Системы мониторинга станков с ЧПУ в России. Обзор технологий и рынка за 2016 г.

Введение

Еще пять лет назад российский рынок систем класса MDC/MDA (Machine Data Collection/Machine Data Acquisition) можно было сравнить с чистым полем — всего пара зарубежных и одна отечественная компания предлагали решения по мониторингу работы станочного парка предприятия. Разумеется, SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) системы давно и успешно используются в самых разных отраслях, везде, где требуется обеспечивать операторский контроль и управление технологическими процессами в реальном времени. Разбираясь с терминологией, можно сказать, что MDC является подклассом или составляющей SCADA, призванной решать более узкую задачу – сбор информации о работе станков с числовым программным управлением (ЧПУ). При этом речь идет не об управлении оборудованием, а всего лишь о получении данных, необходимых для последующего анализа эффективности его работы. В простейшем случае MDC-система автоматически фиксирует время и длительность работы/простоев/аварийных состояний станка, в продвинутом варианте — собираются данные о технологических режимах (подача, обороты, нагрузка), выполняемой в данный момент управляющей программе (УП), кодах ошибок, причинах простоя. Полученная таким образом и структурированная информация используется для оценки эффективности работы как единицы оборудования, так и всего станочного парка, принятия управленческих решений по внесению изменений в производственный процесс, а также может быть передана в MES (Manufacturing Execution System) — специализированное прикладное программное обеспечение, предназначенное для решения задач синхронизации, координации, анализа и оптимизации выпуска продукции.

 
Рис.1. СМПО Foreman – первая отечественная система для мониторинга станочного парка. На фото – многофункциональный электронный блок мониторинга Foreman PRO со сканером штрих-кода на станке HAAS.

Технологии

Схема работы любой системы мониторинга промышленного оборудования подразумевает передачу данных со станков по локальной (реже беспроводной) сети на сервер, с последующей обработкой и визуализацией в клиентских приложениях — пользователи получают картину работы станочного парка в режиме реального времени, а также могут формировать отчеты за определенный временной интервал о состоянии оборудования, эффективности работы, причинах и времени простоя, коэффициенте загрузки и количестве обработанных деталей. Можно выделить два основных варианта реализации MDC-системы, каждый из которых обладает определенными преимуществами и недостатками:

• Аппаратная — используются датчики и/или специальные терминалы (блоки мониторинга), которые подключаются к электроавтоматике станка для регистрации его базовых состояний: включен/выключен, рабочий цикл/простой, сигнал ошибки (аварии) и др.;
• Программная — обеспечивается прямой коммутацией сервера мониторинга с устройством ЧПУ (УЧПУ) по локальной сети и позволяет автоматически фиксировать базовые состояния станка, читать память УЧПУ, собирать детальные сведения о текущих параметрах работы: подача, обороты, номер кадра, номер УП, нагрузка, положение корректора, код ошибки и др.

В последнее время активно применяется комбинированный подход, позволяющий выбирать или даже сочетать аппаратные и программные технологии в зависимости от характеристик и функциональных возможностей объекта мониторинга.

Исторически первыми на рынке появились системы с аппаратной технологией сбора данных. В 90-х годах прошлого века системы ЧПУ станков были не так умны и в большинстве случаев не позволяли открыто обмениваться информацией с внешними системами за исключением функционала приема и передачи УП. Заметим, что значительная доля современных MDC продуктов “выросла” из приложений DNC (Direct Numerical Control), предназначенных для передачи программ обработки. Очевидный плюс аппаратной реализации — в возможности сбора дискретных сигналов практически c любого оборудования — система мониторинга сможет объединить в единое информационное пространство не только современные станки с ЧПУ, но и универсальные станки, сварочные установки, печи термической обработки и т. д. Кроме того, если в качестве аппаратной части использовать блоки мониторинга в форм-факторе терминала с экраном и клавиатурой, то оператор станка сможет интерактивно взаимодействовать с системой мониторинга и различными подразделениями предприятия, например, указывать причину простоя станка и получать информацию из системы управления производством. Минус подобного решения заключается в том, что предприятию необходимо приобретать не только ПО, но и аппаратные продукты, что в теории делает систему более дорогой. Учтите, что подключение к электроавтоматике новых станков на гарантии может потребовать согласования с производителем или поставщиком, а получаемая от оборудования информация имеет весьма ограниченный характер.

 
Рис. 2. Продукты Cimco очень популярны в России, однако приложение MDC-Max пока не получило широкого распространения.

Вставляем сетевой кабель в соответствующий разъем стойки ЧПУ и задаем IP-адрес станка в настройках приложения мониторинга — таким простым в идеале должно быть программное подключение. Однако при реализации технологии на практике встречается множество преград. Во-первых, далеко не все УЧПУ оснащены сетевой картой и портом Ethernet. Во-вторых, только часть из них допускает свободный обмен системными данными. Во многих случаях вам потребуется приобрести и установить специальные программные модули (агенты) в ЧПУ станка — здесь уместно упомянуть опцию 18 в Heidenhain — или использовать специальные программные библиотеки, например, Fanuc Focas. В-третьих, получаемую информацию нужно будет свести еще и к общему знаменателю — производители пока не придерживаются какого-либо единого стандарта. Самая большая проблема заключается в том, что обычно станочный парк предприятия представляет собой “зоопарк”, состоящий из станков различных типов и марок. Таким образом, если часть имеющегося в вашем распоряжении оборудования не поддерживает программную реализацию мониторинга либо вовсе не имеет контроллера, то возникает резонный вопрос в целесообразности выбора подобного решения.

Нет никаких сомнений, что в будущем гораздо шире будет использоваться именно программная реализация сбора данных. Уже сегодня часть производителей станков предлагает “фирменное” ПО для удаленной диагностики и мониторинга, но работают эти продукты лишь внутри собственной “экосистемы”, что, опять же, делает их малопригодными в условиях реального производства. Решить проблему можно, если унифицировать данные, разработать единый стандарт и затем убедить участников рынка его повсеместно использовать. Задача эта непростая, учитывая многообразие и географию станочных брендов, но вполне решаемая — так, американский институт MTConnect предложил открытые стандарты, позволяющие значительно улучшить совместимость данных между станками различных марок и за несколько лет работы смог собрать внушительный пул производителей, одобривших инициативу этой некоммерческой организации и начавших, в той или иной степени, использовать предложенные стандарты. Появились и первые платформы промышленного интернета вещей, представляющие разработчикам продуктов готовые решения и библиотеки драйверов для информационного обмена с производственным оборудованием.

 
Рис. 3. Резидент Сколково, компания “СИГНУМ” представляет программную платформу Winnum, которая может быть применена в том числе и для решения задач по мониторингу работы станков с ЧПУ.

Контроль параметров или повышение эффективности?

Главной целью, достигаемой при помощи рассматриваемых в статье систем, по заявлению их разработчиков, является повышение эффективности эксплуатации оборудования. Давайте разберемся, насколько это соответствует действительности и какие процессы, связанные с работой станочного парка, могут быть оптимизированы.

Производственный опыт большинства машиностроительных предприятий показывает, что существует довольно ограниченный круг причин, вызывающих простои в полезной работе станка: наладка; холостая отработка (прогон) УП; установка и снятие заготовки; различные поломки и техническое обслуживание; контрольно-измерительные и вспомогательные операции; отсутствие заготовок, корректной программы, оснастки или необходимой документации. Очевидно, что часть из перечисленных проблем возникает из-за естественного хода производства, другая — из-за ошибок того, кто работает на станке и несогласованности действий различных служб предприятия, отвечающих за подготовку производства. То есть, причина проблем кроется в “человеческом факторе”.

Решение в этом случае может быть только одно — сократить время реакции специалистов и цеховых служб на возникающие проблемы и тем самым сократить продолжительность неплановых простоев. К примеру, если станок простаивает из-за того, что у оператора нет УП, то необходимо оперативно сообщить об этом технологам-программистам; в случае аварии — уведомить службу, отвечающую за ремонт оборудования; при отсутствии заготовки и документации — вызвать мастера. Учтите, что если речь не идет о коде ошибки или аварийной ситуации, то только человек может указать причину простоя — станок просто не может знать почему он не выполняет полезную работу. Очевидно, что фиксация факта простоя, без указания причины и информирования ответственных специалистов не позволит в достаточной степени улучшить производственный процесс.

Классическая программная реализация позволяет собирать большой массив данных о работе оборудования, при этом сводя “человеческий фактор” к нулю, чем так гордятся разработчики подобных решений. Проблема заключается в том, что значительная часть получаемой информации относится к технологическим параметрам или системным переменным станка (скорость, подача, координаты, нагрузка, код ошибки) и интересна лишь как справочный материал для узкого круга технических специалистов. Разумеется, в этом случае возможен расчет фактического коэффициента загрузки и даже общей эффективности оборудования (OEE), но говорить о каком-либо повышении эффективности производства не приходится.

 
Рис. 4. Компания “Экстенсив”, разработчик системы MEScontrol, недавно представила продукт для мониторинга станков под названием DPA.

Наличие в составе системы мониторинга аппаратных средств позволяет значительно расширить ее функционал, обеспечить не только контроль состояния оборудования, но и реализацию мероприятий, направленных на уменьшение неплановых простоев, повышение прозрачности и эффективности процессов, связанных с работой станочного парка. Электронный блок мониторинга, выполненный в виде терминала с экраном и клавиатурой, может стать дополнительным электронным помощником для оператора станка, так как дает возможность не только указывать причины простоя, но и способен предоставить ему требуемую технологическую и справочную информацию, список актуальных УП, сменно-суточное задание и параметры его выполнения. Разнообразные аппаратные опции также могут оказаться весьма полезны: датчик RFID используется для авторизации исполнителя по электронному пропуску; сканер ШК применяется для считывания штрих-кодов на маршрутных и технологических картах; IP-камера производит видеозапись, автоматически реагируя на аварийные ситуации со станком.

Обычно инициатором внедрения системы мониторинга является администрация предприятия, которая стремится в первую очередь обеспечить выпуск качественной продукции в минимально возможные сроки и добиться высокой загрузки оборудования. Детальная информация о технологии производства, параметрах и сигналах, поступающих от станков руководству предприятия, требуется в гораздо меньшей степени, если вообще интересна. Качество и количество собираемых с оборудования данных и, соответственно, выбор технологии мониторинга определяются уровнем пользователя продукта и существующими производственными проблемами. Проще говоря, директору и главному инженеру могут потребоваться отчеты с показателями OEE и причинах простоя; начальник цеха и мастер захотят видеть в режиме реального времени статус оборудования; главный механик желает получать уведомления об аварийных сигналах и наработке оборудования; ремонтник получает доступ к списку кодов ошибок станка; технолог интересуется стадией и режимами выполнения обработки; программист должен передать УП на станок; экономисту нужны данные о стоимости изготовления детали.

Как видите, специалисты предприятия с помощью системы мониторинга так или иначе планируют решать разнообразные задачи и рассматриваемые в статье системы усложняются, обрастают новым функционалом, эволюционируют в сторону управления многочисленными процессами, связанными с работой станочного парка. Таким образом, лишь программно-аппаратная реализация позволит удовлетворить в полной мере все возрастающие потребности современного производства, обеспечить в равной степени получение данных из УЧПУ и уменьшение простоев, связать в единое информационное пространство станки и подразделения предприятия, повысить эффективность эксплуатации оборудования.

 
Рис. 5. Смоленская компания “Станкосервис” предлагает АИС “Диспетчер”. На фото (с сайта разработчика) — терминал-регистратор ТВВ10 cмонтирован на стойке ЧПУ Heidenhain.

Причины простоя

Кто же должен указывать причину простоя: оператор, мастер или диспетчер? Логичнее, если этим будет заниматься тот, кто в данный момент работает на станке и лично отвечает за процесс и результат выполнения производственного задания, то есть оператор. Быстро и просто он может указать причину простоя, если в составе системы мониторинга присутствует аппаратная часть в виде терминала, который смонтирован на каждом станке.

Существует несколько способов указать причину простоя посредством стойки ЧПУ станка. Как уже было сказано, наиболее продвинутые производители станков предлагают программную “экосистему”, содержащую приложения для диагностики, мониторинга и управления станком. Набор полезных утилит постоянно пополняется, расширяя возможности системы ЧПУ. При наличии такого оборудования оператор может выбрать причину простоя из списка на экране стойки ЧПУ. Второй, “дедовский” способ заключается в создании специальных “пустых” программ, запуск на выполнение которых приводит лишь к тому, что системе мониторинга сообщается имя или параметр, который интерпретируется как одна из причин простоя. Первый способ встречается редко из-за пока небольшой доли подобных станков, второй — не удобен в разных отношениях.

Так называемые мобильные или коллективные пульты мониторинга представляют собой приложения, установленные на планшетных компьютерах и информационных киосках, и позволяющие указывать причину простоя, не находясь у станка. Решение недорогое, но спорное, так как в этом случае, во-первых, размывается ответственность, во-вторых, возникает очевидное неудобство, связанное с тем, что потребуется выяснить причину простоя и добраться до самого устройства. Кроме того, пульт в форм-факторе планшетного компьютера, по понятным причинам, не самый удачный вариант для использования в условиях цеха. Решение в виде информационного киоска более жизнеспособно и позволяет осуществлять мониторинг, например, на слесарных и сборочных участках, в ОТК.

 
Рис. 6. Коллективный пульт мониторинга АИС “Диспетчер” представляет собой программное обеспечение, которое устанавливается на персональный компьютер. Фото с сайта разработчика.

 
Рис. 7. Информационный киоск (промышленный терминал), входящий в состав комплекса СМПО Foreman.

Современные системы мониторинга не ограничивают количество возможных причин простоя. При желании вы можете пополнить список причин даже такими, как “Обеденный перерыв” или “Ушел курить”. Но если говорить серьезно, то оптимальным считается набор причин в количестве 5-10, которые характерны для любого производства и к которым относятся: наладка, техническое обслуживание, отсутствие материала (заготовки), отсутствие инструмента или оснастки, отсутствие программы и т. д. Больший список может запутать оператора, что определенно скажется на его желании должным образом взаимодействовать с системой мониторинга.

Часто у будущего заказчика возникают опасения, что оператор непременно обманет систему. Этот обман может заключаться в неверном вводе причины простоя или в “резании воздуха”, при котором фиксируется цикл, но деталь не обрабатывается. Для решения первой проблемы выдвигается требование о недопустимости “человеческого фактора”, для второй — контроль нагрузки на шпиндель. Давайте разберемся, есть ли основания для подобных страхов и насколько верно представление заводчан о способах решения этих проблем.

Для начала необходимо напомнить, что при любой реализации системы мониторинга факт цикла или простоя фиксируется автоматически — оператору не требуется нажимать кнопки на терминалах мониторинга. В случае, когда станок включен, а управляющая программа не запущена, будет зафиксирован так называемый “Необоснованный простой”. Если же оператор не захочет указывать причины посредством блока мониторинга, то система все равно получит информацию о том работал станок в цикле или простаивал.

Допустим, что оператор указал в качестве причины простоя отсутствие управляющей программы, хотя на самом деле она была загружена в станок. В этом случае система мониторинга (разумеется, при наличии данного функционала) отправит SMS или EMAIL-сообщение в отдел технологов-программистов, которые должны среагировать и разобраться в случившемся. После этого обман будет выявлен и вряд ли подобная ситуация повторится в будущем. Таким образом, если в системе присутствует функционал отправки уведомлений, а сотрудники понимают алгоритм ее работы и принимают “правила игры”, то доля неверной информации о причинах простоя будет стремиться к нулю. Более того, при нормальной организации производства оператор лично заинтересован в указании причин простоя, так как это позволит ему достичь лучших трудовых показателей.

Программная технология сбора данных действительно позволяет избежать “человеческого фактора”, но, как уже было сказано, не способствует выявлению “узких мест” производства и принятию управленческих решений, направленных на минимизацию неплановых простоев оборудования.

 
Рис. 8. В системе NAVIMAN от компании СОЛВЕР в качестве аппаратной части используются портативные бытовые компьютеры с операционной системой Windows. Рисунок из презентации продукта.

 
Рис. 9. Работа с терминалом мониторинга в системе Cimco MDC-Max. Фото с сайта разработчика.

Потребляемая мощность, нагрузки на оси и шпиндель

Перейдем к проблеме обработки “по воздуху”, которую часто на предприятиях хотят решить путем фиксации увеличения потребляемой двигателем шпинделя мощности при работе вхолостую и в процессе резания металла, а заодно поговорим о контроле энергопотребления оборудования.

Логично, что при обработке детали электрическая мощность, потребляемая станком, увеличится. Регистрируя эту мощность, можно оценивать режимы работы оборудования. Возможны два различных подхода — либо измерять общую потребляемую мощность станка, либо потребляемую мощность блока приводов/главного привода. В качестве контролируемых параметров проще всего использовать электрический ток и напряжение в соответствующих цепях потребления.

Измерение электрического тока и напряжения в цепях питания блока приводов/главного привода.

Заметим, что данный метод лежит в основе создания систем диагностики режущего инструмента и системы адаптивного управления режимами обработки.

Однако важно подчеркнуть, что указанный метод имеет существенные ограничения при обработке инструментами малого диаметра. В этом случае мощность, необходимая для обработки, практически не отличается от мощности холостого хода приводного электродвигателя. Следует также упомянуть случаи чистовой обработки, когда полезная мощность, затрачиваемая непосредственно на процесс резания, составляет всего несколько процентов от полной мощности двигателей без учета мощности холостого хода двигателей главного привода. Эта “холостая мощность” в большинстве случаев также будет зависеть от скорости вращения электродвигателя, что в совокупности усложнит анализ полученных данных.

Измерение электрического тока и напряжения в цепях питания станка.

В настоящее время можно легко найти устройства, позволяющие измерять потребляемую мощность: от простых 3-х фазных счётчиков, которые регистрируют только активную потребляемую мощность, до сложных промышленных метрологических систем или анализаторов параметров электросети с измерением активной и реактивной мощностей и записью всех параметров электросети и нагрузки.

Современный металлообрабатывающий станок — это сложное устройство, включающее в себя множество различных систем. Это и системы кондиционирования воздуха в электрошкафах, и системы охлаждения, смазки, гидростанции и т. д. Все они потребляют электроэнергию, причем независимо от факта непосредственной работы станка по обработке детали. Сердце станка — электродвигатели, отвечающие за осевое перемещение и работу шпиндельного узла, а также источники питания частотных преобразователей, управляющие работой этих двигателей.

Частотные преобразователи, применяющиеся в настоящее время, различаются множеством параметров, но строятся, как правило, по схожим схемам. Они имеют модульную конструкцию, каждая часть которой отвечает за определенную функцию. Один из модулей, питающийся от входного трехфазного напряжения, представляет собой источник электропитания постоянного тока для других модулей. Этот модуль отвечает за выпрямление и стабилизацию напряжения, от которого затем питаются модули управления двигателями. Для измерения потребления такой системы достаточно установить измерительное устройство на силовых входах источника питания.

Для объективных измерений в промышленной трехфазной сети желательно наличие как минимум шести каналов измерений: три токовых канала и три канала напряжения. Подобная схема, возможно, покажется избыточной для решения данной задачи, но в условиях реальных цеховых электросетей она вполне оправдана. Для оценочных замеров общей потребляемой мощности достаточно обычных токовых клещей — суть происходящих процессов при работе станка они смогут отразить.

Перейдем в практическую область и рассмотрим измерение общей потребляемой мощности на примере станка Emco МAXXTURN 65.

Рис. 10. Обрабатывающий центр Emco МAXXTURN 65.

Для косвенной оценки потребляемой мощности используем токовые клещи, которые размещаем на одной из фаз напряжения, поданного на модуль питания приводами. Далее включаем станок. После включения приводов мы видим ток в 12,5 А при том, что органы станка находятся в неподвижном состоянии. Далее запускаем управляющую программу — станок начинает совершать перемещения, крутится шпиндель и обрабатывается деталь. Токовые клещи по-прежнему показывают ток в 12,5–12,6 А. Мы практически не замечаем разницы в потреблении при разных режимах работы. Объясняется это следующим: при включении приводов оси станка начинают удерживаться двигателями, пытаясь сохранить свои текущие координаты, двигатели при этом работают и уже потребляют большую мощность, а во время обработки детали нагрузки на оси такого маленького станка незначительны и практически не отличаются от режима простоя с готовностью приводов к работе. Мощность, потребляемая шпиндельным двигателем, при данной программе обработки незначительна и на фоне общей потребляемой мощности ее трудно выделить.

Отличия проявляются при подключении анализатора с тремя токовыми датчиками и контролем напряжений каждой из фаз, но и они, в большинстве случаев, составляют всего несколько процентов. Также необходимо отметить, что при любом ускоренном осевом перемещении или при «разгоне» шпиндельного двигателя будут зафиксированы всплески потребляемой мощности, практически всегда превосходящие мощность при нормальных (номинальных) режимах обработки.

Рис. 11. Комплект системы приводов фирмы Siemens.

Проведем второй эксперимент при тех же условиях. Станок Weingärtner MPMC1200S-9000 с системой приводов фирмы Siemens. При включении приводов прибор показывает 75 А. Включаем шпиндель с массивной заготовкой — те же 75 А. Когда станок начинает выполнять черновую обработку крупного вала, ток увеличивается до 100–110 А. Однако при чистовой обработке мы снова возвращаемся к величине тока в 75 А. В данном случае для небольших станков малой и средней мощности энергопотребление при работе и при простое с включенными приводами различается незначительно.

 
Рис. 12. Станок Weingärtner MPMC1200S-9000.

Отдельно рассмотрим измерение нагрузки на шпиндель. Теперь мы берем токовые клещи и подключаем на фазу, идущую к двигателю шпинделя. При включении шпинделя в холостую на 50 об/мин ток составляет порядка 100 А, однако при тех же условиях, увеличивая обороты шпинделя до 200 об/мин, наблюдается уменьшение тока до 90 А. Объясняется это реактивным сопротивлением обмоток и сложным законом U/F управления шпинделя. Следовательно, простым измерением тока шпинделя невозможно достоверно судить о его нагрузке. Нагрузку на шпиндель можно оценить при одновременном измерении тока и напряжения на двигателе. Однако при изменении частоты в широких пределах это может быть затруднительно из-за сложности технической реализации подобных устройств при использовании в качестве датчиков тока разъемных токовых трансформаторов. Использование токовых шунтов, как правило, требует проведения серьезных электромонтажных работ.

Нагрузка на оси и шпиндель очень точно измеряется самой системой приводов, так как учитывает частоту, ток и напряжение на двигателе, а полученное значение может быть выведено на экран стойки ЧПУ. К сожалению, и этот способ не позволяет судить о полезной работе станка на 100% объективно, так как при чистовой обработке нагрузки на главный привод минимальны. Чтение данных из системы приводов может быть затруднено, если производитель сам не заложил такой возможности в оборудование.

В случае применения на станках системы адаптивного контроля и управления, которая реагирует на изменение условий резания и автоматически настраивает подачу на максимально допустимый для каждой операции уровень, такой подход может быть оправдан, но и то лишь при активном участии технологов, наладчиков и операторов. Для системы, основной задачей которой является мониторинг работы оборудования, данный подход не применим по ряду причин. Это, как правило, и слишком различающееся по параметрам оборудование, которое нужно объединить в единую информационную систему, и связанные с этим трудозатраты такого решения.

Также возникает резонный вопрос: по каким критериям оценивать полученные данные? Например, 5% от номинальной мощности шпинделя (без учета мощности, потребляемой на холостом ходу при определенных оборотах) — это будет уже “полезная работа” или нет? А временный провал до 3% или кратковременное увеличение до 15-20%? Кроме того, при смене технологии, обрабатываемой детали или инструмента вам, скорее всего, потребуется полное переосмысление полученных таким образом “замеров”. Задача оптимизации режимов обработки, которая хоть и имеет непосредственное отношение к общей производительности, должна решаться индивидуально для каждого типа станка и обрабатываемых на нем деталей.

Для большей части металлообрабатывающего оборудования метод измерения увеличения потребляемой мощности для определения фактической обработки той или иной детали если и применим, то весьма ограничено. Во всех остальных случаях нельзя достоверно гарантировать факт обработки детали, а не “воздуха”, особенно при автоматизированном мониторинге превышения порогового значения, полученного при контрольных замерах потребляемой мощности.

Более современный и прозрачный метод, позволяющий отделить настоящую обработку от “липовой”, основан на применении сканеров штрих-кода. Вместе с заготовкой на станок поступает маршрутная карта со штрих-кодами. Оператор в начале обработки детали и по ее завершении сканирует соответствующий штрих-код, а система анализирует и сравнивает количество фактически произведенных деталей с количеством зарегистрированных циклов. При таком подходе появляются дополнительные возможности для учета подготовительно-заключительного и машинного времени обработки партии деталей.

 
Рис. 13. Пример размещения токовых датчиков на выходах приводов шпинделей.

Учет потребления электрических мощностей на современном производстве — задача нужная и актуальная, но решаться она должна при помощи специализированных систем энергоучета предприятий (АСУЭ). Частично ее можно решить путем установки необходимого оборудования и сбором полученной информации об энергопотреблении каждого станка, например, для учета стоимости электроэнергии в том или ином изделии.

 
Рис. 14. Сопроводительная карта со штрих-кодами на каждую операцию обработки генерируется одним из приложений СМПО Foreman.

Рынок систем мониторинга станков

Главным драйвером роста рынка MDC является уровень потребления станков. В 2015 году мировой рынок станков с ЧПУ достиг величины порядка 80 млрд. долларов США. По нашей оценке, лишь 15% станков, попадающих на предприятия, в дальнейшем оснащаются универсальными системами мониторинга. Именно эти 15% являются фактическим рынком для продуктов MDC/MDA. Учитывая, что средняя стоимость систем мониторинга составляет 2% от стоимости станков, получается, что фактический объем мирового рынка равен 240 млн. долларов США, потенциальный — более 1 млрд. долларов США. Около 12% выпускаемых станков поставляются с “фирменным” программным обеспечением для мониторинга, передачи данных (DNC) и проведения дистанционной диагностики. На сегодняшний день нет официальной статистики об успехах на глобальном рынке того или иного продукта.

Диаграмма 1. Оснащение станков с ЧПУ системами мониторинга.

В США располагается наибольшее число разработчиков MDC/MDA. Россия, возможно, благодаря политике импортозамещения, интереса государства к тематике промышленного интернета вещей (IIoT) и инициативе Industry 4.0 в этом вопросе неожиданно оказалась на втором месте.

Если в США и Европе продукты MDС зачастую не отделимы от MES или ERP (Enterprise Resource Planning), то в России рынок выражен и сегментирован более четко и можно с высокой точностью определить его емкость и назвать лидеров. Тем более, что разработчики не скрывают данные о количестве реализованных проектов — эту информацию вы легко найдете в презентациях, буклетах и на сайтах соответствующих продуктов. Кроме того, для оценки объема рынка мы использовали данные с торговых площадок — основными потребителями являются государственные и/или крупные предприятия, которые, в подавляющем большинстве случаев, приобретают системы мониторинга через конкурсные процедуры.

В 2015 году фактический объем отечественного рынка MDC составил 150 млн. руб., потенциальный — около 1 млрд. руб. Безусловным лидером по количеству реализованных проектов (62 предприятия на момент написания статьи) является компания “ЛО ЦНИТИ” с системой мониторинга промышленного оборудования Foreman (СМПО Foreman), на втором месте Станкосервис с АИС “Диспетчер”, замыкает тройку MCIS от Siemens. Перечисленные системы в своем составе используют как аппаратные, так и программные продукты. Решение от Siemens сложно назвать универсальным, все же оно предназначено в первую очередь для работы со станками, оснащенными ЧПУ Sinumerik. Таким образом, коммерчески успешными пока можно признать лишь два отечественных продукта — СМПО Foreman и АИС “Диспетчер”, причем по количеству предприятий-пользователей продукт из Санкт-Петербурга превосходит аналог из Смоленска почти в 1.5 раза.

Особенность отечественного рынка — существование значительного количества проектов по мониторингу работы оборудования, реализуемых предприятиями самостоятельно и продуктов, доля которых не превышает 1%. В редких случаях эти проекты коммерциализируются и тиражируются на другие предприятия. Что касается первого варианта, то здесь уместно вспомнить “Автоматизированную систему контроля станочного парка ОАО «Силовые Машины»”, а второй вариант — это “Черный Ящик” компании “КАМ Инжиниринг”.

Компания CIMCO известна в нашей стране в первую очередь решениями для редактирования и передачи УП. Вместе с тем в продуктовой линейке датского разработчика можно найти недорогой продукт MDC-Max, позволяющий осуществлять мониторинг работы станочного парка. В отличие от CIMCO Edit, приложение для мониторинга пока не приобрело у нас широкого распространения.

Система “Навиман”, которая на протяжении уже нескольких лет пытается вырасти из стартапа в законченный продукт, занимает долю рынка аналогичную CIMCO MDC-MAX. Любопытно, что ранее система называлась IMPAKT, а в качестве аппаратной части использовался “интерактивный киоск-ассистент производственных процессов”, представляющий собой промышленный информационный киоск с двумя экранами. Затем система была переименована в “Навиман” (удивительно созвучно с Foreman (“Фореман”), а аппаратная часть трансформировалась в компактный бытовой компьютер.

Диаграмма 2. Доли рынка по количеству реализованных проектов.

Диаграмма 3. Доли рынка по количеству подключенных станков.

Компания Signum, резидент Сколково, и Экстенсив из Екатеринбурга реализуют программную технологию сбора данных. Signum создает платформу для промышленного интернета вещей и приложение Winnum CNC, которое предназначено для мониторинга работы станков, является частью широкой линейки продуктов для контроля объектов в самых разных отраслях. DPA от Экстенсив логично расширяет компетенции разработчика MEScontrol до уровня промышленного оборудования. Оба продукта только начинают покорять рынок систем мониторинга станочного парка, их доли пока не превышают 3-4%.

Стоимость и краткая характеристика систем

Несмотря на то, что компании демонстрируют различные подходы к ценообразованию и политике лицензирования, все же можно попытаться оценить стоимость условно базового решения на единицу оборудования. При этом исходить разумнее из проекта на подключение 10 станков с ЧПУ. Сравнить возможности продуктов не так просто, особенно, если они используют различные технологии сбора и хранения информации, обладают отличными друг от друга функциональными возможностями, не относящимися непосредственно к мониторингу оборудования. Тем не менее, можно кратко охарактеризовать продукты, подчеркнуть их сильные и слабые стороны, в том числе маркетинговую активность разработчиков.

Winnum CNC

Компания "СИГНУМ", как резидент Сколково, пользуется маркетинговой поддержкой фонда, что гарантирует ей не только известные налоговые льготы, но и участие в различных выставках и мероприятиях, проводимых при государственной поддержке. Winnum обладает одним из самых современных сайтов, на котором, правда, не так много информации о решении для мониторинга станков, больше – о самой платформе и отраслевых решениях. Стоимость программных модулей Winnum Connector колеблется от 95 000 до 135 000 руб., а лицензия Winnum Platform Foundation, служащая для обеспечения работы программного комплекса Winnum и содержащая функционал для взаимодействия с пользователями, подключаемыми изделиями и облаком обойдется предприятию в 500 000 руб. с оговоркой, что при подключении 10 и более станков плата за нее не взимается.

Рис. 15. Главная страница сайта платформы Winnum.

Преимущества: современная мощная и гибкая платформа промышленного интернета; поддержка прямого подключения большого количества систем ЧПУ, в том числе: Heidenhain TNC 320, TNC 406, TNC 407, TNC 415/415B/425, TNC 426/430, iTNC 530, TNC 320, TNC 6xx, Sinumerik 840Dsl, 828D, 840D, 810D, 802D, Fanuc Mitsubishi серий 70, 700, 800, Mazak Mazatrol, Arumatik, MTConnect (включая Haas, Okuma OSP-PX, Mazak Mazatrol, Sodick), Балт-Систем и Winmax; поддержка различных СУБД в т. ч. PostgreSQL; российская разработка.

Недостатки: отсутствие собственной аппаратной части; невозможность указать причины простоя с рабочего места оператора; более высокая по сравнению с DPA стоимость решения; мало реальных предприятий-пользователей; больше платформа, чем готовый продукт для мониторинга станочного парка.

Веб-сайт: http://www.winnum.ru

DPA (Discrete Processes Automation)

Базовый пакет DPA стоит всего 36 000 руб. за станок, что, кажется заметно дешевле, чем предложение на Winnum CNC. Однако функционал по SMS и EMAIL-оповещению, конструктор отчетов, модуль персонала и загрузчик УП поставляются за дополнительную плату. В итоге, стоимость программного решения на единицу оборудования при подключении к системе 10 станков возрастет до 72 000 руб. Компания “Экстенсив” активно участвует в многочисленных промышленных форумах и предлагает бесплатное тестовое внедрение системы — установку временных лицензий через интернет. Сайт продукта оставляет желать лучшего как с точки зрения дизайна, так и наполнения — присутствуют пустые страницы. Рекламные материалы, к сожалению, довольно примитивны и уступают в качестве конкурентам.

Рис. 16. Главная страница сайта системы DPA.

Преимущества: относительно невысокая стоимость лицензии на подключение к ЧПУ; возможность расширения функционала до уровня MES-системы; поддержка прямого подключения к ряду моделей систем ЧПУ Sinumerik, Fanuc, Heidenhain, Okuma, Mazak, Haas, Балт-Систем; интеграция с аппаратной частью СМПО Foreman; российская разработка.

Недостатки: меньшее, по сравнению с Winnum CNC, количество поддерживаемых систем ЧПУ; мало реальных предприятий-пользователей; малое количество поддерживаемых форматов для экспорта отчетов.

Веб-сайт: http://dpa.x-tensive.ru

CIMCO MDC-Max

Оптимальный для мониторинга набор программных модулей Cimco (MDC-Max является опцией к DNC-Max) на парк из 10 станков обойдется предприятию всего в 420 000 руб., то есть в среднем 42 000 руб. на станок. При этом аппаратная часть, состоящая из терминала и устройства для сбора сигналов со станка (MDC Box), оценивается не менее чем в 80 000 руб. Новый сайт, вышедший вместе с 8 версией продукта красив, современен и содержит подробную информацию о возможностях MDC-Max. В России продукты CIMCO распространяются через сеть дилеров.

Преимущества: чисто программное решение MDC-Max обойдется предприятию даже дешевле, чем DPA компании “Экстенсив”; MDC-Max является частью популярного пакета программ для менеджмента УП; простой и удобный интерфейс; аппаратные средства позволяют подключаться к электроавтоматике любого станка.

Недостатки: высокая стоимость терминалов мониторинга, рекомендуемых разработчиком системы; значительно меньшая поддержка моделей систем ЧПУ для прямого подключения по сравнению с DPA и Winnum CNC; интерфейс системы переведен на русский язык частично; иностранная разработка.

Веб-сайт: http://www.cimco-software.ru

 
Рис. 17. Главная страница русскоязычного сайта CIMCO.

АИС “Диспетчер”

Целеустремленность и высокая активность команды “Станкосервиса” позволила раскрутить АИС “Диспетчер” и занять достойное место в первой тройке успешных проектов по мониторингу станочного парка. Разработчики из Смоленска пытаются быть везде и сразу: в Сколково, на многочисленных выставках, конкурсах, стендах партнеров и в прессе. В 2016 году продукт занял первое место в номинации "Решения для промышленного интернета вещей" на конференции IASP. В результате такой бурной деятельности активно развивается отечественный рынок систем мониторинга станочного парка, что не может не радовать даже конкурентов, которые в последнее время “отнимают” потенциальных клиентов у АИС “Диспетчер". С другой стороны, снижается качество исходящей от компании информации и страдают собственные ресурсы — мы нашли значительное количество грамматических ошибок не только в электронном приглашении на предстоящее мероприятие, но и на сайте продукта, причем даже на главной странице. Наблюдается перебор утверждений об инновационности продукта, учитывая тот факт, что компания не была первым разработчиком подобных систем и, говоря откровенно, ничего принципиально нового не изобрела. Стоимость терминала-регистратора ТВВ10, регистратора Р-02Д, сканера штрих-кода и монтажного комплекта АИС “Диспетчер” составляет около 70 000 руб. Набор программных продуктов, включающий базовый пакет, модули “Генератор отчетов” и “Контроль производства”, плюс лицензия на подключение станка добавит к итоговой сумме еще 20 000 – 30 000 руб. на ед. оборудования. Система позволяет подключаться к станку напрямую, но поддерживается лишь небольшое количество систем ЧПУ.

Преимущества: одно из первых доступных решений для энергомониторинга станков; единый и простой интерфейс базового приложения мониторинга; относительно невысокая стоимость; наличие собственной аппаратной части; большое количество партнеров; невысокая стоимость техподдержки; российская разработка.

Недостатки: по качеству исполнения и технологиям терминал-регистратор ТВВ10 определенно уступает аналогу от СМПО Foreman, при этом стоимость обоих устройств отличается незначительно; развитие аппаратных опций АИС “Диспетчер” по отношению к СМПО Foreman протекает с заметным отставанием; аппаратная платформа создавалась на базе дешевой китайской FriendlyARM; существенные ограничения и относительно высокая цена при прямом подключении к стойкам ЧПУ; незначительное количество поддерживаемых форматов для экспорта отчетов; терминалу-регистратору требуется внешнее электропитание.

Веб-сайт: http://www.intechnology.ru

 
Рис. 18. Главная страница сайта АИС “Диспетчер”.

СМПО Foreman

Система мониторинга промышленного оборудования Foreman — первый российский продукт для мониторинга станочного парка предприятия, давший пример для подражания (и копирования) прочим отечественным разработчикам. В конце 2015 года разработчик выпустил новое поколение системы, значительно обновив программные и аппаратные продукты, а в 2016 году СМПО Foreman получила государственную награду и стала победителем конкурса “Лучший инновационный продукт”, проводимого правительством Санкт-Петербурга в номинации “Информационные технологии и радиоэлектроника”. Веб-сайт продукта, пожалуй, самый красивый, современный и содержательный среди представленных в обзоре Цена аппаратной части СМПО Foreman в зависимости от модели электронного блока мониторинга варьируется в пределах от 50 000 до 75 000 руб. Система содержит большое количество программных и аппаратных продуктов. Набор базовых приложений мониторинга оценивается в 30 000 – 40 000 руб. на ед. оборудования. Существует возможность программного подключения к станкам с ЧПУ.

Преимущества: самая распространенная система мониторинга станков с ЧПУ в России; аппаратная масштабируемая платформа собственной разработки; первое в мире приложение для мониторинга станков при помощи умных часов Apple Watch, смартфонов и планшетных компьютеров на iOS и Android; электронный блок мониторинга Foreman Pro по множеству критериев превосходит терминал ТВВ10 в АИС “Диспетчер”; широкая поддержка СУБД в т. ч. SQL Server, Oracle, PostgreSQL; экспорт отчетов во множество форматов; функциональный редактор управляющих программ; 2-х летняя гарантия; коробочная интеграция с MRP-системой Гольфстрим (АСКОН); партнер MTConnect; российская разработка.

Недостатки: ограниченное количество поддерживаемых напрямую систем ЧПУ; отсутствие собственного приложения класса ТОиР; относительно высокая стоимость годовой поддержки.

Веб-сайт: http://monitoringcnc.ru

 
Рис. 19. Главная страница сайта СМПО Foreman.

НАВИМАН

Система "НАВИМАН" разработана дочерней компанией СОЛВЕР и представляет собой программное обеспечение, которое может быть дополнено аппаратной частью, что позволяет осуществлять в режиме реального времени контроль работы как технологического оборудования, так и производственного персонала промышленных предприятий. Ижевский продукт оказался самыми дорогим среди отечественных разработок и в этом отношении практически догнал решение от Siemens — каждый из продуктов обойдется заказчику не менее чем в 200 000 руб. за подключение одного станка и это без учета стоимости работ. Инженерно-консалтинговая фирма СОЛВЕР, пожалуй, обладает наиболее широкими возможностями по продвижению продуктов и лоббированию своих интересов. Разработчик уже успел представить "НАВИМАН" министру промышленности и торговли и даже организовал целый департамент “Системы навигационного управления производством”, решающий “задачи по внедрению на машиностроительных предприятиях новейшей инновационной разработки”.

Преимущества: симпатичный интерфейс приложений; программное обеспечение разработано в России; возможность прямого подключения к стойкам ЧПУ и работы с универсальным оборудованием.

Недостатки: аппаратная часть представляет собой компактный бытовой компьютер иностранного производства с ОС Windows, что вызывает вопросы о его инновационности и применимости в условиях цеха; мало реальных предприятий-пользователей; высокая итоговая цена решения.

Веб-сайт: https://www.atdev.ru

Рис. 20. Главная страница сайта системы НАВИМАН.

Средняя цена большинства как программно-аппаратных, так и программных продуктов находится в диапазоне от 100 до 200 тыс. руб. на 1 станок. Стоимость работ по монтажу терминалов мониторинга, обучению персонала, настройке ПО обычно достигает 30-70% от стоимости продуктов. При необходимости интеграции с системой управления производством, доработке функционала, подключении крупногабаритного или нестандартного оборудования стоимость решения может значительно вырасти.

Гистограмма 1. Средняя стоимость продуктов для мониторинга в расчете на 1 станок с ЧПУ, руб. Без учета стоимости необходимых работ по внедрению.

Заключение

Буквально за последние два года системы мониторинга станочного парка стали очень востребованным и даже модным в России IT-продуктом. С одной стороны, собственники заводов осознали, что существуют готовые инструменты для контроля эффективности работы оборудования, в приобретение которого они инвестировали немалые средства. С другой стороны, кампания импортозамещения и многочисленные “инновационные” фонды подготовили благодатную почву для появления молодых игроков, метко оценивших перспективы растущего рынка. Примета нашего времени — новички  делают все возможное, чтобы их продукт заметили “наверху” и способствовали его скорейшей монетизации. Надеемся, что подобные действия, совершаемые на благо развития промышленного интернета и повышения эффективности производства, в конечном счете не приведут к чрезмерному государственному регулированию в этой области или финансированию из бюджета новых проектов, которые будут клонировать то, что уже давно и успешно работает на наших предприятиях.

 
Рис. 21. MonitoringCNC в российской системе СМПО Foreman — первое и единственное в мире приложение для Apple Watch, позволяющее контролировать работу станков с ЧПУ прямо на запястье владельца.

В заключение добавим несколько рекомендаций, которые должны помочь при реализации проекта мониторинга станочного парка.

• Подумайте, что вы хотите получить от системы. Можно cобирать данные о работе оборудования либо повышать эффективность производства, уменьшая неплановые простои. В первом случае достаточно чисто программного решения, во втором — потребуется программно-аппаратный продукт, обеспечивающий взаимодействие оператора и цеховых служб с системой.
• Узнайте, поддерживают ли ваши станки программную технологию сбора данных. Если часть станков не допускает прямой информационный обмен с сервером мониторинга по локальной сети, то, возможно, стоит предпочесть аппаратное решение.
• Учтите, что контроль нагрузки на шпиндель не дает 100% гарантии того, что на станке обрабатывается заготовка, а не “воздух”. Более современный и корректный способ — использование сканера штрих-кода для учета выполняемых операций и фактического количества изготовленных деталей.
• Обратите пристальное внимание на терминал мониторинга и представьте, что случится через пару месяцев с планшетным или иным бытовым компьютером, изначально не предназначенным для работы на производстве в условиях вашего цеха.
• Не думайте, что оператор станка непременно хочет всех обмануть. При наличии в системе мониторинга функционала уведомлений и обратной связи с цеховыми службами, человеческий фактор сыграет положительную роль в повышении эффективности производства.
• Желательно, чтобы аппаратная часть системы не получала электропитание через внешний блок питания от самого станка. Для терминалов мониторинга, устанавливаемых непосредственно на оборудовании, технология PoE позволит обеспечить работу системы при его отключении, а заодно упростит монтаж.
• Опыт показывает, что беспроводная сеть — не лучший вариант для реализации проекта мониторинга станочного парка, особенно если система используется для передачи управляющих программ.
• Идея сэкономить и не устанавливать терминалы мониторинга на каждом станке, а воспользоваться “коллективным пультом” или информационным киоском может привести к снижению достоверности вводимых причин простоя и возникновению коллективной ответственности. Представьте, как подобное решение будет работать в условиях вашего производства.
• Не требуйте от системы мониторинга решения всех производственных проблем. Возможно, что для передачи программ обработки на станки, планирования технического обслуживания и ремонта (ТОиР), формирования сменно-суточных заданий будет разумнее приобрести специализированное программное обеспечение.