuje ją przy pomocy skanera ręcznego, aby zasygnalizować wykonanie kontroli ostatecznej oraz wyjście z systemu zmontowanego produktu (następuje zapis w bazie danych SQL systemu śledzenia wyniku kontroli ostatecznej przypisanego do numeru referencyjnego produktu). Na wydruku etykiety finalnej kończy się zakres funkcjonowania opisywanego systemu śledzenia.

W opracowywanej wersji systemu standardowo nie dopuszcza się do możliwości poprawy błędnie wykonanej operacji. Jednorazowe wystąpienie błędu eliminuje produkt z kolejnych operacji. Domyślnie zabrania się, aby błędnie zmontowany produkt powrócił na stanowisko do poprawienia błędnie wykonanej operacji, chyba że uprawniony użytkownik wyłączy funkcję blokowania wadliwych produktów.

Wadą takiego rozwiązania jest to, że gdy z powodu zakłóceń lub innych zdarzeń losowych nastąpi brak komunikacji pomiędzy komputerem głównym a sterownikami PLC, montaż produktów zostaje wstrzymany.

Podsumowanie

Obecnie firmy są zmuszone do zwiększania wydajności aby sprostać międzynarodowej konkurencji. Skuteczne zarządzanie i długofalowy sukces w produkcji dyskretnej wymaga od firm obniżenia kosztów produkcji oraz unikania kosztownych i szkodliwych kampanii wycofywania wadliwych serii produkcyjnych, które psują markę przedsiębiorstwa. Identyfikowalność zatem jest ważnym i istotnym elementem we wszystkich procesach produkcyjnych. Lokalne systemy traceability stanowią ważne ogniwo w zapewnianiu wysokiej jakości produkcji w przedsiębiorstwach oraz jako możliwa baza funkcjonowania systemów MES oraz ERP.

Bibliografia

1. Traceability - Wikipedia, the free encyclopedia
2. SAP - Supply Chain and Product Traceability Software
3. Traceability optimized - European Trace Days 2007 
4. Informatyka motorem sukcesu - ERP -view.pl - System ERP, CRM, ERP, Business Intelligence, MRP
5. Skura K., Smalec Z.: Integracja systemów informatycznych w automatyzacji procesów produkcyjnych. PAR 7-8/2005, s. 6-11.

dr inż. Jarosław Chrobot, mgr inż. Mariusz Mrzygłód, dr inż. Krzysztof Skura