啤酒包裝線效率的評估方法研究

馮消冰，劉文龍，張五九，王德良

（1.中國食品發酵工業研究院，北京 100015；2.北京泰清科技有限公司，北京 100080）

啤酒包裝線效率的評估方法研究

馮消冰1，劉文龍2，張五九1，王德良1

（1.中國食品發酵工業研究院，北京 100015；2.北京泰清科技有限公司，北京 100080）

該文主要闡述在啤酒包裝生產過程中量化各種生產線效率指標的方法論和實現過程，目的在于對包裝生產線效率和啤酒企業效率進行合理有效的評估，其中涉及相關機臺的實時監控、數據采集、分析計算和結果輸出等一系列過程。在進行各種生產線效率評估的過程中，充分考慮了由于各種因素所導致的時間損失，包含無灌裝計劃時間、特殊類計劃時間、計劃停機時間、外部原因時間、故障時間和有效生產時間。對每一種時間劃分做了明確的定義與劃分。同時在理論支撐的基礎上設計并實現了效率評估系統，通過界面的呈現，進一步驗證了生產線效率的有效性與實時性。該評估方法最大的亮點在于客觀評估實際過程中所遇到的各種情況，可以全面準確的反映啤酒生產企業目前的效率和所存在的問題。

啤酒包裝生產線；數字化工廠；智能制造；生產線效率

當前啤酒包裝生產線主要由洗瓶機、灌酒機、殺菌機和貼標機等一系列機臺組成。啤酒企業發展較快，自動化程度也越來越高，相關技術也在不斷發展，但在自動化效率等一些環節上還是與跨國大型啤酒企業有一定技術差距。就同樣能力的機型而言，國產設備的瓶損率和酒損率大約為2.5%，而國外相同指標是0.5%；國產貼標機的皺標和碎標問題依然比較突出，然而啤酒包裝生產線上故障率是影響生產效率的一個重要因素［1］。另外，企業包裝生產線管理方面也存在一定的不足：分廠車間之間沒有統一的控制系統，對生產造成一定的浪費；生產車間包裝線現場與管理人員信息交互存在及時性與準確性方面的問題，進而影響生產效率。為了解決包裝線信息管理的瓶頸和生產線效率評估的問題，并為生產決策提供依據，建立線效率評估勢必所趨［2］。一般來說，生產線信息管理評估系統是人員、過程、數據庫和設備有組織的集合，是加快完成管理者與執行者之間信息交換的一種方法，可為管理人員和決策者提供生產線日常信息，其目標是要在建立的計算機信息系統平臺上把原有的管理模式和生產信息進行整合和完善［3-4］。

1　啤酒包裝線效率評估原理

1.1啤酒灌裝時間劃分

啤酒灌裝在生產過程中會遇到各種因素導致的時間損失，影響程度各不相同，導致停機時長也會有所不同，基于日常停機原因和停機時長，歸納了如下幾類停機時間：

無灌裝計劃時間是因無訂單、節假日等原因，生產管理部門要求灌裝部門停產的時間，此時間段內，生產線上沒有任何生產活動。特殊類計劃時間包括一些新項目的測試時間、新材料的測試時間和一些其他特別規定的停機時間。計劃停機時間是管理部門所安排的一些例行時間（如大修、預防性維護、工藝清洗、泡沫清洗、交接班清潔、就餐、培訓、換線、停機啟動時間等）。外部原因時間是由于其他部門的原因（如停水停電、釀造部酒液不到位、采購部包裝材料不夠、物流部倉庫沒位置和原料不足等）。故障時間包含機械故障、電氣故障、自動化控制故障、儀表故障、操作故障等。有效生產時間是去除以上各類停機造成的時間損失以外，正常進行生產的時間。也可以用入庫產量除以額定速度來進行計算有效生產時間［5］。

1.2評價指標

啤酒包裝生產線有4種關鍵績效指標（keyperformance indicator，KPI）來評價整個企業管理程度以及生產效率。總資產利用率是體現資產充分利用的評價指標，保持在合理區間，可以避免超負荷運轉，也要避免資源過分浪費。線毛產出率包含生產過程中造成停機的所有時間，是工廠生產管理層的線效率指標，用來評價工廠生產組織系統綜合管理能力?？傇O備利用率是去除了計劃停機時間，如預防性維修和各種清洗以及品種轉換時間，綜合體現了生產跨部門之間的協調水平。一般用來評價灌裝總車間綜合管理能力。線效率是排除所有外部原因停機時間，設備在除去外部因素情況下運轉，此指標用來衡量啤酒生產線和設備維護部門的管理水平［6］。生產線各評價指標的計算方法見表1。

表1　生產線效率指標計算Table 1 Calculation of production line′s efficiency

2　啤酒包裝線效率評估實現方式

評估輸入部分描述了如何繪制速度V-曲線圖，如何構建總資產利用率，線毛產出率，總設備利用率和線效率的過程。實施方法部分主要從系統架構層面宏觀認識系統布局，直觀的體現了系統分布情況，和相關的組成部分，同時也描述了如何在生產線設備末端把開關機信號采集轉化成停機記錄，如何采集設備速度，如何實現合格品與殘次品的技術統計。評估輸出部分將具體呈現效率評估結果和設計出的系統呈現，包括包裝生產線效率評估系統，包裝生產線停機記錄和包裝生產線效率。實現了包裝生產線數字化效率評估。為后續優化提供可靠的基礎。

2.1評估輸入

構建生產線設備速度數據。通過速度V-曲線（見圖1）鎖定影響生產線效率的關鍵設備。生產線的設計是圍繞著一個關鍵的機器設計的，在生產線上它是一個速度最慢且最昂貴的機器，這個關鍵設備通常指灌酒機或吹瓶-灌裝線性能主要是由這臺機器衡量的。所有的設備都應該比關鍵設備運行的快，繪制這些速度值產生的曲線叫做V型曲線，生產線具有集瓶臺，以防止機器立即關停影響上游設備［7］。

圖1　速度V-曲線示意圖Fig.1 Diagram of V-curve

理論上在關鍵設備的下游，速度呈現遞增趨勢，避免上游對下游造成累積發生故障。然后需要在此基礎上，設計關鍵設備的停機相關數據格式，包含班次、日期、起始時間、終止時間、持續時長、停機分類、故障機臺和故障類型信息［8］。

2.2實施方法

從實際布局拓撲圖和層次結構兩個方面展開論述生產線效率評估如何以信息系統的方式來實現。首先為了實現2.1章節里面的停機記錄數據需求，設計了圖2生產線網絡拓撲圖。

圖2　生產線網絡拓撲圖Fig.2 Topological diagram of packaging production line

生產線網絡拓撲圖描述了如何在灌裝包裝生產線上布局效率評估系統，中間會涉及到哪些設備和技術以及輸入和輸出分別是什么。需要對主要設備安裝可編程邏輯（programmable logic controller，PLC）控制器、數據采集器、光電開關和光電編碼器。

對于設備的速率，可以利用光電開關在灌裝機正常運轉狀態進行計數統計，然后除以對應的占用時間即可。然后實時信息通過PLC控制臺把數據傳遞到數據采集器，由數據采集器通過局域網網絡線將采集到的數據傳送到服務器中；對于設備開關信號、累積產量和運行時長這些信息，同樣需要通過帶有光電開關和光電編碼器的PLC控制臺來傳遞，然后再經過數據采集器通過局域網網絡線將數據傳送到服務器中。對于停機分類信息，可以分為兩部分：第一部分包括總時長、無灌裝計劃時間、特殊類計劃時間和計劃停機時間，預設在本評估系統配置模塊中，這部分時間信息大多屬于計劃性質，如果要減少這部分損失，需要從企業管理制度上面進行優化；第二部分包括外部原因造成的停機時間和因為生產線上相關故障導致的停機時間，可以利用視覺傳感器和傳感器測量系統，把不同的邏輯判斷加載到PLC控制器內部，比如當視覺傳感器探測到酒液沒有，說明屬于釀造部供應不足，造成停機，屬于外部原因停機。如果視覺傳感器探測到庫存超過一定警戒線，說明物流部原因造成停機。

在車間現場或辦公室可以安裝液晶電子看板，即時顯示每臺設備的運行狀態、停機記錄、累積運行時長和累積產量等相關信息。在辦公室任何地點或移動電腦中也可以隨時經過評估系統對包裝生產線的即時工作情況和歷史數據進行統計分析和查詢追溯。

在如上拓撲網絡的基礎上，可以進一步將該效率評估系統設計為四大模塊，如圖3所示。

圖3　生產線效率評估層次體系結構Fig.3 Level structure of production line′s efficiency evaluation

數據采集層通過連接生產設備的電氣系統或控制系統，對設備運行實時數據進行自動采集，包括設備速率、開關機信號、產品計數、故障狀態等信息［9-10］。對于復雜程度較高的設備，造成停機可能有多種因素，對各種會導致停機、低速運行、空轉暫停等狀態的原因進行邏輯判斷定義及代碼定義，以方便管控系統自動對采集上來的數據進行分類記錄。網絡通信層的作用是為了實時、有效地監控所有生產設備的運行情況和在軟件平臺上動態反映生產線信息而設計的通訊協議，包括了三部分，通信輔助服務，以太網（數據傳輸的直接介質），和無線網絡（服務于移動客戶端，如手機APP的訪問），網絡通信層從PLC控制臺出發經由以太路由進入軟件平臺數據庫服務層。數據服務存儲層包括數據存儲、數據處理和數據備份三部分，該層負責數據相關的存儲和計算功能，相當于現實環境的倉庫功能，會包含一些調度任務等等，該層會負責設備綜合效率和整線綜合效率等各項指標的計算，其中也會涉及到設備效率的六大損失。用戶界面層實現用戶與系統的交互，系統向用戶傳遞生產線設備運行狀態、停機記錄、產線累積狀態和生產線效率評估結果，用戶通過系統對生產線實現有效管理。高級數據分析層負責數據統計分析，為管理決策提供各種管理報表，診斷停機故障原因，減少損失，有助于企業發現問題，從而有效提升整個生產系統的效率。

在數據服務存儲層中，上面提到內嵌了生產線效率核心計算。計算原理大致如下，對采集到的原始數據按照時間劃分規則對停機分類做歸類處理。計算出無灌裝計劃時間、特殊類計劃時間、計劃停機時間、外部原因停機和故障時間的具體時間分布，匯聚方法可以參照第二章節評估原理做累積就可以實現。

完成了如上網絡拓撲布局和層次體系結構設計之后，利用軟硬件環境：PLC控制臺（包含光電開關和光電編碼器），以太網路由器，PC服務器，以Java開發的前端界面系統，Oracle數據庫和Linux紅帽系統。通過部署評估系統，然后實現對停機記錄數據的獲取，按照2.1節描述的時間劃分規則對停機分類做歸類處理?？梢园凑仗熘芷冢苤芷冢蛘咴轮芷谟嬎愠鰺o灌裝計劃時間，特殊類計劃時間，計劃停機時間，外部原因停機和故障時間的具體時間分布。表2是匯聚了某天各類時間的分布情況，并且把時間種類對應了停機分類。

表2　停機分類匯聚Table 2 Downtime category′s cluster

2.3輸出

利用2.2節評估公式，完成生產線指標總資產利用率、線毛產出率、總設備利用率和線效率的評估，可以計算出相關的效率結果見表3。

基于3.2節的設計所實現的效率評估直觀呈現界面，不僅包含了設備運行狀態監控和設備故障輸出，同時包含了產線累積狀態和生產線效率評估四項內容結果［11］。用戶通過瀏覽器對系統進行訪問，系統對訪問人員進行權限設置，不同人員訪問不同內容，實現分級管理。系統界面上設計導航欄于頁面左側固定不變，功能模塊的劃分一目了然，用戶通過點擊導航欄的功能分類鏈接，可直接在主頁面進行相應的基礎業務的編輯以及數據統計的展觀［12-13］。系統通過圖表的形式展示統計分析的結果，如以儀表盤的形式反應實時、可用率、表現性、質量指數的值。

表3　生產線效率評估結果Table 3 Evaluation results of production line′s efficiency

另外，通過點擊歷史停機記錄按鈕，也可以獲取到歷史停機信息，可以按照不同的方式進行搜索，也可以按照日期階段來查閱停機記錄。

在包裝生產線首頁輸出了生產線總資產利用率、線毛產出率、設備綜合利用率和線效率四項趨勢圖，也可以直接進入系統內容調取所有歷史生產線效率分析結果。

3　總結

量化生產線總資產利用率、線毛產出率、設備綜合利用率和線效率四項指標對于企業來講有非常重要的意義［14-15］。包裝工業技術的未來是信息化、高效化、綠色化、人性化的，網絡信息技術的發展推動著傳統啤酒工業管理模式的創新與發展。該信息管理系統重點關注了設備與整線的效率分析，實現了包裝生產工廠管理層對啤酒包裝線的規范化管理，用戶通過該系統可實現班次、用戶權限等基礎業務的管理，還可通過在線監控、數據統計分析展觀等功能快速發現問題，減少了生產線損失，提高了產量和效率，并從整體上提升了企業競爭力。

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Efficiency evaluation method of beer package line

FENG Xiaobing1，LIU Wenlong2，ZHANG Wujiu1，WANG Deliang1
（1.China National Research Institute of Food&Fermentation Industries，Beijing 100015，China；2.Beijing Tai Tsing Technology Co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

This paper explained methodology to quantify the production efficiency indexes and implementation process of packaging production line in beer enterprise，and its purpose is to evaluate efficiency packaging production line and beer enterprise fairly.This methodology includes status monitoring，data collection，analysis，calculation and output.In the process of evaluating line efficiency，all kinds of time loss were involved，such as plan time without filling，special plan time，plan downtime，external reason，failure time，and efficient product time，and each time division was specifically defined.Based on theoretical support，efficiency evaluation system were designed as well，through the interface，the effectiveness of the production line efficacy and real-time performance was verified.The significant point of the methodology is to reflect the whole status of beer production line，which can accurately reflect the efficiency and existing problem of beer enterprise.

beer packaging line；digital factory；intelligent manufacturing；line efficiency

TS261.3

0254-5071（2016）03-0165-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.03.038

2015-12-10

馮消冰（1981-），男，高級工程師，博士，研究方向為生產線效率優化。