SPC: Co to jest Statystyczne Sterowanie Procesem?

Wprowadzenie

Statystyczne sterowanie procesem określane także jako statystyczna kontrola procesu to metoda opracowana w celu sterowania (kontrolowania) danej charakterystyki procesu lub produktu.

Ogólna idea polega na tym, że taniej jest sprawdzać jakość produktów lub procesów poprzez regularne mierzenie małej próbki, zamiast weryfikowania 100% wyrobów. W niektórych przypadkach, kiedy sprawdzenie wyrobu jest testem niszczącym, taka 100% kontrola jest po prostu niemożliwa

SPC pozwala na nadzorowanie procesu produkcji w oparciu o uprzednio ustalone zasady. Pobieramy z procesu małą próbkę (np. 3 szt. produktu), następnie ją oceniamy i nanosimy wynik na tzw. kartę kontrolną jako nowy punkt. Jeżeli ten nowy wynik wskazuje, że wszystko jest "w normie", to kontynuujemy produkcję. Jeżeli jednak wynik wskaże, że wystąpiło jakieś nietypowe zaburzenie, to wtedy regulujemy proces. To jest właśnie idea sterowania procesem.

SPC można stosować zarówno do parametrów procesu (wejście), jak i do charakterystyk produktu (wyjście z procesu). Jeśli jest to technicznie wykonalne, należy położyć większy nacisk na monitorowanie parametrów procesu, aby uzyskać bardziej powtarzalne i stabilne wyniki - czyli produkty o wyższej jakości. Zasady monitorowania należy ująć w odpowiednim planie kontroli.

SPC wykorzystuje nie tylko karty kontrolne, ale także inne narzędzia pomocnicze, takie jak: histogram, testy statystyczne, stratyfikacja danych, wskaźniki zdolności procesu itd.

Niniejszy artykuł to wprowadzenie do statystycznej kontroli procesu (SPC), więc proszę pamiętać, że pewne aspekty zostały uproszczone.

A więc... do lektury!

Historia SPC

• 1920+. Początki SPC sięgają czasów pionierskiej pracy dr Waltera A. Shewharta w Bell Telephone Laboratories. Shewhart opracował koncepcję karty kontrolnej, podstawowego narzędzia w SPC, do monitorowania i sterowania procesami produkcyjnymi.
• 1931. Shewhart napisał książkę[1], w której przedstawił koncepcję wykorzystania metod statystycznych do rozróżnienia między normalnymi zaburzeniami procesu a przyczynami specjalnymi, które wymagają analizy. Tytuł tej książki to "Economic Control of Quality of Manufactured Product". Ta publikacja stworzyła podwaliny dla współczesnej kontroli jakości.
• 1931+. Idee Shewharta zyskały szersze uznanie. Jego kolega, dr W. E. Deming, dalej promował jego pracę i gorąco popierał stosowanie SPC do poprawy jakości[2].
• 1940+. Metody SPC zostały zastosowane w Stanach Zjednoczonych podczas II wojny światowej, przede wszystkim w produkcji amunicji i innych krytycznych produktów, gdzie jakość miała kluczowe znaczenie.
• 1950+. Po II wojnie światowej W. E. Deming przebywał w Japonii. Przekazał on japońskiemu przemysłowi zasady doskonalenia jakości, a więc także metodę SPC[3]. Przemysł tego kraju wdrożył te zasady doskonalenia do swoich procesów produkcyjnych, znacząco poprawiając jakość i wydajność. Pod wpływem nauki dr. Deminga, Pan Kaoru Ishikawa spopularyzował[4] podstawowe narzędzia jakości, obecnie znane jako:
  • Karta kontrolna
  • Histogram
  • Arkusz kontrolny
  • Stratyfikacja danych
  • Diagram przyczynowo-skutkowy znany także jako Diagram Ishikawy
  • Wykres Pareto
  • Diagram korelacji
• 1980+. Począwszy od lat 80-tych, przemysł w USA i w Europie przyjął SPC jako istotne narzędzie doskonalenia jakości. W. E. Deming odegrał znaczącą rolę w tym ruchu dzięki swojej książce "Out of the Crisis"[5] oraz dzięki prowadzeniu szkoleń dla amerykańskiego przemysłu. Jego praca pomogła podnieść świadomość na Zachodzie na temat korzyści płynących z SPC. Dodatkowo, rząd Stanów Zjednoczonych przyczynił się do tej przemiany, wprowadzając Narodową Nagrodę Jakości Malcolma Baldrige'a w 1987 roku[6], która zachęcała firmy do przyjęcia różnych technik poprawy jakości, łącznie z SPC. Europa Zachodnia przyjęła podobne podejście, wprowadzając Europejską Fundację Zarządzania Jakością (EFQM) w 1989 roku[7].
• 1990+. Motorola wprowadziła metodologię Six Sigma, zawierającą między innymi SPC. W latach 90tych tzw. „Wielka trójka z Detroit” czyli General Motors, Ford i Chrysler, opracowała "Podręcznik referencyjny SPC" jako część systemu zarządzania jakością QS-9000. Był to bardzo ważny krok w standaryzacji tych praktyk w całym przemyśle motoryzacyjnym.
• 2000+. Metody SPC na dobre zdobyły popularność w przemyśle. Takie podręczniki jak AIAG SPC oraz VDA Volume 4 są niemal standardem w sektorze motoryzacyjnym. W tym samym czasie równolegle wydano szereg norm ISO związanych z SPC. Przykładowe standardy to: ISO 11462-1, ISO 7870 (seria) i ISO 22514. Te działania ugruntowały wytyczne dotyczące statystycznej kontroli procesu w przemyśle.

Zmienność w procesie

Zmienność jest nieodłącznym elementem wszystkich procesów produkcyjnych. Może wynikać z wahań jakości materiałów, stopniowego zużycia maszyn, fluktuacji warunków środowiskowych, błędów w ustawieniach urządzeń, a także z zakłóceń i drgań występujących w trakcie produkcji. Ta zmienność prowadzi do niewielkich różnic w wytwarzanych produktach. Z punktu widzenia SPC, zmienność procesu jest efektem działania przyczyn normalnych oraz czasami przyczyn specjalnych.

Przyczyny normalne

Przyczyny normalne znane również jako "przyczyny naturalne" lub "przyczyny losowe" są nieodłącznym elementem procesu i są niemal ciągle obecne. Te zmiany są zazwyczaj niewielkie i ich średnia niewiele zmienia się w czasie. Możemy więc z pewnym uproszczeniem stwierdzić, że przyczyny normalne to małe, losowe czynniki, ciągle zakłócające proces - ale w "przewidywalny sposób".

Przykłady przyczyn normalnych w procesie wiercenia otworów w metalu:

• Zużycie narzędzia (typowe).
• Wibracje maszyny (wynikające z konstrukcji maszyny).
• Zmienność parametrów materiału (w ramach specyfikacji).
• Wahania przepływu cieczy chłodzącej.
• Zmienność warunków środowiskowych (niewielkie, typowe zmiany spotykane w zakładzie).

Zmniejszenie wpływu tych czynników jest możliwe przez wprowadzenie zasadniczych zmian w procesie, np. zmiana maszyny na bardziej dokładną, wprowadzenie klimatyzacji na hali, automatyzacja itp.

Przyczyny specjalne

Przyczyny specjalne to niechciane zdarzenia, które powodują znaczne odchylenia od normalnej zmienności procesu. Zazwyczaj można przypisać je do konkretnego zjawiska, które należy ograniczyć lub wyeliminować.

Przykłady przyczyn specjalnych w procesie wiercenia otworów w metalu:

• Uszkodzenie narzędzia.
• Nadmierne wibracje maszyny (zbliżająca się awaria).
• Właściwości materiału niezgodne ze specyfikacją.
• Częściowo zatkana dysza chłodziwa lub zanieczyszczenie filtrów.
• Nagła zmiana warunków otoczenia (np. szybki spadek temperatury po otwarciu okien w zakładzie).

Rola kart SPC

Celem kart SPC jest rozróżnienie między przyczynami normalnymi (naturalnymi, nieodłącznymi fluktuacjami) a przyczynami specjalnymi (nadmiernymi zmianami, awariami, problemami) w monitorowanym procesie. Czyli możemy powiedzieć, że karta kontrolna pomaga w sterowaniu procesem poprzez wskazywanie, kiedy faktycznie należy regulować proces, a kiedy nie trzeba reagować.

Poniższe elementy karty kontrolnej pomagają w rozróżnieniu przyczyn:

• Linia średniej procesu. Znana również jako "linia centralna", reprezentuje oczekiwaną średnią wartość kontrolowanej (mierzonej) cechy. Ta linia pomaga dostrzec przesunięcia lub trendy w procesie, wskazując, kiedy proces działa inaczej niż oczekiwano.
• Limity kontrolne. Są to linie typowo ustawione w odległości ±3 odchylenia standardowe od linii średniej procesu. Limity kontrolne zapewniają szybkie wskazanie, kiedy proces wykracza poza swoje granice.

Niektóre przyczyny specjalne mogą występować w granicach limitów kontrolnych i mogą być niezauważone. Zalecam korzystanie z testów Nelsona w celu identyfikacji tych "ukrytych" przyczyn specjalnych. Testy Nelsona pomagają wykryć takie problemy, jak przesunięcia średniej, trendy oraz inne zaburzenia. To pozwala upewnić się, że żadna specjalna przyczyna nie pozostanie niezauważona.

Rodzaje kart SPC

Statystycy opracowali wiele typów kart statystycznej kontroli procesu (SPC). Najpopularniejsze z nich to:

• X-R. Karta średniej (X) i rozstępu (R). Najczęściej stosowana karta w przemyśle.
• X-s. Karta średniej (X) i odchylenia standardowego (s).
• X_m-R. Karta mediany (Xm) i rozstępu (R).
• I-MR. Karta pojedynczych obserwacji (I) i ruchomego rozstępu (MR).
• p. Karta proporcji jednostek niezgodnych.
• np. Karta liczby jednostek niezgodnych.
• c. Karta liczby niezgodności.
• u. Karta liczby niezgodności na jednostkę.

Istnieją także inne, rzadziej spotykane karty kontrolne takie jak:

• CUSUM. Cumulative Sum Chart.
• EWMA. Exponentially Weighted Moving Average Chart.

Wskaźniki zdolności

Wskaźniki zdolności porównują granice procesu w odniesieniu do ustalonych limitów specyfikacji. Typowe wskaźniki:

• Cp Cpk - Zdolność procesu (ang. Process Capability).
• Pp Ppk - Wydajność procesu (ang. Process Performance).
• Cm Cmk - Zdolność maszyny (ang. Machine Capability).

Dodatkowo, Analiza Systemu Pomiarowego (MSA) wykorzystuje Zdolność Przyrządu Pomiarowego (Cg, Cgk) w ramach tak zwanego "Badania typu I".

Producenci używają wskaźników zdolności, aby zrozumieć i zakomunikować, jak dobrze proces, maszyna lub przyrząd pomiarowy działa w odniesieniu do limitów specyfikacji. Przemysł ustanowił minimalne limity dla tych wskaźników; na przykład wartość Cp lub Cpk większa niż 1,67 jest obecnie powszechnym wymogiem.

Standardy SPC

Kilka norm ISO oraz standardów branżowych określa wymagania dla kart kontrolnych oraz ustala zasady obliczania wskaźników zdolności. Poniżej znajduje się lista głównych dokumentów:

• AIAG SPC. "Statistical Process Control (SPC)" Reference Manual
• VDA Volume 4. "Quality Assurance in the Process Landscape"
• AESQ AS13006. "Process Control Methods"
• ISO 22514 (series). "Statistical Methods in Process Management - Capability and Performance"
• ISO 7870 (series). "Control Charts"
• ISO 8258 "Shewhart Control Charts"

Podsumowanie

Skuteczne korzystanie z kart kontrolnych SPC oraz wskaźników zdolności wymaga przede wszystkim zrozumienia ich prawdziwego przeznaczenia, nauczenia się, jak je tworzyć, a następnie właściwego korzystania z nich.

Wdrożenie SPC może być wyzwaniem. Szkolenie to dopiero początek tej drogi; stosowanie kart SPC w czasie rzeczywistym jest często znacznie trudniejsze. W niektórych organizacjach może być bardzo trudno przekonać operatorów do zatrzymania procesu w celu dokonania korekt przed wystąpieniem problemu z produktem, zwłaszcza jeśli nacisk w takiej firmie jest kładziony tylko na wydajność.

Kluczowe jest również zrozumienie monitorowanej charakterystyki. Czy ma ona rozkład normalny? Jeśli nie, należy pamiętać, że niektóre obliczenia SPC, takie jak wskaźniki Cp Cpk, zakładają rozkład normalny i mogą powodować nieporozumienia.

SPC to niezwykle ważna metoda w arsenale każdego inżyniera i każdy Super Inżynier 😊 powinien rozumieć jej znaczenie w pracy zawodowej.