基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊露霞，溫懷鳳，錢依祎，邱 洪，張桂花

(重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，原材料、人工等成本的快速上升以及行業(yè)先進(jìn)技術(shù)孵化的時(shí)限性。傳統(tǒng)制造業(yè)想在日益激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得一席之地，只有通過提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本等舉措來實(shí)現(xiàn)。在生產(chǎn)效率相對(duì)較低的情況下，制造企業(yè)引入高端生產(chǎn)設(shè)備，可以迅速提高生產(chǎn)效率、提高并穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量；一般情況下，企業(yè)出于多方考慮，并不會(huì)輕易引入或更新生產(chǎn)設(shè)備。而挖掘和發(fā)揮已有設(shè)備的最大潛力、提高設(shè)備利用率，是提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重大舉措[1]。

本文以訂單驅(qū)動(dòng)型的離散制造企業(yè)F流量?jī)x表公司為例，研究其在現(xiàn)有生產(chǎn)需求、設(shè)備資產(chǎn)現(xiàn)狀、車間布局的情況下，提出基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。下一步根據(jù)設(shè)備綜合效率，有針對(duì)性地分析并解決影響效率的核心問題，從而挖掘設(shè)備的生產(chǎn)潛能、提高生產(chǎn)效率、有效控制產(chǎn)品成本[2]。

1 研究背景

F儀表公司主要生產(chǎn)流量表計(jì)。其生產(chǎn)屬于訂單驅(qū)動(dòng)型模式，訂單種類多且每單數(shù)量不一致，生產(chǎn)物料配件種類雜等使得產(chǎn)品生產(chǎn)周期不可控。2017年，F(xiàn)儀表公司作為國(guó)家智能制造的試點(diǎn)，響應(yīng)在傳統(tǒng)制造業(yè)推廣應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)在裝配車間改造完成一條智能生產(chǎn)線，并提供了面向車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)——制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)[3]。該系統(tǒng)囊括了制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫(kù)存管理、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過程控制管理等模塊。由于離散制造的特點(diǎn)，該企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)中有升，但在生產(chǎn)效率上仍有較大的提升空間。本文以F儀表公司裝配車間一作為該研究試點(diǎn)。

F儀表公司裝配車間一是該公司的核心產(chǎn)品線，屬于資產(chǎn)密集型車間。設(shè)備大部分由國(guó)外引進(jìn)，對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)能和質(zhì)量起著決定性作用。該車間從空間上分為三部分:機(jī)加區(qū)、智能生產(chǎn)線、標(biāo)定區(qū)。裝配車間一的核心設(shè)備如表1所示。

表1 裝配車間一的核心設(shè)備

機(jī)加區(qū)由于噪聲等因素單獨(dú)在西向一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，智能生產(chǎn)線與標(biāo)定區(qū)在車間的東向區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域之間有墻壁、人員過道、叉車通道。

三個(gè)區(qū)域所在車間的空間分布如圖1所示。

圖1 三個(gè)區(qū)域所在車間的空間分布

以上就是F儀表公司裝配車間一需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備、設(shè)備所在空間分布以及當(dāng)前是否接入信息化系統(tǒng)MES的情況。該背景為后續(xù)設(shè)備綜合效率系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì)奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

2 設(shè)備綜合效率

設(shè)備是企業(yè)生產(chǎn)的基石，其工作運(yùn)行狀況直接關(guān)系到生產(chǎn)效率。而設(shè)備綜合效率是衡量設(shè)備生產(chǎn)效率的直接指標(biāo)，所以業(yè)界都為獲取設(shè)備的生產(chǎn)效率而聚焦于設(shè)備綜合效率。本文提出的基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先，通過采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備各方面表現(xiàn)性能的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算模型得出設(shè)備時(shí)間開動(dòng)率、性能開動(dòng)率和產(chǎn)品合格率；接著，輔助設(shè)備管理人員挖掘生產(chǎn)中各個(gè)環(huán)節(jié)存在的效率損失，并定位到生產(chǎn)管理工作中的關(guān)鍵點(diǎn)[4]；然后，通過合理的生產(chǎn)調(diào)度，既可促使設(shè)備滿負(fù)荷工作，又可避免設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行；最后，結(jié)合設(shè)備管理技術(shù)與經(jīng)濟(jì)管理技術(shù)提升企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益。

設(shè)備綜合效率(overall equipment effectiveness,OEE) 的三個(gè)重要指標(biāo)是時(shí)間開動(dòng)率、性能開動(dòng)率和合格品率。其計(jì)算公式為設(shè)備綜合效率=時(shí)間開動(dòng)率×性能開動(dòng)率×合格品率×100%。

2.1 時(shí)間開動(dòng)率

時(shí)間開動(dòng)率也稱設(shè)備可用率，是設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間與計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間D的比值，即:

計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間=日歷工作時(shí)間-外部因素停機(jī)時(shí)間-計(jì)劃停機(jī)時(shí)間。

實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間=計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間-初始化停機(jī)時(shí)間-故障停機(jī)時(shí)間。

時(shí)間開動(dòng)率用來評(píng)價(jià)停工所帶來的損失，該指標(biāo)可以對(duì)各項(xiàng)停機(jī)損失項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 性能開動(dòng)率

性能開動(dòng)率也稱設(shè)備表現(xiàn)率，是設(shè)備凈生產(chǎn)時(shí)間J與設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間H的比值，即:

性能開動(dòng)率是評(píng)價(jià)生產(chǎn)速度上的損失，常從設(shè)備空轉(zhuǎn)或臨時(shí)停機(jī)、速度降低等方面進(jìn)行評(píng)估。

2.3 合格品率

合格品率也是質(zhì)量指數(shù)，是根據(jù)生產(chǎn)出產(chǎn)品的總合格數(shù)量與總生產(chǎn)數(shù)量的比值來確定的，即:

合格品率用來評(píng)價(jià)質(zhì)量的損失，衡量生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的廢品、包括返工和次品情況[5]。

根據(jù)F儀表公司裝配車間一的情況，本文設(shè)計(jì)通過獲取設(shè)備生產(chǎn)時(shí)間、停機(jī)時(shí)間、工廠停工時(shí)間、維護(hù)時(shí)間等數(shù)據(jù)，計(jì)算各設(shè)備的時(shí)間開動(dòng)率和性能開動(dòng)率。由于裝配車間的設(shè)備只用于某一工序的加工，故本文忽略合格品率的因素[6]且設(shè)定合格品率為1，即本文所設(shè)計(jì)的設(shè)備綜合效率=時(shí)間開動(dòng)率×性能開動(dòng)率。

3 設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將具有感知、監(jiān)控能力的采集傳感器、控制傳感器或控制器，以及移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)融入工業(yè)生產(chǎn)過程各個(gè)環(huán)節(jié)，以大幅提高制造/生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本和資源消耗，最終實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能制造的新階段[7-8]。本文研究的設(shè)備綜合效率系統(tǒng)作為智能制造的一部分，采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)對(duì)設(shè)備綜合效率進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到未來在該領(lǐng)域的橫縱向擴(kuò)展。

設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。由設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)可知，本系統(tǒng)采用了典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，主要包括在感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[9]。各層設(shè)計(jì)如下。

感知層即采集設(shè)備數(shù)據(jù)信息，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。裝配車間一的機(jī)加區(qū)和標(biāo)定區(qū)通過安裝電流互感器獲取設(shè)備的電流信號(hào)來判斷設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)(停機(jī)、空閑、運(yùn)行)狀態(tài)；兩個(gè)區(qū)域相隔一定距離，且不能以有線方式接入局域網(wǎng)絡(luò)受限，故采用無線采集模塊通過4G信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸至云端匯聚層并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)服務(wù)器[10]。對(duì)于接入MES智能生產(chǎn)線的試壓設(shè)備和智能焊接手臂，則在匯聚層采用調(diào)用數(shù)據(jù)接口(RESTful API)的方式[11]，獲取其運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)服務(wù)器。

圖2 設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)應(yīng)用層完成對(duì)感知層采集數(shù)據(jù)以及匯聚層接入的MES相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的清洗、計(jì)算、處理和挖掘，從而將設(shè)備在物理世界的各種狀態(tài)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)字語言、語義。經(jīng)調(diào)研，F(xiàn)公司運(yùn)行中的MES對(duì)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間的統(tǒng)計(jì)非常完善；為保證本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性，對(duì)機(jī)加區(qū)和標(biāo)定區(qū)設(shè)備的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)約。采集電流值規(guī)約如表2所示。以該規(guī)約來獲取設(shè)備的計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間、實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間、凈生產(chǎn)時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的設(shè)備停機(jī)狀態(tài)、空閑狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)。

表2 采集電流值規(guī)約

3.2 設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)集中監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間為主，車間管理人員操作為輔。其目的是通過人機(jī)協(xié)同提高設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)值的有效性，定位影響設(shè)備綜合效率六大損失的精確性。本系統(tǒng)功能板塊如下。

①在線監(jiān)測(cè)。

以監(jiān)測(cè)設(shè)備為核心，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備所處的管理層級(jí)位置、設(shè)備的開關(guān)機(jī)狀態(tài)、實(shí)時(shí)電流、近一周電流趨勢(shì)、今日生產(chǎn)(包含計(jì)劃生產(chǎn)、實(shí)際生產(chǎn)、凈生產(chǎn))累計(jì)時(shí)間、時(shí)間開動(dòng)率趨勢(shì)、性能開動(dòng)率趨勢(shì)、設(shè)備綜合效率趨勢(shì)；所有的數(shù)據(jù)直接呈現(xiàn)該設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，及歷史時(shí)間開動(dòng)率、性能開動(dòng)率和設(shè)備綜合效率。

②OEE總覽。

基于在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，通過車間和單臺(tái)設(shè)備以總分結(jié)構(gòu)的方式呈現(xiàn)車間設(shè)備綜合效率和單臺(tái)設(shè)備綜合效率，供管理人員實(shí)時(shí)掌控查看；可作為車間看板，便于實(shí)時(shí)查看設(shè)備的工作效率。

③停機(jī)管理。

由車間管理人員操作，實(shí)現(xiàn)停機(jī)事件人機(jī)協(xié)同采集、停機(jī)記錄、停機(jī)原因登記以及停機(jī)記錄數(shù)據(jù)上報(bào)等功能。停機(jī)管理是設(shè)備綜合效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析六大損失的定量依據(jù)。六大損失為:啟動(dòng)損失、設(shè)備故障停機(jī)損失、生產(chǎn)計(jì)劃準(zhǔn)備和調(diào)整損失、空閑損失、速度損失和不合格品損失[12-13]。本系統(tǒng)現(xiàn)階段暫時(shí)不考慮速度損失和不合品損失。

④設(shè)備管理。

管理監(jiān)測(cè)設(shè)備的基本信息:監(jiān)測(cè)設(shè)備位置、上線時(shí)間、下一次點(diǎn)檢時(shí)間、點(diǎn)檢計(jì)劃、所屬負(fù)責(zé)人等；對(duì)設(shè)備的名稱、型號(hào)、參數(shù)、安裝地理位置、監(jiān)測(cè)方式等按照企業(yè)規(guī)約統(tǒng)一編碼并形成數(shù)字字典，為后期智能制造的落地實(shí)施提供基礎(chǔ)信息保障[14]。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，相對(duì)精確地得出所監(jiān)測(cè)設(shè)備的綜合效率。但是要精準(zhǔn)定位設(shè)備的六大損失，需要操作人員的實(shí)時(shí)參與。若要達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備綜合效率指標(biāo)，更是需要工廠設(shè)備管理人員乃至掌握先進(jìn)技術(shù)的信息化人員全力參與。所以，下一步的工作是在動(dòng)態(tài)獲取設(shè)備綜合效率的情況下，精確分析設(shè)備六大損失的占比以及對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的影響因子，合理制定設(shè)備資產(chǎn)更新規(guī)劃、設(shè)備保養(yǎng)檢維修計(jì)劃、排工排產(chǎn)計(jì)劃等措施。