Integracja maszyn z systemami ERP/MES: jakie dane gromadzić i jak zaplanować wdrożenie

Integracja maszyn z systemami ERP/MES umożliwia automatyczne przekazywanie informacji dotyczących produkcji, przestojów, braków i zużycia materiałów. Sam odczyt ze sterownika nie zapewnia jednak wiarygodnego raportu. Dane należy jeszcze przypisać do maszyny, czasu, zlecenia i produktu.

Ten poradnik pomoże Ci określić zakres integracji, wybrać sposób komunikacji oraz przygotować projekt pilotażowy, który pozwoli sprawdzić jakość danych przed podłączeniem kolejnych linii.

Lista sygnałów dostępnych w sterowniku PLC nie powinna wyznaczać zakresu projektu. Najpierw należy ustalić, jaką decyzję ma ułatwić system.

Cel może dotyczyć:

Kierownik produkcji potrzebuje informacji na temat przebiegu zlecenia, zespół utrzymania ruchu analizuje alarmy i przestoje, a dział jakości sprawdza, czy wyniki kontroli mają związek z parametrami procesu.

Gromadź dane, które pomagają w podejmowaniu decyzji. Duża liczba odczytów nie poprawi jakości sprawozdawczości, jeśli nikt nie wie, do czego mają służyć.

Najczęstszy przebieg przepływu informacji składa się z czterech etapów:

Sterownik przekazuje informacje dotyczące pracy urządzenia, system MES powiązuje je ze zleceniem, produktem, partią i operacją, a system ERP wykorzystuje te dane do planowania, gospodarki materiałowej oraz rozliczania produkcji.

Taki podział jest zgodny z modelem ISA-95. Standard ten określa granicę między sterowaniem procesami, zarządzaniem operacjami produkcyjnymi oraz systemami biznesowymi przedsiębiorstwa.

Podstawowy zakres obejmuje zazwyczaj osiem grup informacji:

Nie zawsze potrzebny jest cały zestaw. Do pilotażu często wystarczy od pięciu do dziesięciu dobrze opisanych sygnałów.

Na przykład podczas analizy krótkich przestojów potrzebne są: stan maszyny, czas zmiany stanu, licznik cykli, aktywne zlecenie oraz kod przyczyny wprowadzony przez operatora.

Wartość RUN = 1 potwierdza, że sterownik oznaczył maszynę jako pracującą. Urządzenie może wówczas produkować, przeprowadzać serię próbną, przechodzić regulację lub pracować bez materiału.

Odczyt przeznaczony do celów sprawozdawczych powinien zawierać:

Zużycie na poziomie 18 kWh będzie miało znaczenie dopiero po przypisaniu go do konkretnej maszyny, okresu, zlecenia oraz liczby wyprodukowanych sztuk.

Każda informacja powinna pochodzić z jednego źródła i mieć jasno wskazanego właściciela: zlecenie zazwyczaj powstaje w systemie ERP, za jego realizację odpowiada system MES, a sterownik PLC przekazuje informacje o stanie maszyny. Taki podział ogranicza ryzyko, że dwa systemy wyświetlą różną liczbę sztuk bez wad.

Temperaturę zbiornika lub pobór energii można sprawdzać w ustalonych odstępach czasu. Zakończenie cyklu, alarm, zmianę stanu oraz wynik kontroli jakości lepiej rejestrować w momencie ich wystąpienia.

Zbyt rzadki odczyt może pominąć kilkusekundowy postój, natomiast zbyt częsty obciąża sterownik i sieć, choć nie poprawia jakości raportu.

Dla każdego sygnału określ:

Sterownik PLC, system wizyjny, moduł przy maszynie oraz system MES powinny korzystać ze wspólnego czasu. Protokół NTP służy do synchronizacji zegarów urządzeń sieciowych. Protokół PTP zapewnia większą dokładność, o ile obsługują go urządzenia i infrastruktura zakładu.

Sterownik PLC wskazuje 12 480 cykli. Poprzedni odczyt wynosił 12 300, więc system MES dopisuje 180 sztuk.

Po ponownym uruchomieniu sterownika licznik wraca do zera. Kolejny odczyt wynosi 40. Bez opisanej reguły system może pominąć nowe sztuki, zapisać wynik ujemny lub ponownie doliczyć wcześniejszą produkcję.

Prawidłowa integracja zapisuje wartość licznika wraz z czasem oraz informacją o ponownym uruchomieniu sterownika PLC. Moduł przy maszynie przechowuje dane w przypadku awarii sieci, a po przywróceniu połączenia wysyła je wraz z pierwotnym czasem zdarzenia.

Dlatego test integracji musi obejmować ponowne uruchomienie sterownika, przerwę w działaniu sieci oraz ponowne przesłanie tych samych informacji.

Wybór zależy od wieku urządzenia, dostępnej dokumentacji, rodzaju danych oraz liczby systemów, które mają je otrzymywać.

OPC UA może przesyłać wartości, alarmy, zdarzenia oraz opis struktury urządzenia. System MES lub SCADA może monitorować wybrane dane zamiast nieustannie wysyłać zapytania do całego sterownika.

Standard obejmuje mechanizmy uwierzytelniania, szyfrowania oraz zabezpieczania wiadomości przed zmianą treści. Zabezpieczenia działają dopiero po prawidłowym skonfigurowaniu kont, certyfikatów i uprawnień.

Protokół Modbus udostępnia wartości za pośrednictwem rejestrów, wejść i cewek. Sam adres nie wyjaśnia znaczenia danych. Rejestr może oznaczać temperaturę, licznik lub alarm, w zależności od dokumentacji producenta.

Mapa rejestrów powinna zawierać adres, typ danych, jednostkę, skalę, zakres oraz zachowanie po ponownym uruchomieniu. Błąd w kolejności bajtów lub współczynniku przeliczeniowym może dać wynik, który wygląda wiarygodnie, ale jest nieprawidłowy.

MQTT przesyła wiadomości za pośrednictwem centralnego serwera zwanego brokerem. Moduł przy linii publikuje informacje, a system MES, narzędzia analityczne lub inne aplikacje odbierają interesujące je tematy.

Firma musi wcześniej ustalić nazwy tematów, format wiadomości, jednostki oraz sposób obsługi powtórzeń. MQTT to standard oparty na modelu publikowania i subskrypcji.

OPC UA i MQTT mogą działać razem. Moduł odczytuje dane z maszyny za pośrednictwem OPC UA, a następnie przekazuje wybrane zdarzenia do kilku systemów za pośrednictwem MQTT.

Zacznij od sprawdzenia modelu sterownika PLC, CNC oraz panelu operatorskiego. Potrzebne będą również informacje dotyczące portów komunikacyjnych, oprogramowania sterownika, istniejących liczników oraz ograniczeń serwisowych.

Odczyt z obecnego sterownika PLC wymaga najmniejszej ingerencji. Jeśli sterownik nie udostępnia danych, można skorzystać z:

Czujnik wykryje ruch maszyny lub obecność produktu. Nie rozpozna zlecenia i nie poda przyczyny zatrzymania. Operator może uzupełnić te informacje, wybierając zlecenie i prosty kod zdarzenia.

Integracja maszyn z systemem MES nie powinna ingerować w sterowanie bez wyraźnej potrzeby. Odczyt danych oraz wysyłanie receptur lub poleceń wymagają odrębnych uprawnień, testów i odpowiedzialności.

Z systemu ERP do systemu MES trafiają zazwyczaj:

MES przekazuje do systemu ERP:

Szczegółowe alarmy, wykresy temperatury i kilkusekundowe przerwy w pracy zazwyczaj pozostają w systemie MES, SCADA lub bazie danych historycznych. System ERP potrzebuje wyników do celów planowania i rozliczeń, a nie każdego odczytu z sterownika PLC.

Bezpośrednia integracja maszyn z systemem ERP sprawdzi się w przypadku pojedynczego, stałego zdarzenia, na przykład potwierdzenia przejazdu palety. Rozliczenie całego procesu wymaga już informacji o zleceniu, pełnych sztukach, brakach, zmianie produktu i korektach. Takie reguły powinny znajdować się w jednym miejscu, najczęściej w systemie MES.

Sterowniki PLC, systemy SCADA i panele operatorskie nie powinny być dostępne bezpośrednio z Internetu. CERT Polska zwraca uwagę, że publicznie dostępne systemy ICS i OT są celem ataków, które mogą mieć wpływ na rzeczywiste urządzenia i procesy.

Projekt powinien obejmować:

Awaria systemu MES, ERP lub systemu raportowania nie może uniemożliwić sterowania linią produkcyjną. Wytyczne NIST dotyczące technologii operacyjnej (OT) podkreślają, że zabezpieczenia muszą uwzględniać dostępność, niezawodność i bezpieczeństwo procesu.

Dobry projekt pilotażowy obejmuje jedną linię, jeden mierzalny problem i niewielki zestaw sygnałów.

Faza pilotażowa powinna zakończyć się ustaleniem, czy dane są wystarczająco dokładne, ile kosztuje podłączenie kolejnej maszyny oraz kto będzie odpowiedzialny za utrzymanie połączeń.

Najłatwiej zacząć od czasu poświęcanego na sporządzanie raportów ręcznie.

Osiem osób poświęca na to po 25 minut dziennie. Przy 22 dniach roboczych daje to około 73 godzin miesięcznie. Przy pełnym koszcie godziny wynoszącym 80 zł sporządzanie raportów kosztuje około 5867 zł miesięcznie.

Do zestawienia dodaj czas poświęcony na:

Wynik po uruchomieniu należy porównać z okresem poprzedzającym fazę pilotażową. W przeciwnym razie trudno będzie oddzielić efekt integracji od zwykłych zmian wielkości produkcji.

Połączenie jednej maszyny z jednym systemem może funkcjonować bez oddzielnej warstwy pośredniej. Sytuacja zmienia się, gdy zakład korzysta z wielu marek sterowników PLC, posiada kilka linii produkcyjnych, stosuje różne protokoły i ma więcej niż jednego odbiorcę danych.

Wspólna warstwa może wówczas:

W takim układzie rozwiązanie explitia.Integration może odpowiadać za wymianę informacji między produkcją, systemem ERP i innymi aplikacjami działającymi w zakładzie.

Dobra integracja pozwala ustalić, skąd pochodzi każda wartość, kiedy została zapisana, do którego zlecenia się odnosi oraz co się z nią działo podczas awarii sieci lub ponownego uruchomienia sterownika PLC.

Na pierwsze spotkanie z automatyką, informatyką i integratorem przygotuj jedno zadanie do rozwiązania, listę od pięciu do dziesięciu sygnałów oraz scenariusze testowe. Zakres ten pozwoli ustalić, czy wystarczy obecny sterownik, czy też może potrzebny będzie moduł pośredniczący, dodatkowy czujnik lub wspólna warstwa komunikacyjna.

Nie. Dane można pobierać za pośrednictwem protokołu Modbus, systemu SCADA, serwera OPC, interfejsu producenta, modułu pośredniczącego lub dodatkowych wejść i wyjść.

OPC UA dobrze opisuje dane dostępne w maszynie. MQTT sprawdza się przy przesyłaniu komunikatów do kilku systemów. Oba protokoły mogą działać w ramach jednej instalacji.

Nie. System SCADA nadzoruje proces i zbiera sygnały z automatyki. System MES łączy je z zleceniem, produktem, materiałem i wynikiem produkcji.

Tak. Można zamontować licznik impulsów, czujnik detalu, miernik energii albo moduł wejść i wyjść. Zakres informacji będzie wtedy mniejszy.

Z linii produkcyjnej, na której występuje mierzalny problem, wraz z dostępną dokumentacją i osobą odpowiedzialną za wynik. W ramach testów pilotażowych należy sprawdzić normalną produkcję, zmianę zlecenia, awarię sieci oraz ponowne uruchomienie sterownika.