制造執(zhí)行系統(tǒng)中設(shè)備效率的研究

楊瑞朋，王翠芝，南朋濤，張興舜，解家奎

（1.文山通用機械制造有限責(zé)任公司，云南 文山 663000；2.云南省機械研究設(shè)計院、云南省機電一體化應(yīng)用技術(shù)重點實驗室、云南省先進制造技術(shù)研究中心，云南 昆明 650031）

制造執(zhí)行系統(tǒng)MES是面向車間的管理信息系統(tǒng)，其中關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)控管理是實施MES系統(tǒng)的重要內(nèi)容，也是企業(yè)十分關(guān)注的功能。近年來，由于傳感與檢測等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，在制造型企業(yè)中，獲取分析數(shù)據(jù)的能力比以往獲得了大幅提升。以設(shè)備運行狀態(tài)事件描述為數(shù)據(jù)來源，能夠反映出設(shè)備的運行效率。在實際情況中，大多數(shù)制造設(shè)備在MES實施的系統(tǒng)管理中，往往不能保障以最佳狀態(tài)運行，在人、設(shè)備、系統(tǒng)管理方面仍然存在很大效率上的提升空間。如何來評價設(shè)備的運行性能，需要一個判斷標(biāo)準(zhǔn)，本文探討了MES系統(tǒng)設(shè)備效率的實現(xiàn)方式。

1 設(shè)備綜合效率分析

設(shè)備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）是衡量企業(yè)生產(chǎn)效率的重要標(biāo)準(zhǔn)，其最早應(yīng)用于全員生產(chǎn)維修TPM（Total Productive Maintenance）的度量，通過調(diào)動員工的積極性、自主性來提升效率、改善制造工藝水平。相比設(shè)備利用率，設(shè)備綜合效率的計算更全面。更可靠，不會因為停機事件上報不及時而產(chǎn)生錯誤，它真實的反映出理論輸出值與實際值的差距，是屬于全過程的衡量準(zhǔn)繩。設(shè)備綜合效率因行業(yè)不同，計算方式也不同，其中主要的3個因素為可利用時間效率、設(shè)備性能效率和合格品率，其計算公式如下：

設(shè)備綜合效率=設(shè)備時間開動率×性能開動率×合格品率，各參數(shù)的計算方式如下。

設(shè)備時間開動率=實際生產(chǎn)時間/計劃運行時間。

實際生產(chǎn)時間和計劃運行時間分別是：

計劃運行時間=總時間－外部因素停機時間－計劃停機時間。

實際生產(chǎn)時間=計劃運行時間－延誤時間－檢修時間。

性能開動率、合格品率的計算公式分別為：

性能開動率=生產(chǎn)數(shù)量×理論加工周期/實際生產(chǎn)時間。

合格品率=合格品數(shù)量/生產(chǎn)數(shù)量。

對設(shè)備綜合效率的實際數(shù)據(jù)進行調(diào)查，存在一定難度。參照Richard Hedman等人的相關(guān)研究數(shù)據(jù)，可以從中獲得啟示。Richard Hedman、Mukund Subramaniyan等人通過在23家不同類型的制造企業(yè)，涵蓋了食品、機械加工、橡膠塑料等領(lǐng)域，對總計884臺機器，進行了為期6個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)平均設(shè)備綜合效率OEE預(yù)測值為65%。如表1所示，在損失的35%設(shè)備綜合效率中，由于缺乏分類或描述，占據(jù)所有生產(chǎn)時間的19%，即損失比例中超過一半的OEE的損失不能夠被歸類用于設(shè)備效率分析。

另外研究表明，在未利用的35%設(shè)備綜合效率中，90%的停機時間是與人工參與的輔助工作有關(guān)，9%的停機可能與人工操作有關(guān)，只有1%的停機不是由人來決定?？梢娫O(shè)備綜合效率分析數(shù)據(jù)的欠缺，絕大部分體現(xiàn)在人工輔助工作的狀態(tài)描述上，而非由制造系統(tǒng)本身造成。

表1 所有參與調(diào)查的設(shè)備的運行時間分布

2 設(shè)備綜合效率在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用

設(shè)備綜合效率OEE在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用，在國內(nèi)已有相關(guān)產(chǎn)品對此進行了實踐，中科院、沈陽自動化研究所里鵬、史海波等人通過工廠建模、事件建模、停機上報、OEE效率統(tǒng)計的方式，為生產(chǎn)管理者提供量化的參考標(biāo)準(zhǔn)。廣東工業(yè)大學(xué)的陳宇等人提出了一個基于改進型設(shè)備綜合效率(OEE)計算和設(shè)備功能區(qū)塊圖的設(shè)備實時監(jiān)控系統(tǒng)4層結(jié)構(gòu)框架，該框架分為設(shè)備信息采集層、實時監(jiān)控管理層、效能分析層和設(shè)備調(diào)度管理層。

設(shè)備綜合效率在MES中的應(yīng)用模型，通常情況下包括3層基本結(jié)構(gòu)框架：設(shè)備信息采集層、數(shù)據(jù)處理層、人機交互界面。

設(shè)備信息采集是計算設(shè)備綜合效率的數(shù)據(jù)來源，屬于制造執(zhí)行系統(tǒng)底端的數(shù)據(jù)采集層。設(shè)備到數(shù)據(jù)傳輸之間的聯(lián)系，可分為OPC客戶端設(shè)備通過以太網(wǎng)連接，非OPC設(shè)備如PLC、DCS類設(shè)備等，通過I/O驅(qū)動、總線、擴展接口進行連接。

數(shù)據(jù)處理層，包括數(shù)據(jù)庫存儲、讀取數(shù)據(jù)，OEE事件的數(shù)據(jù)分析，以及上下游間的通信。通過工廠建模、事件建模的方式，為數(shù)據(jù)分析確定基礎(chǔ)。接續(xù)上述對影響設(shè)備綜合效率因素的分析可知，設(shè)備狀態(tài)分類描述的完整性是影響設(shè)備綜合效率計算的主要原因。因此在對設(shè)備運行狀態(tài)進行事件建模時，應(yīng)滿足設(shè)備綜合效率OEE計算的數(shù)據(jù)要求，同時結(jié)合實際對設(shè)備的各種運行狀態(tài)進行盡可能詳細(xì)的分類描述。

在MES系統(tǒng)的人機交互界面，具有相關(guān)操作權(quán)限的人員可根據(jù)存在的空轉(zhuǎn)、停機、故障等事件，配置事件原因及時長，將事件信息反饋給MES的調(diào)度管理層。MES根據(jù)上報的相關(guān)參數(shù)，可實現(xiàn)對設(shè)備綜合效率OEE統(tǒng)計計算，決策人員可結(jié)合人員、設(shè)備等信息，完善生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度，提高設(shè)備的運行效率。

制造執(zhí)行系統(tǒng)有關(guān)自動獲取、處理數(shù)據(jù)的能力毋庸置疑，但是系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源的全面性和準(zhǔn)確度，需要進一步衡量。設(shè)備綜合效率提供了一種更全面、有效的計算方式，通過完善設(shè)備運行事件的描述，結(jié)合實際情況與制造執(zhí)行系統(tǒng)的特點，進一步展開研究，能夠從實際的角度提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

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