随着市场竞争日趋激烈,企业期望持续地获得较高的经济效益,最大化和改善车间现场生产过程中的生产效能显得越来越重要,它是提高生产效率,降低不合格产品数量,甚至成为企业是否可以赢利的决定性因素。然而实际情况下,企业生产过程中,设备并非是以最好的状态运行,设备、操作人员的效率存在很大的上升空间。企业需要一种行之有效的手段来改善生产过程,因此作为设备维护管理策略发展起来的全员生产维护(Total Productive Maintenance,TPM)提出了设备综合效能的概念。设备综合效能是一套衡量生产绩效的关键指标考核工具,包括可利用时间效率、设备性能效率和合格品率三个部分。OEE用于分析瓶颈因素,准确清晰地展示设备效率的实际状况,某些生产环节中的损失情况以及相应的改善措施等。
1 沈阳自动化研究所制造执行系统总体平台架构
OEE是制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)设计的重要内容之一。OEE数据用于测量单位设备的性能,设备性能可以通过即时或计划生产的综合报告进行实时测量。MES可以检测机器或设备的生产和运行状态,操作员实时掌握一个生产单元或整条生产线中的所有机器或设备的生产状态和生产效率。通过MES系统可以获取未排程时间、非计划停机时间和计划停机时间并获取工程时间、待机时间、加工的零件数量、返修数量、废品数量等关键要素。生产现场设备主要包括:(1)转换输入装置,传感器或者PLC设备;(2)获得现场数据和分析的可视化显示设备,如LED显示屏。
本文提出的OEE关键绩效指标评价系统是沈阳自动化研究所制造执行系统Shenyang Institute of Automation Manufacturing Execution System,SIA-MES)平台中一个重要组成部分,SIA-MES通过将身缠过程数字化,展现一个详尽透明的产品生产过程,以此建立完善、清晰的数据流、信息流。改软件平台通过生产现场的屋里设备中收集实时信息,建成一个可随时随地访问的数字化“虚拟工厂”并根据关键指标评价系统,实现对每个生产工序和每台设备的检测和追踪、对整个生产流程的全面掌控和对生产效率的实时评估与产品质量在线监测。SIA-MES平台系统结构如图1所示,其目标是通过构建产品模型、工厂建模、事件模型和执行模型等建立基本语义元的数字化描述。通过对生产事件、生产状态的描述和控制来实现生产活动的序列转换。最终利用计划调度、维护集成系统、设备关键绩效指标OEE考核等功能完成生产车间的数字化管理。
图1 SIA-MES平台系统结构图
2 设备综合效能定义
1971年日本设备维护协会开始推广全员生产维护TPM的生产管理方式,设备综合效能作为衡量生产力的重要考核指标之一。其定义如下:设备综合效能作为一套衡量生产过程关键绩效的工具,由三大部分结合而成,分别是可利用时间效率、设备性能效率和合格品率。关于设备综合效能。由于不同行业的特点,使得出现了许多不同的计算方法。但是,都与确定设备综合效能的这三个主要因素相关。其计算衡量结果以百分比方式表现为:设备综合效能(%)=可利用时间效率(Equipment Availability)×设备性能效率(Performance Efficiency)×合格品率(Rate of Quality Products)。
设备综合效能的古典定义是JIPM协会关于Overall Equipment Effectiveness的定义,并在许多行业中得到了广泛的应用。JIPM协会给出的设备综合效能计算方法如图2所示。在设备综合效能计算中,计算可利用时间效率时不包括计划的非生产时间,也就是在设备综合效能计算中没有考虑这些计划的非生产损失。
图2 设备综合效能定义
设备综合效能关键要素定义:TTSD为班次工作总时间;TUC为未排程时间;TPP为计划生产时间;TOP为操作时间;TiUSD为生产第i种产品时,总非计划停机时间;Tip为生产第i种产品时,总生产时间;Si为生产第i种产品时,每分钟最大产能;Ni为第i种产品总产量;Fi为第i种产品的次品总量。
设备综合效能的古典计算公式:
在以上设备综合效能的定义中,分别从时间损失、性能损失和质量损失等方面给出了六个最主要的效率损失来源。
(1)设备故障:由于设备故障停机造成的时间损失,故障停机减少合格产品产量。通常是指由于人机料法环等关键因素所造成的设备故障而引发的停机。
(2)换装调试:在生产完某一型号产品后,生产另一类型产品时由于工艺参数的变化而引发的换装和调试所产生的时间损失。换装时间可以分为内换装时间(在机器停机后才能完成操作)和外换装时间(在机器运转时可以完成操作)。这里不必记录外换装时间。
(3)空闲与短暂停机:由于操作人员误操作而造成的短暂停顿或设备本身发生的短暂停机时间损失。通常在5~10分钟之间,主要包括小调整或润滑保养活动造成的较小时间损失。
(4)减速损失:设计理论最大生产速度与实际运行生产速度之间的差别,表征正常发挥设备效率的指标。导致减速损失的原因包括原材料本身缺陷、设备长期生产的磨损损耗或生产的产品与设备设计不匹配等。
(5)加工缺陷:由于设备故障引起的产品质量缺陷而导致的返工时间损失,包括废品和次品。通常,偶发性缺陷可以通过点检和维护活动使得设备恢复至正常状态来降低,而慢性缺陷的原因难于被发现,只能通过加强日常保养来降低损失。
(6)启动损失:设备启动到稳定运行生产期间产生的时间损失和产品损失。损失程度因工序状态的稳定性、设备、夹具和模具的维护水平,操作技能的熟练程度等的不同而异。
3 系统主要功能与实现
图3 设备综合效能系统主要功能
系统主要包括系统配置静态数据、数据录入动态数据和分析结果展示三大部分,主要功能如下所示:
(1)班次配置:主要配置企业内部的班次信息,包括班次名称、班次工作时间。
(2)事件类别配置:主要配置企业内部的主要停机事件类别,通常包括设备故障、换装调式、空闲与短暂停机、减速损失等。
(3)事件原因配置:是对于停机事件类别的细化,通常根据该设备常见停机原因的描述。例如缺料、员工误操作等。
(4)统计类别配置:是定义造成不合格品和次品的主要原因,通常包括加工缺陷、启动损失。
(5)统计定义配置:是对统计类别的细化,通常根据该设备常见废品的产生原因进行配置。
(6)产品配置:主要配置该设备生产的主要成品或半成品的详细描述。
(7)产品标准配置:主要配置该设备生产的主要成品或半成品的最大理论产量。
(8)计划停机:主要配置每个班次所有的计划停机的时间总和。
(9)产量:设备在该班次内生产的所有产品的总数量,包括废品和次品。
(10)产品实例:设备在该班次内生产的每种产品的废品和次品总数。
(11)非计划停机:设备在该班次内每次非计划停机原因及停机时长。
(12)分析结果显示:根据班次、单体设备名称、时间段等信息,自动计算设备综合效能统计结果,并以报表方式展现给决策人员。
表现层是设备维护系统与用户的交互界面,使用微软WPF技术,通信层是分布式系统内部数据交换的机制,使用WCF数据传输技术,数据库持久层是业务数据的存储方式,选择Oracle数据库。数据库服务器运行于AIX 6操作系统,WCF服务器通过IIS宿主于Windows Server 2003操作系统。硬件方面,应用服务器、报表服务器、数据库服务器使用IBM X3650;整个设备综合效能系统使用面向服务的软件架构(SOA,Service Oriented Architecture),所有应用程序只能使用PDA、主机等设备,通过访问WCF服务器来间接访问数据库中的业务数据,大大提高了企业内部重要数据的完整性和安全性。在SOA架构应用中,服务是最核心的抽象手段,业务被划分为一系列粗粒度的业务服务和业务流程。业务眼务之间相对独立、自包含、可重用,由一个或者多个分布的系统所实现,而业务流程由服务组装而来。该系统封装了设备建模、事件建模、停机原因上报、停机时间统计、OEE报表展示等服务,并通过这些服务的拼装实现松耦合的应用系统,该系统架构一方面具备适应变化的灵活性;另一方面,各个服务之间相互独立,当系统中某个服务的内部结构和实现发生改变时。不影响其他服务,大大加强了系统的扩展性和健壮性。
4 应用实例
以某烟厂松散回潮机应用OEE系统为例,介绍设备综合效能指标分析系统整体运行过程。
(1)工厂建模:将企业现场的物理设备和物理布局数字化,实现企业生产可视化,主要定义单体设备的主要信息。
(2)事件建模:定义企业生产现场在生产过程中所发生的主要事件,这里主要是定义与设备综合效能分析相关的启停机事件。
(3)停机原因和停机时间上报:当启停机事件发生时,将该信息发送给相关的事件订阅者,由相关操作人员配置停机原因和停机时长。
(4)OEE效率统计:系统根据上报的相关参数,自动统计生成设备的相关考核指标及其趋势图,为决策者提供量化的考核指标。
5 结束语
在实际生产过程和管理实践中有效地利用OEE为生产效率改善服务是制造业企业运营管理中的一个十分重要的问题。本文详述了OEE古典算法,提出了以OEE为基础的设备效率指标系统和通过该指标系统对企业设备或生产线效率进行系统化的诊断和改善方法。并将其应用在香烟制造企业,在该厂松散回潮机上进行实施,得到了良好的应用效果。但是由于DEE方法仅可以用于对单个设备孤立的评价,因此具有较大的局限性。在许多工厂实际中,设备往往并不都是独立存在的,设备之间存在着行为、工艺以及信息上的联系,还应该对OEE理论进行进—步研究和改进。
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本文标题:设备综合效能关键绩效指标系统设计与实现