Akwizycja i wizualizacja danych w procesach przemysłowych · ćwiczenia 2

Od danych do decyzji

OEE · energia na sztukę · Pareto postojów · jakość danych · karta kontrolna · dashboardy · alarmy

Zarządzanie i inżynieria produkcji · IV rok · specjalność: Inżynier procesu · studia niestacjonarne · mgr inż. M. Okarmus

Plan

Dziś: 15:00–18:15

15:00–15:45

5. OEE i energia

Dostępność, wydajność, jakość. OEE z raportu zmiany. Energia na sztukę.

15:45–16:30

6. Analiza postojów

Wykres Pareto: czas czy liczba zdarzeń? Zadania z OEE. Pułapki wskaźników.

16:45–17:30

7. Czy danym można ufać?

Typowe błędy w danych. Znajdź błędy. Karta kontrolna: kiedy reagować.

17:30–18:15

8. Wizualizacja

Kto patrzy na dane, dobór wykresu, zasady HMI, alarmy. Projekt dashboardu.

16:30–16:45 przerwa

Raport zmiany Pakowaczki 01 (slajd 3) — 11 840 dobrych, 212 złych, 401 min pracy, 79 min postojów, 96 kWh — dziś zamienimy na wskaźniki i decyzje.

Karta zadań: rozwiązujecie ją przy slajdach „Zadania dla Was”, poprawiacie po omówieniu i oddajecie podpisaną na koniec zajęć (potwierdza obecność i aktywność). Ocena z ćwiczeń = projekt grupowy: dashboard (dzisiaj, na koniec zajęć); warunek: karty oddane.

Punkt wyjścia: raport zmiany

Jak z tysięcy rekordów powstaje kilka liczb w raporcie

Raport zmiany I (6:00–14:00) — Pakowaczka 01

Kliknij wiersz raportu → po prawej: z jakiego tagu, ile rekordów i jak policzono.

tag w historianie
rekordów w zmianie
reguła (agregacja)

Historian = przemysłowa baza szeregów czasowych (np. AVEVA PI, Ignition, InfluxDB). Przechowuje surowe rekordy latami i liczy z nich agregaty dla dowolnego okresu: różnicę licznika, czas w stanie, min / średnią / max.

Raport zmiany nie pokazuje surowych danych, tylko agregaty — kilka liczb policzonych z tysięcy rekordów zapisanych w historianie (przemysłowej bazie szeregów czasowych). Każdy wiersz powstaje z innego typu tagu inną regułą:

licznik sztuk → stan licznika na koniec zmiany − stan na początku,
stan maszyny → suma czasów w każdym stanie oraz liczba przejść praca → postój,
wielkość analogowa (temperatura) → minimum, średnia ważona czasem, maksimum,
licznik energii → różnica stanu licznika kWh; na sztukę — podzielona przez liczbę sztuk.

Na slajdzie: kliknij wiersz raportu — po prawej pojawia się tag, liczba rekordów w zmianie, reguła i wykres z całej zmiany (np. dla licznika: wartości na początku i końcu; dla stanu: oś czasu z ponumerowanymi postojami; dla temperatury: przebieg z liniami min / średnia / max).

Ważne: ta sama zmiana może dać różne liczby zależnie od reguły — np. czy zatrzymanie krótsze niż 2 min liczyć jako postój. Reguły trzeba ustalić i zapisać, zanim zacznie się porównywać zmiany i linie. Z liczb tego raportu liczymy na kolejnych slajdach OEE i energię na sztukę.

Blok 5 · OEE — całkowita efektywność wyposażenia

OEE = dostępność × wydajność × jakość

Dostępność (A)

A = czas pracy / czas planowany

Straty: awarie, przezbrojenia, braki materiału — maszyna stoi.

Wydajność (P)

P = sztuki wyprodukowane / sztuki możliwe w czasie pracy

Straty: mikropostoje, praca wolniej niż nominalnie — maszyna pracuje, ale za wolno.

Jakość (Q)

Q = sztuki dobre / sztuki wyprodukowane

Straty: braki, poprawki, odpad przy rozruchu — maszyna wyprodukowała, ale źle.

Sprawdzenie jednym wzorem: OEE = sztuki dobre × czas cyklu idealnego / czas planowany. Jako punkt odniesienia często podaje się 85% („poziom światowy” wg S. Nakajimy), typowo w zakładach: 40–65%.

OEE (ang. Overall Equipment Effectiveness, całkowita efektywność wyposażenia) pochodzi z TPM (Total Productive Maintenance, S. Nakajima). Mówi, jaka część czasu planowanego została zamieniona na dobre sztuki produkowane z prędkością idealną.

Trzy czynniki odpowiadają trzem rodzajom strat:

A — dostępność: maszyna stoi (awarie, przezbrojenia, brak materiału),
P — wydajność: maszyna pracuje, ale za wolno (mikropostoje, praca poniżej prędkości nominalnej),
Q — jakość: maszyna wyprodukowała, ale źle (braki, poprawki, odpad przy rozruchu).

Najważniejsza jest struktura strat, a nie sama liczba OEE — wskazuje, gdzie szukać poprawy.

Warto wiedzieć: 85% to wartość orientacyjna z literatury TPM (ok. 90% × 95% × 99,9%). OEE różnych zakładów i maszyn rzadko da się wprost porównać, bo różnią się definicje czasu planowanego i cyklu idealnego — więcej na slajdzie 11. Najbardziej wartościowe jest porównanie tej samej maszyny w czasie.

Przykład krok po kroku

OEE z raportu zmiany (slajd 3)

Raport zmiany I — Pakowaczka 01

czas planowany (zmiana bez przerw planowanych)	480 min
czas pracy / postojów	401 / 79 min
wydajność nominalna (cykl idealny 1,5 s)	40 szt./min
sztuki dobre / złe	11 840 / 212

Oblicz A, P, Q i OEE.

A = 401 / 480 = 83,5%
sztuki możliwe w czasie pracy: 401 min · 40 szt./min = 16 040 szt.
wyprodukowano: 11 840 + 212 = 12 052 szt. → P = 12 052 / 16 040 = 75,1%
Q = 11 840 / 12 052 = 98,2%
OEE = 0,835 · 0,751 · 0,982 = 61,7%
Sprawdzenie: 11 840 · 1,5 s / (480 · 60 s) = 17 760 / 28 800 = 61,7% ✔
Wniosek: największa strata to wydajność (25%) — mikropostoje i spowolnienia, nie awarie.

Rachunek (dane z raportu zmiany):

A = czas pracy / czas planowany = 401 / 480 = 83,5%,
P = wyprodukowane / możliwe w czasie pracy = 12 052 / (401 · 40) = 75,1%,
Q = dobre / wyprodukowane = 11 840 / 12 052 = 98,2%,
OEE = 0,835 · 0,751 · 0,982 = 61,7%.

Sprawdzenie jednym wzorem: OEE = sztuki dobre × czas cyklu idealnego / czas planowany = 11 840 · 1,5 s / 28 800 s = 61,7%.

Wniosek: intuicyjnie za głównego winowajcę uważa się awarie, bo są najbardziej widoczne. Dane pokazują co innego — największa strata (ok. 25%) to wydajność: kilkanaście mikropostojów i praca wolniej niż nominalnie.

Uwaga na czas planowany: tu zmiana 480 min bez przerw planowanych. Jeśli w zakładzie obowiązuje np. 30-minutowa przerwa, czas planowany wynosi 450 min. Taką regułę trzeba ustalić i stosować konsekwentnie.

Kalkulator OEE

Gdzie ucieka czas zmiany

postoje [min] wyprodukowano [szt.] braki [szt.]

A =

P =

Q =

OEE =

Czas planowany 480 min, wydajność nominalna 40 szt./min.

Energia na sztukę

Dlaczego postoje podnoszą koszt energii każdej sztuki

postoje [min] moc w postoju [kW]

energia w zmianie:

sztuki dobre:

energia na dobrą sztukę:

Moc podczas pracy 13,7 kW; w czasie pracy 30 szt./min, 98,2% dobrych. W postoju maszyna nadal pobiera energię (grzałki zgrzewu, sterowanie, sprężone powietrze).

Z raportu zmiany (slajd 3): 96 kWh / 11 840 dobrych sztuk ≈ 8,1 Wh na dobrą sztukę. Wskaźnik łączy OEE z kosztami — i z wymaganiami raportowania zużycia energii.

Blok 6 · analiza postojów

Wykres Pareto: od czego zacząć poprawę

Postoje Pakowaczki 01 — tydzień (5 dni, 3 zmiany)

Zasada Pareto (80/20): kilka przyczyn odpowiada za większość strat. Słupki malejąco + linia skumulowana; przyczyny do lewej od 80% atakujemy najpierw.

Zadania dla Was · ok. 8 min

Zadania 1–2: OEE wtryskarki

Dane — jedna zmiana

długość zmiany	480 min (8 h)
przerwa planowana (nie wlicza się do czasu planowanego)	30 min
postoje nieplanowane	45 min
cykl idealny (1 sztuka na cykl)	30 s
wyprodukowano	640 szt.
w tym braki	32 szt.

1. Oblicz A, P, Q i OEE.

2. Która strata jest największa? Jakie dane z maszyny pomogą znaleźć jej przyczynę?

Rozwiązanie krok po kroku

czas planowany = 480 − 30 = 450 min
czas pracy = 450 − 45 = 405 min → A = 405 / 450 = 90%
cykl 30 s = 2 szt./min → możliwe: 405 · 2 = 810 szt. → P = 640 / 810 = 79,0%
Q = (640 − 32) / 640 = 608 / 640 = 95%
OEE = 0,90 · 0,79 · 0,95 ≈ 67,5%
sprawdzenie: 608 szt. · 30 s / (450 · 60 s) = 18 240 / 27 000 ≈ 67,5% ✔
zad. 2: największa strata — wydajność (21%). Potrzebne dane: rzeczywisty czas każdego cyklu i krótkie zatrzymania z dokładnym czasem.

Zadania dla Was · ok. 7 min

Zadania 3–4: od czego zacząć i ile kosztuje postój

3. Pareto — czas czy liczba zdarzeń?

Postoje w tygodniu:

przyczyna	zdarzeń	minut
A	4	120
B	40	60
C	2	90

Którą przyczynę atakujesz najpierw, jeśli celem jest:
a) poprawa dostępności, b) odciążenie operatora?

odpowiedź

a) A (najwięcej minut), potem C
b) B — 40 przerw w pracy (mikropostoje)

4. Energia na sztukę

moc podczas pracy	12 kW
moc w postoju	4 kW
zmiana / czas pracy	480 / 420 min
sztuki dobre	12 600

a) Ile energii zużyła maszyna w zmianie? b) Ile Wh na dobrą sztukę? c) Ile, gdyby wyłączać maszynę na czas postojów?

odpowiedź

a) 12 kW · 7 h + 4 kW · 1 h = 88 kWh
b) 88 000 Wh / 12 600 ≈ 6,98 Wh/szt.
c) 84 kWh / 12 600 ≈ 6,67 Wh/szt. (ok. 4,5% mniej)

Dyskusja

Pułapki wskaźników: jak „poprawić” OEE bez poprawy produkcji

1. Czas planowany

Przezbrojenia i przeglądy „przeniesione” do postojów planowanych znikają z dostępności. OEE rośnie, produkcja — nie.

2. Cykl idealny

Wpisanie wolniejszego „idealnego” cyklu podnosi wydajność na papierze. Cykl idealny = maksymalny konstrukcyjny lub najlepszy osiągnięty, nie „średni”.

3. Porównywanie maszyn

Różne maszyny, produkty i reguły → OEE nieporównywalne. Porównuj tę samą maszynę w czasie, przy tych samych regułach.

Wskaźnik jest tak dobry jak dane i reguły, z których powstaje. Reguły (co jest postojem planowanym, jaki cykl idealny, od ilu sekund liczymy postój) trzeba spisać i nie zmieniać po cichu.

Blok 7 · jakość danych

Typowe błędy w danych z produkcji

błąd	jak wygląda	typowa przyczyna	co zrobić
luka	brak rekordów przez pewien czas	przerwa w komunikacji, restart serwera	oznaczyć jako brak; nie interpolować długich luk
zamrożona wartość	idealnie stała wartość przez długi czas	zerwane połączenie, system powtarza ostatnią wartość	wykrywać „zero zmian”; sprawdzić jakość tagu
pojedynczy skok	jeden punkt fizycznie niemożliwy	zakłócenie, błąd transmisji	filtr zakresu i szybkości zmian
zero zamiast awarii	spadek do 0 lub minimum zakresu	przerwa w przewodzie (zwłaszcza 0–10 V)	używać jakości „Bad”; nie liczyć do średnich
złe skalowanie	wartości przesunięte lub w złej skali od pewnej chwili	wymiana czujnika, zmiana zakresu przetwornika	porównać z pomiarem kontrolnym; poprawić skalowanie
licznik maleje	licznik spada do małej wartości	restart sterownika, przepełnienie licznika	liczyć przyrosty z obsługą resetu
problemy z czasem	duplikaty, godzina dwa razy, przesunięcie	zmiana czasu, nieustawiony zegar sterownika	przechowywać czas w UTC; synchronizacja zegarów (NTP)

Znajdź błędy

Temperatura zbiornika — jedna doba z historiana

Proces: zbiornik ok. 60–66 °C, temperatura zmienia się powoli. Ile błędów widzicie i jakiego typu?

Znajdź błędy

Surowe rekordy z historiana

Ile rekordów jest podejrzanych i dlaczego?

Karta kontrolna (Shewharta)

Zwykła zmienność czy sygnał, że coś się zmieniło?

UCL / LCL = x̄ ± 3σ

x̄	średnia z pomiarów procesu, gdy działał stabilnie (linia centralna)
σ	odchylenie standardowe — o ile typowo pomiar różni się od średniej (miara rozrzutu)
UCL / LCL	górna / dolna granica kontrolna (ang. upper / lower control limit)

W granicach ±3σ mieści się ok. 99,7% wyników stabilnego procesu — punkt poza nimi raczej nie jest przypadkiem.

Sygnały (wg PN-ISO 7870-2):

punkt poza granicami kontrolnymi,
9 kolejnych punktów po jednej stronie linii centralnej.

Punkty wewnątrz granic to zwykła zmienność procesu — nie reagujemy na każde wahnięcie (przeregulowanie pogarsza proces).

Oznaczenia: x̄ — średnia z pomiarów procesu stabilnego (linia centralna); σ — odchylenie standardowe, czyli typowa odległość pomiaru od średniej (w Excelu: funkcja ODCH.STANDARDOWE.PRÓBKI); UCL / LCL — górna / dolna granica kontrolna. Przy rozkładzie normalnym w ±1σ mieści się ok. 68% wyników, w ±2σ ok. 95%, w ±3σ ok. 99,7%. Przykład ze slajdu: x̄ = 172 °C, σ = 1,2 °C → granice 168,4 i 175,6 °C.

Do czego służy karta kontrolna: odróżnia zmienność przypadkową (suma wielu drobnych przyczyn — jest zawsze) od przyczyn specjalnych (zmiana materiału, zużycie narzędzia, rozregulowanie). Reagujemy tylko na sygnały; regulowanie procesu przy każdym wahnięciu w granicach (przeregulowanie) zwiększa zmienność.

Na slajdzie: „proces stabilny” — wahania w granicach, brak sygnału; „punkt poza granicą” — jeden punkt poza UCL; „przesunięcie średniej” — od punktu 15 średnia rośnie o 1,5σ: żaden punkt nie wychodzi poza granice, ale seria 9 punktów nad linią centralną jest sygnałem.

Granice kontrolne ≠ tolerancja: granice wynikają z procesu („co proces robi”), tolerancja — z wymagań klienta („co proces powinien robić”).

PN-ISO 7870-2 — polska wersja normy ISO 7870-2 „Karty kontrolne — Część 2: Karty kontrolne Shewharta”. Opisuje budowę kart (x̄, R, s, wartości indywidualnych) i testy sygnałów, w tym regułę 9 punktów po jednej stronie. W niektórych firmach stosuje się reguły 7 lub 8 punktów (np. reguły Western Electric).

Zadania dla Was

Jakość danych i karta kontrolna

5. Średnia z błędem

Temperatura z 8 h: 7 h średnio 62 °C, a przez 1 h przerwa w przewodzie zapisała 0 °C. Jaką średnią pokaże raport bez czyszczenia danych? Jaka jest prawdziwa?

odpowiedź

(7 · 62 + 1 · 0) / 8 = 54,25 °C; prawdziwa ok. 62 °C (z 7 h ważnych danych)

6. Licznik z resetem

Licznik sztuk o 6:00 = 48 200, o 10:30 restart sterownika (ostatni odczyt przed restartem 52 950, po restarcie 0), o 14:00 = 4 010. Ile sztuk wyprodukowano w zmianie?

odpowiedź

(52 950 − 48 200) + (4 010 − 0) = 4 750 + 4 010 = 8 760 szt. (naiwnie: 4 010 − 48 200 = −44 190)

7. Karta kontrolna

Średnia temperatura zgrzewu 172 °C, σ = 1,5 °C. Jakie są granice kontrolne? Czy pomiar 176 °C jest sygnałem? A 9 kolejnych pomiarów 173–174 °C?

odpowiedź

UCL = 176,5 °C, LCL = 167,5 °C; 176 °C — nie (w granicach); 9 punktów powyżej 172 °C — tak (seria po jednej stronie)

Blok 8 · wizualizacja

Kto patrzy na dane — i jakie ma pytanie

	operator	mistrz / lider zmiany	kierownik produkcji
pytanie	czy teraz wszystko działa? co mam zrobić?	czy zrobimy plan zmiany? co nas dziś hamuje?	gdzie tracimy w tym tygodniu/miesiącu? czy działania przynoszą efekt?
horyzont	sekundy – minuty	zmiana	tygodnie – miesiące
forma	ekran HMI przy maszynie, alarmy	tablica / monitor na hali: plan vs wykonanie, postoje	dashboard: trendy OEE, Pareto, energia na sztukę
odświeżanie	na żywo	co kilka minut	raz dziennie / na żądanie

Jeden ekran „dla wszystkich” zwykle nie służy nikomu. Projekt zaczynamy od pytania: kto patrzy i jaką decyzję ma podjąć?

Quiz

Jaki wykres odpowiada na to pytanie?

HMI wysokiej wydajności (ISA-101)

Gdzie jest problem? Znajdź go w 5 sekund

Zasady

szare tło, stonowane kolory dla stanu normalnego,
kolor tylko dla nieprawidłowości (alarm, odchyłka),
liczby z zakresem normalnym i krótkim trendem — widać, czy wartość jest dobra i dokąd zmierza,
bez 3D, ozdobników, animacji „dla efektu”,
hierarchia ekranów: przegląd → obszar → szczegół.

ISA-101 to norma o projektowaniu interfejsów operatorskich (HMI) w automatyce; koncepcja „High Performance HMI” zakłada, że operator ma zauważyć nieprawidłowość w kilka sekund.

Na slajdzie: na ekranie „kolorowym” problem (temperatura zgrzewu 184 °C, powyżej zakresu 165–180 °C i rośnie) ginie wśród czerwonego — a czerwona jest tam zatrzymana pompa rezerwowa, czyli stan normalny — i zielonego. Na ekranie wg zasad ISA-101 jedyny wyróżniony element to właśnie temperatura zgrzewu, z zakresem normalnym i trendem.

Warto wiedzieć: czerwony = „zatrzymany” to tradycja z energetyki i przemysłu procesowego. W HMI wysokiej wydajności kolor czerwony rezerwuje się dla alarmów wysokiego priorytetu, a stany urządzeń pokazuje się stonowanie (kształtem, tekstem, odcieniem szarości).

Alarmy (ISA-18.2, EEMUA 191)

Zalew alarmów: kiedy operator przestaje reagować

alarmów w zmianie:

średnio na godzinę:

okresów zalewu (> 10 w 10 min):

Orientacyjne wartości z ISA-18.2: ok. 6 alarmów/h — akceptowalne, ok. 12/h — maksimum do opanowania; zalew = ponad 10 alarmów w 10 min.

Zasada: każdy alarm wymaga działania operatora. Jeśli nie wymaga — to komunikat, a nie alarm.

ISA-18.2 (zarządzanie alarmami w przemyśle procesowym) i wytyczne EEMUA 191 wskazują, że operator może sensownie obsłużyć kilka alarmów na godzinę (orientacyjnie: ok. 6/h — akceptowalne, ok. 12/h — maksimum do opanowania). Ponad 10 alarmów w 10 minut to zalew alarmów: operator zaczyna potwierdzać je odruchowo i przeocza ten ważny.

Na slajdzie: „przed porządkowaniem” — 200 alarmów w zmianie i kilka okresów zalewu. „Po porządkowaniu” — usunięto alarmy niewymagające działania, dodano histerezę dla alarmów „migających”, połączono duplikaty: 19 alarmów, bez zalewu.

Związek z kartą kontrolną: alarm ustawiony na każde wyjście poza wąski zakres to reagowanie na zwykłą zmienność procesu — częste źródło zalewu alarmów.

Zasada: każdy alarm musi wymagać działania operatora. Jeśli nie wymaga — powinien być komunikatem albo zapisem w historii.

Zadanie projektowe · grupy · 15 min

Zaprojektujcie dashboard na kartce

Krok po kroku

Maszyna: Pakowaczka 01 — lista jej tagów jest na karcie (zad. 9): stan, przyczyna postoju, liczniki dobrych i złych, plan zmiany, czas cyklu, temperatura zgrzewu, ciśnienie powietrza, energia.
Wybierzcie odbiorcę: operator, mistrz albo kierownik.
Wypiszcie 3–5 pytań, na które ekran ma odpowiadać.
Do każdego pytania: element ekranu (kafel KPI, trend, Pareto, oś czasu, karta kontrolna) i tagi, z których powstaje.
Narysujcie układ na A4. Kolor — tylko dla odchyłek.
1 minuta prezentacji: odbiorca, pytania, „co zrobi, gdy zobaczy…”.

Podsumowanie dwóch dni

Od czujnika do decyzji

Wskaźniki

OEE = A × P × Q

= dobre × cykl idealny / czas planowany

energia na dobrą sztukę = kWh / sztuki dobre

Wiarygodność

luki, zamrożenia, skoki, zera, skalowanie, reset licznika, czas

karta kontrolna: x̄ ± 3σ, 9 punktów po jednej stronie

Wizualizacja

odbiorca → pytanie → wykres

kolor tylko dla odchyłek (ISA-101)

każdy alarm wymaga działania (ISA-18.2)

Na laboratorium: zbieranie i wizualizacja danych w praktyce.