基于設(shè)備綜合效率的飼料企業(yè)生產(chǎn)水平評價方法

■ 王紅英 方 鵬 金 楠 王紅根 孔丹丹 陳 嘯 段恩澤 祁忠賢

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.國家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心，北京100083；3.江西省農(nóng)業(yè)機械研究所，江西南昌330044）

飼料工業(yè)是我國近年來發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，從20世紀70年代末到今天，已經(jīng)取得突飛猛進的發(fā)展。2015年，奧特奇公布的中國飼料年產(chǎn)量為1.8億噸[1]，中國農(nóng)業(yè)部官方公布的中國飼料年產(chǎn)量則超過2億噸[2]，躍居世界第一。但是，在中國飼料工業(yè)蓬勃發(fā)展的背后，是激烈的行業(yè)競爭和市場淘汰。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，2015年底，配合飼料（濃縮飼料、精料補充料）生產(chǎn)企業(yè)6 772家，比2010年底減少4 071家[2]。飼料企業(yè)要想在激烈的市場競爭中勝出，就必須對自身的生產(chǎn)水平做出科學(xué)、全面的評估，找出生產(chǎn)、管理過程中影響生產(chǎn)效率的環(huán)節(jié)，彌補缺陷，達到飼料企業(yè)整體生產(chǎn)過程的高效低耗，降低成本，提升效益，提高自身競爭力。

OEE（Overall Equipment Efficiency）即設(shè)備綜合效率，作為現(xiàn)代設(shè)備管理制度中評估企業(yè)管理水平的重要指標，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理，在提高生產(chǎn)效率，提升企業(yè)競爭力等方面效果顯著。OEE方法是對設(shè)備的性能損失進行綜合分析，它不僅考慮設(shè)備時間上的利用情況，同時考慮到操作和工藝對設(shè)備性能損失的影響，以及因生產(chǎn)的不合格產(chǎn)品造成的損失情況，全面的體現(xiàn)出設(shè)備在使用過程中綜合效率情況[3]。OEE方法還可以根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定生產(chǎn)線的瓶頸設(shè)備，對瓶頸設(shè)備進行更加詳細的OEE分析和持續(xù)改善，把生產(chǎn)線中隱藏的產(chǎn)能釋放，從而提高整條生產(chǎn)線及至整個企業(yè)的產(chǎn)能。

因此，在飼料企業(yè)中引入OEE指標，用OEE方法對企業(yè)的生產(chǎn)水平做出綜合評價，對于引導(dǎo)企業(yè)達到生產(chǎn)過程的高效低耗和提升設(shè)備效率具有重要的現(xiàn)實意義。

1 飼料企業(yè)生產(chǎn)水平評價體系

1.1 指標體系的構(gòu)建

飼料的生產(chǎn)加工是一項系統(tǒng)工程，生產(chǎn)管理中的各個環(huán)節(jié)，包括原料接收清理、投料、粉碎、混合、調(diào)質(zhì)制粒、冷卻干燥、打包等，都會對最終的產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)水平產(chǎn)生影響。目前，對飼料企業(yè)評價體系的研究主要集中在利用經(jīng)濟學(xué)原理，從飼料企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)、人員構(gòu)成、發(fā)展戰(zhàn)略等方面考慮，建立整個集團企業(yè)競爭力的評價體系[4-6]，而對單個飼料企業(yè)生產(chǎn)水平評價體系的建立尚沒有人研究。為建立合適的評價體系，對國內(nèi)17家不同規(guī)模、不同品牌、不同地域的畜禽配合飼料生產(chǎn)企業(yè)展開了調(diào)研，獲取了大量生產(chǎn)一線的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的比較分析，得出17家企業(yè)綜合生產(chǎn)水平。

本次調(diào)研主要從飼料加工工藝技術(shù)和設(shè)備配置出發(fā)，建立飼料企業(yè)生產(chǎn)水平評價指標體系，體系分為4個一級指標，9個二級指標，見表1。

表1 飼料企業(yè)生產(chǎn)水平評價指標體系

1.2 評價指標說明

1.2.1 反映企業(yè)機械化（自動化）水平的指標

目前，飼料生產(chǎn)中原料粉碎、混合、調(diào)質(zhì)制粒等中間環(huán)節(jié)已實現(xiàn)自動化，無需人為干涉，而投料、打包等首尾環(huán)節(jié)只有極少數(shù)飼料企業(yè)實現(xiàn)了完全的自動化，絕大多數(shù)企業(yè)都是以人工和機械并存的方式完成作業(yè)[7]。投料和打包是飼料生產(chǎn)全過程中占用勞動力最多的工序，投料工序和打包工序機械化程度高的企業(yè)，可以顯著提高生產(chǎn)效率，減少勞動力數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。因此，飼料企業(yè)投料工序和打包工序的機械化率在一定程度上體現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)水平的高低。

1.2.1.1 投料工序機械化率

飼料生產(chǎn)的原料投料量大。由立筒倉儲存的散裝原料，可由輸送設(shè)備輸送，直接投料，效率高，勞動成本低；而由房倉儲存的袋裝原料則一般由人工解袋、投料，勞動強度大，所需勞動力較多，生產(chǎn)成本增加。此處我們定義投料工序機械化率為：在飼料生產(chǎn)投料工序中，采用機械的投料量與全天生產(chǎn)總投料量的比值。

1.2.1.2 打包工序機械化率

定義打包工序中，無人操作，成品自動稱重、自動套袋、自動輸送碼垛的自動化率為100%；人工套袋、自動稱重、自動輸送碼垛的自動化率為70%；人工套袋、自動稱重、人工搬運堆垛的自動化率為30%；全部由人工完成稱重、包裝的自動化率為0%。

1.2.1.3 勞動生產(chǎn)率

此處勞動生產(chǎn)率用工人單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量來表示，單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量越多，勞動生產(chǎn)率就越高，勞動生產(chǎn)率按公式（1）計算。

式中：L——勞動生產(chǎn)率[t/(人·h)]；

M——企業(yè)全天產(chǎn)量(t)；

N——從事生產(chǎn)人員總數(shù)(人)；

t——生產(chǎn)時間(h)。

1.2.1.4 產(chǎn)品生產(chǎn)周期

生產(chǎn)周期指產(chǎn)品從原料投入生產(chǎn)開始，經(jīng)過加工，到產(chǎn)品完成的全部時間。此處定義飼料產(chǎn)品的生產(chǎn)周期為生產(chǎn)1 t成品所需的實際時間，按公式（2）計算。

式中：C——產(chǎn)品生產(chǎn)周期(min/t)；

t——生產(chǎn)時間(h)；

M——企業(yè)全天產(chǎn)量(t)。

1.2.2 反映企業(yè)設(shè)備效率的指標

1.2.2.1 設(shè)備綜合效率（OEE）

設(shè)備是生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成要素，設(shè)備的效率和使用狀況直接影響企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)率、質(zhì)量和成本。本次調(diào)研首次將應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)的設(shè)備綜合效率概念引入飼料企業(yè)中。設(shè)備綜合效率（Overall Equipment Effective,OEE）可以較全面地反映生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備管理對設(shè)備效率的影響，已經(jīng)成為國際上公認的設(shè)備利用效率、利用狀況和維護維修保養(yǎng)狀況的管理考核指標。

OEE由時間開動率、性能開動率及合格品率3個要素組成[8]。

時間開動率反映的是設(shè)備由于故障、調(diào)試、生產(chǎn)原料短缺等原因?qū)е碌脑O(shè)備時間利用的損失；性能開動率反映的是由于短暫停機、空轉(zhuǎn)等原因?qū)е碌脑O(shè)備性能上的損失；合格品率則反映了設(shè)備因加工具有缺陷的次品而產(chǎn)生的損失。

在整個飼料加工工藝流程中，粉碎、混合、調(diào)質(zhì)制粒是核心工序，因此我們以粉碎機、混合機、制粒機的設(shè)備綜合效率來衡量整個工廠的設(shè)備效率。

1.2.2.2 設(shè)備利用率

設(shè)備利用率是設(shè)備的實際使用時間占日歷工作時長的百分比，指的是設(shè)備的使用效率，是反映設(shè)備工作狀態(tài)及生產(chǎn)效率的技術(shù)經(jīng)濟指標。此處定義全廠三大主機的平均設(shè)備利用率為該廠的設(shè)備利用率。

1.2.3 反映產(chǎn)品質(zhì)量的指標

1.2.3.1 粉碎后顆粒平均粒徑

粉碎加工中應(yīng)以粉碎達到最佳粉碎粒度為目標，所謂最佳粉碎粒度，就是使飼養(yǎng)動物對飼料具有最大利用率或獲得最佳生產(chǎn)性能且不影響動物健康，經(jīng)濟上又合算的重量幾何平均粒度[9]。調(diào)研中對79種粉碎后的樣品采用ANSI/ASAE S319.4-2008標準中14層篩法[10]進行了粉碎粒度分析，實驗儀器為Endecotts公司octagon200型數(shù)顯篩分儀。根據(jù)公式（7）計算粉碎樣品的平均粒徑。

式中：dgw——顆粒的幾何平均直徑或中值粒徑(mm)；

di—— 第 i層 篩 的 標 稱 篩 孔 尺 寸(mm)；=(di×di+1)1/2；

Wi——第i層篩上樣品的質(zhì)量(g)；

n——篩的數(shù)量。

1.2.3.2 粉碎粒度均勻度變異系數(shù)

采用14層篩法對粉碎樣品進行粒度分析，各層篩上的樣品質(zhì)量，也就是粉碎樣品中粗顆粒和細顆粒等不同粒度的樣品呈正態(tài)分布。盡管粉碎樣品的平均粒徑滿足生產(chǎn)要求，但過粗或過細顆粒仍存在且占有相當(dāng)大的比例。因此，將粒度分布的幾何標準差定義為粉碎均勻度變異系數(shù)，來反映粉碎粒度分布的均勻程度[10]。粉碎均勻度變異系數(shù)根據(jù)公式（8）計算。

式中：Slog——對數(shù)正態(tài)分布的幾何標準差。

其他字母含義均與公式（8）中相同。

1.2.3.3 混合均勻度變異系數(shù)

飼料加工中的混合是將配料秤稱量好的原料在混合機內(nèi)混合均勻，同時添加小料及液體原料，以方便后續(xù)加工?；旌暇鶆蚨茸儺愊禂?shù)(CV)是衡量混合均勻性的指標。飼料生產(chǎn)的國家標準中[11]規(guī)定了各類飼料的混合均勻度變異系數(shù)(CV)的范圍，配合飼料的CV≤10%，復(fù)合預(yù)混合飼料的CV≤7%，礦物質(zhì)微量元素預(yù)混料和維生素預(yù)混料的CV≤5%。

1.2.4 反映企業(yè)員工素質(zhì)的指標

此處員工素質(zhì)僅用員工文化程度的高低來體現(xiàn)，以員工中具有大專以上學(xué)歷的比例作為指標來衡量。

2 設(shè)備OEE損失分析

2.1 設(shè)備效率數(shù)據(jù)的采集

粉碎機、混合機、制粒機作為飼料生產(chǎn)中的3大主機，其運行情況直接影響飼料生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，此次對國內(nèi)17家飼料生產(chǎn)企業(yè)進行調(diào)研，主要考察這3大主機的設(shè)備效率。導(dǎo)致設(shè)備性能損失的原因可歸納為以下3項：計劃停機時間（包括休息、會議、計劃維護保養(yǎng)時間等）、停機時間（包括故障停機時間、調(diào)整時間、能源中斷時間、待料堵料時間等）、以及不合格產(chǎn)品導(dǎo)致的性能損失。圖1為調(diào)研使用的數(shù)據(jù)采集表，對粉碎機、混合機、制粒機進行連續(xù)7 d的數(shù)據(jù)采集，利用OEE方法分析設(shè)備效率損失。

圖1 設(shè)備效率數(shù)據(jù)采集

以某企業(yè)的一臺粉碎機為例，通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析，建立OEE模型，更好地識別設(shè)備運行過程中的各類損失，并把它們量化出來，這對于優(yōu)化加工工藝和設(shè)備配置，提升生產(chǎn)效率具有重要意義。表2為該粉碎機連續(xù)7 d的數(shù)據(jù)監(jiān)測記錄。

對以上原始數(shù)據(jù)進行計算處理，依次得到該粉碎機7 d內(nèi)的時間開動率、性能開動率、產(chǎn)品合格率以及最終的設(shè)備效率，結(jié)果如表3所示。

該企業(yè)共有3臺粉碎機，用相同的方法計算出另外兩臺粉碎機的OEE值，取3臺粉碎機綜合效率的平均值即為該企業(yè)粉碎機的綜合效率值。結(jié)果如表4。

2.2 OEE模型建立與分析

對設(shè)備進行OEE分析的根本原因是為了使我們能夠全面地了解設(shè)備的使用狀況，找出限制設(shè)備效率提高的瓶頸，釋放設(shè)備隱藏的產(chǎn)能，進而優(yōu)化企業(yè)的生產(chǎn)工序，促進企業(yè)有效產(chǎn)能的提高[12-13]。OEE模型的建立就是為了更好地識別設(shè)備運行過程中的各類損失，并通過直觀的表達形式量化出來。此處我們利用瀑布圖來進行OEE模型的建立和分析。模型以時間的利用率來衡量設(shè)備的利用效率，設(shè)備的有效利用時間與理論生產(chǎn)時間的比值即為設(shè)備的利用效率[14]。模型的起始點為設(shè)備的可用生產(chǎn)時間，即為理論上的全部生產(chǎn)能力；中間部分對應(yīng)OEE的各類損失指標；終點則為設(shè)備的有效生產(chǎn)時間，有效生產(chǎn)時間與可用時間的比值即為設(shè)備OEE。將上述計算得到的OEE原始數(shù)據(jù)以瀑布圖的形式呈現(xiàn)，如圖2所示。

表2 某企業(yè)1號粉碎機OEE原始數(shù)據(jù)

表3 某企業(yè)1號粉碎機OEE計算匯總

表4 某企業(yè)粉碎機平均OEE值

圖2 粉碎機OEE瀑布圖

從OEE瀑布圖中可以很直觀地看到各因素對粉碎機設(shè)備效率的影響程度大小。有效生產(chǎn)時間損失最大的部分是粉碎機生產(chǎn)性能的損失，設(shè)備性能損失是衡量設(shè)備生產(chǎn)速度上的損失的一個指標，與設(shè)備的理論產(chǎn)能和實際產(chǎn)量相關(guān)。粉碎機的產(chǎn)能與配置的篩片孔徑、錘片的磨損程度、篩片的開孔率、粉碎原料水分、粉碎原料種類、錘篩間隙以及是否存在過度粉碎等諸多因素有關(guān)，因此很難判斷導(dǎo)致粉碎機性能損失的具體原因。等料是導(dǎo)致有效生產(chǎn)時間損失的第二大因素。粉碎機在正常工作過程中，為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性，一般不會關(guān)停，粉碎機在等料過程中的運轉(zhuǎn)就導(dǎo)致了粉碎機有效生產(chǎn)時間的損失。造成粉碎機等料主要有兩個原因，一是投料速度與粉碎機生產(chǎn)速度不匹配，二是緩沖倉的配置不合理，倉容過小。

在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，該飼料企業(yè)投料工序的機械化率僅有約30%，即生產(chǎn)過程中其余70%的原料需2個投料工人工投料，投料速度遠遠不能滿足粉碎機的要求，大大制約了粉碎機性能的發(fā)揮。企業(yè)可以增加原料中散裝原料的比例，使大多數(shù)原料可以從筒倉直接輸送到粉碎系統(tǒng)，減少人工投料比例，充分發(fā)揮粉碎機性能。另外，企業(yè)也可以嘗試對飼料配方進行改進，增加配方中散裝原料的比例，在保證飼料配方效果的前提下，以散裝原料代替袋裝原料，進而提高投料工序的機械化水平。粉碎系統(tǒng)配備了6個20 m3的緩沖倉，而粉碎機配備了3臺牧羊SFSP132*102C/A型粉碎機，緩沖倉容量與粉碎機產(chǎn)能不匹配，不能很好地平衡投料工序與粉碎工序的物料流量，制約了粉碎機性能的充分發(fā)揮，同時也對投料工序的速度提出更高要求。因此企業(yè)需配備更大容量的緩沖倉，以使粉碎機的性能得到充分發(fā)揮。

3 生產(chǎn)水平綜合評價

3.1 評價指標權(quán)重的確定

指標體系權(quán)重的確定是飼料企業(yè)生產(chǎn)水平評價的重要步驟，它反映了各項指標在整個系統(tǒng)中的重要性，指標權(quán)重的準確性在很大程度上影響評價結(jié)果的科學(xué)性和正確性，鑒于此，本文采用層次分析法[14]（AHP法）來確定各項指標的權(quán)重。AHP法理論上相對成熟，運用廣泛，簡單、易行、可操作性強，是對非定量因素進行量化分析的一種有效方法，特別適用于多因素，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的大系統(tǒng)的分析研究。

3.1.1 構(gòu)建評價指標的對比矩陣

以A表示評價目標，Ui表示評價因素或指標（i=1，2，3，…，n），Uij表示Ui對Uj的相對重要性數(shù)值（j=1,2,3，…，n），Uij的取值按表5的標準確定，得到四個指標的判斷矩陣A。

表5 層次分析法標度值含義

3.1.2 指標權(quán)重的計算

根據(jù)A矩陣，求出最大特征根所對應(yīng)的特征向量。所求出的特征向量即為權(quán)重分配。

3.1.3 判斷矩陣單層次一致性檢驗

對判斷矩陣進行一次性檢驗，計算其隨機一致性比率CR，當(dāng)CR＜0.10時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權(quán)重分配是合理的，否則就需要調(diào)整判斷矩陣，直到具有滿意的一致性為止。

表6 隨機一致性指標RI

根據(jù)上述方法，確定評價體系中9個指標的權(quán)重分配如表7。

表7 指標權(quán)重分配

3.2 評價模型建立

綜合權(quán)衡各種評價方法的利弊，本文采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法來對飼料企業(yè)生產(chǎn)水平做出綜合評價。灰色關(guān)聯(lián)分析是一種多因素統(tǒng)計分析方法，它是以各因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)用灰色關(guān)聯(lián)度來描述因素間關(guān)系的強弱、大小和次序的。如果樣本數(shù)據(jù)列反映出兩因素變化的態(tài)勢（方向、大小、速度等）基本一致，則它們之間的關(guān)聯(lián)度較大；反之，關(guān)聯(lián)度較小[15]。

通過調(diào)研得到17家飼料企業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，得到各指標與參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度的大小即表明企業(yè)各指標與參考序列的差距，關(guān)聯(lián)度越大說明企業(yè)的各指標越靠近參考序列，即生產(chǎn)水平越高。其評價步驟如下:

①選擇參考數(shù)列。i為飼料企業(yè)編號，i=1，2，…，m；k為評價指標的序號，k=1,2，…，n；Xik為第i個企業(yè)的第k個指標的評價值。選擇每個指標的最佳值作為參考數(shù)列X0，于是有：

式中：XOK=Optimum(Xik)。

②指標值的無量綱化處理。為使數(shù)據(jù)具有可對比性，必須對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，計算公式如下：

③計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。把無量綱化處理后的數(shù)列X0={x01，x02，…，x0n}作為參考數(shù)列，而Xi={xi1，xi2，…，xin}作為比較數(shù)列，關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式如下：

其中，分辨系數(shù)ρ一般取0.1至0.5，ρ越小越能提高關(guān)聯(lián)系數(shù)間的差異。利用公式（14）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，得到關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

④計算單層次的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度計算方法為每個指標權(quán)重乘以關(guān)聯(lián)系數(shù)。

根據(jù)上述方法，計算得到關(guān)聯(lián)度位次表如表8，每個企業(yè)的關(guān)聯(lián)度位次即為該企業(yè)生產(chǎn)水平在所有17家調(diào)研企業(yè)中的情況，該趨勢與調(diào)研中實際情況基本一致，說明該評價體系具有一定的可行性，能夠為飼料企業(yè)進行生產(chǎn)力水平綜合評價提供依據(jù)和方法。

表8 關(guān)聯(lián)度位次

4 結(jié)論

①本文表明，將OEE方法運用于飼料企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備（主要是粉碎機、混合機、制粒機）的效率分析，可以很好地分析出制約設(shè)備產(chǎn)能的因素，便于管理人員及時調(diào)整，發(fā)揮出設(shè)備的最佳效能，提升整個生產(chǎn)線和企業(yè)的效益。

②本文建立了飼料企業(yè)生產(chǎn)水平的綜合評價指標體系，包括4個一級指標和9個二級指標。該指標體系綜合考慮了飼料企業(yè)的自動化水平、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備效率和員工素質(zhì)，根據(jù)不同指標的重要程度，運用層次分析法確定了各個指標的權(quán)重，并運用灰色關(guān)聯(lián)度分析法建立了飼料企業(yè)生產(chǎn)水平評價模型，運用該模型對調(diào)研的17家顆粒飼料生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)水平進行了評價。

表8 （續(xù)） 關(guān)聯(lián)度位次