設(shè)備綜合效能分析系統(tǒng)的框架研究??

楊悅欣 任工昌

(陜西科技大學(xué)，陜西西安710021)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈,制造業(yè)企業(yè)要想持續(xù)的獲得高的經(jīng)濟(jì)效益,最大化地挖掘和改善.生產(chǎn)車間的生產(chǎn)效率顯得極其重要,在某些方面,它甚至成為企業(yè)是否可以贏利的決定性因素.然而,在現(xiàn)在的制造業(yè)中,看似良好運(yùn)作的生產(chǎn)車間實(shí)際上并沒(méi)有以最好的狀態(tài)進(jìn)行工作,設(shè)備和操作人員的價(jià)值存在很大的改善空間,這無(wú)形中為企業(yè)帶來(lái)了巨大的損失.為了解決這一問(wèn)題,國(guó)際制造業(yè)提出了全局設(shè)備效率的概念.設(shè)備綜合效率是overall equipment effectiveness,簡(jiǎn)稱OEE[1-2].一般,每一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備都有自己的理論產(chǎn)能,要實(shí)現(xiàn)這一理論產(chǎn)能必須保證沒(méi)有任何干擾和質(zhì)量損耗.它是一種嚴(yán)格的機(jī)器總體性能的衡量手段,提示時(shí)間浪費(fèi)存在于哪里,統(tǒng)計(jì)各種時(shí)間浪費(fèi)的目的在于實(shí)現(xiàn)改進(jìn).

1 OEE模型的建立

設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)備維修、設(shè)備換裝、停電、停水、啟動(dòng)預(yù)熱、工人誤操作、堵塞、次品等原因造成設(shè)備綜合效能受到影響[3-5].根據(jù)分析企業(yè)中的設(shè)備的時(shí)間關(guān)系圖如圖1所示.

1.1 時(shí)間關(guān)系描述

其中計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間＝理論生產(chǎn)時(shí)間-計(jì)劃停機(jī)時(shí)間.理論生產(chǎn)時(shí)間也可稱為班次總時(shí)間,即企業(yè)所有班次的總時(shí)間.計(jì)劃停機(jī)時(shí)間主要是由節(jié)假日、會(huì)議、年修、定修、無(wú)訂單生產(chǎn)、作休制度等有計(jì)劃性的停產(chǎn)、待機(jī)造成的時(shí)間損失.

實(shí)際運(yùn)行時(shí)間＝計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間-非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間.非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間是指因設(shè)備突發(fā)故障或者是停水、停電所造成的時(shí)間損失.

凈運(yùn)行時(shí)間＝實(shí)際運(yùn)行時(shí)間-速度損失.速度損失包括3個(gè)方面:①啟動(dòng)損失:設(shè)備在啟動(dòng)過(guò)程需要等待一定的工藝條件后才能正產(chǎn)生產(chǎn)造成的損失(比如說(shuō)預(yù)熱)；②低速損失:設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)槟承┰虺霈F(xiàn)速度波動(dòng),此時(shí)的設(shè)備不能以額定的速度生產(chǎn),從而帶來(lái)?yè)p失；③空轉(zhuǎn)暫停:設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中由于工人的誤操作、堵塞等特殊事件所引起的設(shè)備出現(xiàn)空轉(zhuǎn)所造成的損失[6-7].

有價(jià)值運(yùn)行時(shí)間＝凈運(yùn)行時(shí)間-質(zhì)量損失.質(zhì)量損失為設(shè)備生產(chǎn)出不合格品所造成的損失.

1.2 OEE計(jì)算方式

設(shè)備的OEE的計(jì)算公式如下所示:

OEE＝可利用時(shí)間效率(EA)×設(shè)備性能效率(PE)×合格品率(RQ)

其中3個(gè)部分的計(jì)算公式如下所示:

1.3 時(shí)間獲取方式

根據(jù)圖1,計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間的獲得需要知道理論生產(chǎn)時(shí)間和計(jì)劃停機(jī)時(shí)間.理論生產(chǎn)時(shí)間可由企業(yè)的實(shí)際情況獲得,比如企業(yè)一天是2個(gè)班次,一個(gè)班次8 h,則一天內(nèi)的理論生產(chǎn)時(shí)間是16 h.計(jì)劃停機(jī)時(shí)間可由企業(yè)提前制定好停機(jī)計(jì)劃表中獲取,該表中會(huì)記錄不同設(shè)備的計(jì)劃停機(jī)情況.通過(guò)

設(shè)備編號(hào)和統(tǒng)計(jì)時(shí)間段(天/周/月/季度/年度)可以得到某臺(tái)設(shè)備的計(jì)劃停機(jī)時(shí)間.

非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間可以從停機(jī)記錄表中獲取.從該表中根據(jù)設(shè)備編號(hào)和統(tǒng)計(jì)時(shí)間段(天/周/月/季度/年度)來(lái)獲取某臺(tái)設(shè)備的停機(jī)時(shí)間.

凈運(yùn)行時(shí)間需要從企業(yè)生產(chǎn)車間的現(xiàn)場(chǎng)獲取設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間、低速運(yùn)行時(shí)間以及堵塞時(shí)間等.這些時(shí)間的獲取比較困難,因此在本系統(tǒng)中凈運(yùn)行時(shí)間通過(guò)統(tǒng)計(jì)該設(shè)備在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)實(shí)際加工的產(chǎn)品個(gè)數(shù)乘以該設(shè)備的生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品的理論速率來(lái)獲得.比如某臺(tái)設(shè)備加工一個(gè)產(chǎn)品的理論速率是1 min/個(gè),在一個(gè)班組時(shí)間內(nèi)(8 h)內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)了400個(gè)產(chǎn)品,則該設(shè)備的凈運(yùn)行時(shí)間為1 min/個(gè)×400個(gè)＝400 min,同時(shí)可以得到在一個(gè)班組時(shí)間內(nèi),這臺(tái)設(shè)備的速度損失時(shí)間為480-400＝80 min.

某臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)的總產(chǎn)品數(shù)量和各產(chǎn)品數(shù)量都可以從生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取.由此可以統(tǒng)計(jì)出合格品率.

2 OEE分析系統(tǒng)整體架構(gòu)

根據(jù)上文的分析得到綜合效能分析系統(tǒng)的整體框架如圖2所示.其中企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)RTU(遠(yuǎn)程終端單元)、DCS(分布式控制系統(tǒng))、PLC(可編程控制器)從不同設(shè)備獲取,這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總到OPC服務(wù)器中,為每一個(gè)所采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)(生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量、合格品數(shù)量、設(shè)備電壓、設(shè)備電流等)有一個(gè)唯一的OPC Item來(lái)標(biāo)識(shí).

OEE配置端用于提供綜合效能分析系統(tǒng)中需要配置的相關(guān)信息的界面,這些需要配置的信息包括:①將生產(chǎn)線上所有設(shè)備的計(jì)劃停機(jī)信息導(dǎo)入到企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的停機(jī)計(jì)劃表中；②編輯或者是導(dǎo)入需要分析綜合效能的設(shè)備的生產(chǎn)速率；③配置設(shè)備的停機(jī)相關(guān)屬性(比如設(shè)備的停機(jī)時(shí)間閾值,該值用于確定多少秒后的停機(jī)信息才記錄到停機(jī)記錄表中)；④配置不同設(shè)備的停機(jī)原因(比如設(shè)備磨損、異常操作、超負(fù)荷等)；⑤配置某臺(tái)設(shè)備所關(guān)聯(lián)的OPC Item(數(shù)據(jù)采集點(diǎn))及該OPC Item的采樣頻率.

生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)從企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取用戶在OEE配置端配置的停機(jī)相關(guān)屬性和停機(jī)原因,從OPC服務(wù)器中獲取生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(比如說(shuō)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)),產(chǎn)生不同設(shè)備的停機(jī)記錄和統(tǒng)計(jì)不同設(shè)備所生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量以及不合格數(shù)量.

OEE數(shù)據(jù)分析顯示端為用戶提供選擇設(shè)備及統(tǒng)計(jì)時(shí)段的界面以及根據(jù)用戶的選擇調(diào)用數(shù)據(jù)分析程序?qū)⒃O(shè)備的可利用時(shí)間效率、設(shè)備性能效率、合格品率、設(shè)備綜合效能以及設(shè)備停機(jī)原因分類統(tǒng)計(jì)信息通過(guò)圖形展示給用戶.

數(shù)據(jù)分析程序用于根據(jù)用戶在OEE數(shù)據(jù)分析顯示端所選擇的設(shè)備以及統(tǒng)計(jì)時(shí)段從企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中去統(tǒng)計(jì)分析設(shè)備的可利用時(shí)間效率、設(shè)備性能效率、合格品率、設(shè)備綜合效能以及設(shè)備停機(jī)原因分類統(tǒng)計(jì)信息.

3 應(yīng)用實(shí)例

設(shè)備綜合效能分析系統(tǒng)以某液力變矩器生產(chǎn)企業(yè)作為應(yīng)用對(duì)象,選取該企業(yè)液力變矩器泵輪生產(chǎn)線上的最后一道工序“車泵輪止口”所使用的車床作為實(shí)例來(lái)進(jìn)行OEE分析.

首先對(duì)于該企業(yè)的生產(chǎn)狀況作一個(gè)簡(jiǎn)單的描述.該企業(yè)是一天8 h工作制,周末休息.則該企業(yè)所有設(shè)備在一個(gè)月內(nèi)(按22天計(jì)算)的理論生產(chǎn)時(shí)間為

60×8×22＝10 560 min

接著需要在OEE配置端進(jìn)行如下信息的配置:

①導(dǎo)入該企業(yè)在某個(gè)自然月內(nèi)(一般是在這個(gè)自然月開(kāi)始前導(dǎo)入)所有設(shè)備的停機(jī)計(jì)劃信息.從中可以獲取該車床在這個(gè)自然月內(nèi)總共的計(jì)劃停機(jī)時(shí)間為540 min.

②需要配置該車床的加工時(shí)間為120 s(即理論上每隔120 s該車床最終完成一個(gè)泵輪成品的生產(chǎn)).

③配置該車床的停機(jī)相關(guān)屬性,該設(shè)備的停機(jī)閾值為10 s,表示該設(shè)備的暫停狀態(tài)維持超過(guò)10s生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理程序才會(huì)在企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中產(chǎn)生一條停機(jī)紀(jì)錄.

④編輯該車床的所有的停機(jī)原因,還需要為不同的停機(jī)原因配置停機(jī)原因識(shí)別碼(用4位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示,比如說(shuō)異常操作這一停機(jī)原因的識(shí)別碼為0001).

⑤配置該設(shè)備所關(guān)聯(lián)的OPC Item,一個(gè)OPC Item就是一個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn),該設(shè)備的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)包括該設(shè)備的狀態(tài)點(diǎn)(表示該設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài):開(kāi)機(jī)或停機(jī))、設(shè)備的停機(jī)原因數(shù)據(jù)點(diǎn)(在設(shè)備停機(jī)時(shí)反饋設(shè)備的停機(jī)原因識(shí)別碼)、生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量數(shù)據(jù)點(diǎn)(該設(shè)備所生產(chǎn)的產(chǎn)品的總數(shù)量,該數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的值每天保存一次到數(shù)據(jù)庫(kù)中,保存完后清零)等.

通過(guò)一個(gè)月的實(shí)際生產(chǎn),在企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中產(chǎn)生了該設(shè)備的相關(guān)記錄信息(包括這個(gè)月內(nèi)該設(shè)備的所有停機(jī)記錄以及該設(shè)備在這個(gè)月內(nèi)所生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量),該設(shè)備在這個(gè)月內(nèi)所生產(chǎn)的合格品數(shù)量是由人工統(tǒng)計(jì)完輸入的.

統(tǒng)計(jì)這個(gè)月內(nèi)該車床的設(shè)備綜合效能,首先得到該設(shè)備的計(jì)劃停機(jī)時(shí)間為540 min,這個(gè)月內(nèi)的理論生產(chǎn)時(shí)間為10 560 min.經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)該設(shè)備在這個(gè)月內(nèi)的所有停機(jī)記錄的停機(jī)時(shí)間總和為437 min.該設(shè)備這個(gè)月內(nèi)總共生產(chǎn)了4 127個(gè)泵輪,其中合格品的數(shù)量為4 011件.根據(jù)相關(guān)公式可得該設(shè)備的相關(guān)性能效率:

EA＝(10 560-540-437)/(10 560-540)＝95.6%

PE＝(4 127×2)/(10 560-540-437)＝ 86.13%

RQ＝4 011/4 127＝97.19%

OEE＝EA×PE×RQ＝95.6%×83.16%×97.19%＝80%

4 結(jié)語(yǔ)

將設(shè)備綜合效能分析系統(tǒng)應(yīng)用于制造業(yè)企業(yè)可以獲取企業(yè)生產(chǎn)線上的設(shè)備的可利用時(shí)間效率(EA)、設(shè)備性能效率(PE)、合格品率(RQ)以及設(shè)備綜合效能(OEE).了解在一段時(shí)期內(nèi)設(shè)備的情況,并及時(shí)對(duì)于影響EA、PE、RQ以及OEE的原因進(jìn)行分析,提高制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率.讓制造業(yè)企業(yè)獲得持續(xù)較高的經(jīng)濟(jì)效益,最大化的挖掘和改善企業(yè)的生產(chǎn)力,保證企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持不敗.