全自動(dòng)分揀系統(tǒng)的OEE分析

文/ 陳霄喬鋅李國波

一、背景分析

隨著高標(biāo)準(zhǔn)煙草市場體系的建設(shè)，卷煙市場銷量逐年增長，標(biāo)準(zhǔn)卷煙分揀越來越多采用全自動(dòng)分揀模式[1]。通過將卷煙進(jìn)行劃箱、開箱、補(bǔ)貨、分揀、打碼、包裝等一系列流程完成客戶訂單分揀，其分揀設(shè)備的效率和穩(wěn)定性也成為卷煙物流中心關(guān)注焦點(diǎn)[2]。

以某煙草物流中心全自動(dòng)分揀設(shè)備為例，隨著設(shè)備長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，器件損耗故障增加，導(dǎo)致分揀線穩(wěn)定性下降，效率降低[3]。如何在不改變分揀流程的基礎(chǔ)上，研究影響設(shè)備分揀效率的因素，通過設(shè)備改善調(diào)整，降低故障率，釋放分揀效能，成為亟待解決的問題[4]。本文將提出一種基于OEE（Overall Equipment Effectiveness）的全自動(dòng)分揀線的評測指標(biāo)體系，能夠客觀、真實(shí)反映設(shè)備運(yùn)行情況，有助于企業(yè)精準(zhǔn)開展TPM設(shè)備改善。

二、設(shè)備綜合效率（OEE）理論

1.三個(gè)指標(biāo)

設(shè)備綜合效率（OEE）是相對成熟的衡量企業(yè)生產(chǎn)率的指標(biāo)，是設(shè)備凈生產(chǎn)時(shí)間占總生產(chǎn)時(shí)間的百分比[5]。分析OEE指標(biāo)，常用于企業(yè)開展全員生產(chǎn)維護(hù)（TPM）的焦點(diǎn)改善活動(dòng)，是反映設(shè)備管理水平的重要指標(biāo)。

設(shè)備綜合效率（OEE）是時(shí)間開動(dòng)率A（Availability）、性能開動(dòng)率P（Performance）和質(zhì)量合格率（Quality）的乘積，即：

（1）時(shí)間開動(dòng)率

時(shí)間開動(dòng)率是反映設(shè)備的時(shí)間利用情況，主要考慮停工帶來的損失。

其中，計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間不包括計(jì)劃性停機(jī)（會(huì)議、就餐、培訓(xùn)等）、計(jì)劃維修等情況，即：

實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間不包括停機(jī)損失時(shí)間，如停機(jī)等待損失、更換損失、故障損失、準(zhǔn)備損失、調(diào)試損失等造成的設(shè)備停機(jī)情況。一般來說此類情況會(huì)在設(shè)備運(yùn)行日志上有記錄，即：

將公式（3）和（4）帶入（2），可得：

可見，設(shè)備時(shí)間開動(dòng)率反映了設(shè)備整體時(shí)間的利用情況，通過量化指標(biāo)反映生產(chǎn)組織管理和設(shè)備故障對設(shè)備運(yùn)行的影響。

（2）性能開動(dòng)率

性能開動(dòng)率是反映發(fā)揮設(shè)備運(yùn)行性能的情況：

理論生產(chǎn)時(shí)間指設(shè)備設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間，也就是使用設(shè)備設(shè)計(jì)速度生產(chǎn)一定產(chǎn)量的設(shè)備所用時(shí)間。具有額定效率的設(shè)備，可以根據(jù)生產(chǎn)一件產(chǎn)品的時(shí)間乘以生產(chǎn)總量，即：

將公式（4）帶入（7），可得：

可見，在設(shè)備生產(chǎn)過程中，任何導(dǎo)致設(shè)備不能以最高速度運(yùn)行的因素，如設(shè)備等待、微故障、人員操作失誤等，都會(huì)影響性能開動(dòng)率[6]。

（3）質(zhì)量合格率

質(zhì)量合格率是反映設(shè)備生產(chǎn)合格品的情況：

綜上可見，OEE指標(biāo)是通過量化的方式反映設(shè)備在時(shí)間利用、性能發(fā)揮和產(chǎn)品質(zhì)量的綜合性指標(biāo)，可以全面客觀反映出設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀，便于快速發(fā)現(xiàn)流程瓶頸和效率損失[7]。

2.六大損失

設(shè)備的六大損失，包括停機(jī)和故障損失、換裝和調(diào)試損失、空轉(zhuǎn)和瞬間停機(jī)損失、降低速度損失、啟動(dòng)到穩(wěn)定的損失，生產(chǎn)次品的損失。OEE三個(gè)指標(biāo)與六大損失的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 OEE與六大損失的關(guān)系

三、分揀設(shè)備OEE 綜合分析

1.設(shè)備布局及流程介紹

某卷煙物流中心全自動(dòng)分揀線整體布局如圖2所示，分揀流程為堆垛機(jī)從高架立庫將整托盤卷煙出庫，進(jìn)入備貨庫進(jìn)行存儲(chǔ)，按照全自動(dòng)分揀線的補(bǔ)貨序列出庫補(bǔ)貨。件煙由備件庫通過滾柱傳輸進(jìn)入激光劃箱機(jī)，將側(cè)面橫邊膠條打開后通過補(bǔ)貨道。根據(jù)既定煙道排布使用開箱機(jī)，打開煙箱上下側(cè)蓋。卷煙經(jīng)由緩存皮帶推至小車，接煙補(bǔ)貨滑入煙倉。煙倉執(zhí)行倉打煙到主線皮帶，經(jīng)過精準(zhǔn)打碼，疊煙機(jī)包裝裹膜完成，貼簽機(jī)貼簽后，分揀完成，流程如圖3所示。

圖2 全自動(dòng)分揀區(qū)平面圖

圖3 全自動(dòng)分揀線流程圖

設(shè)備的六大損失，包括停機(jī)和故障損失、換裝和調(diào)試損失、空轉(zhuǎn)和瞬間停機(jī)損失、降低速度損失、啟動(dòng)到穩(wěn)定的損失，生產(chǎn)次品的損失。

2.分揀設(shè)備的綜合效率分析

表2 分揀主線運(yùn)轉(zhuǎn)效率統(tǒng)計(jì)

表3 精準(zhǔn)過煙效率統(tǒng)計(jì)

某煙草物流中心有四條分揀線，以一條分揀線為例進(jìn)行分析。按照分揀流程可將全自動(dòng)分揀系統(tǒng)劃分為五個(gè)主要環(huán)節(jié)，分別為：件煙庫出庫，主線運(yùn)轉(zhuǎn)，精準(zhǔn)打碼，疊煙機(jī)，貼簽機(jī)，統(tǒng)計(jì)各環(huán)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，并對比各環(huán)節(jié)的平均運(yùn)轉(zhuǎn)效率與無故障、無停機(jī)時(shí)的最高運(yùn)轉(zhuǎn)效率，找到影響分揀效率的瓶頸。

（1）件煙庫出庫效率

統(tǒng)計(jì)每小時(shí)件煙庫卷煙出庫件數(shù)總量，如表1所示，每小時(shí)出庫平均件數(shù)為662，測定最高出庫件數(shù)為678。故每小時(shí)少補(bǔ)貨16件煙，即件煙庫出庫損失效率為800條/小時(shí)。

表1 件煙庫出庫效率統(tǒng)計(jì)

（2）分揀主線運(yùn)轉(zhuǎn)效率

排除疊煙機(jī)和精準(zhǔn)打碼部分，統(tǒng)計(jì)1分鐘內(nèi)，經(jīng)過主線合流皮帶的卷煙條數(shù)。雙側(cè)合流平均速度為33600條/小時(shí)，測定最高效度為39840條/小時(shí)，即分揀線主線損失效率為3120條/小時(shí)。

（3）精準(zhǔn)打碼效率

統(tǒng)計(jì)精準(zhǔn)打碼的三段皮帶速度，實(shí)際效率為35540條/小時(shí)，最高效率為36000條/小時(shí)，即精準(zhǔn)打碼損失效率為460條/小時(shí)。

（4）疊煙機(jī)效率

統(tǒng)計(jì)1小時(shí)疊煙機(jī)的疊包數(shù)量，實(shí)際效率為38750條/小時(shí)，最高效率為39200條/小時(shí)，即疊煙機(jī)損失效率為450條/小時(shí)。

（5）下線口效率

統(tǒng)計(jì)1小時(shí)內(nèi)下線口全速分揀的過包量，實(shí)際效率為37000條/小時(shí)，最高效率為37300條/小時(shí)，即疊煙機(jī)損失效率為300條/小時(shí)。

貼簽機(jī)、籠車綁定等其他損失效率為132條/小時(shí)。

綜上所述，得出各個(gè)環(huán)節(jié)損失效率的數(shù)值，如圖4所示，繪制排列圖。

圖4 各環(huán)節(jié)效率損失排列圖（條/小時(shí)）

通過計(jì)算結(jié)果的比較分析，分揀主線運(yùn)轉(zhuǎn)是造成分揀效率降低的關(guān)鍵癥結(jié)，如何提高主線運(yùn)轉(zhuǎn)的效率是提高整個(gè)分揀系統(tǒng)OEE的突破點(diǎn)。

3.分揀主線環(huán)節(jié)OEE 分析

（1）分揀主線的六大效率損失

針對某物流中心全自動(dòng)分揀線的實(shí)際情況，六大損失的具體情況為如下：

①故障損失：直接導(dǎo)致主線停機(jī)的故障。主要包括皮帶機(jī)超高告警停機(jī)、煙倉出端告警停機(jī)、核數(shù)卡阻告警停機(jī)、缺煙告警停機(jī)、煙倉出端等主線故障；

② 換裝和調(diào)試損失：更換調(diào)整煙倉、設(shè)備預(yù)熱造成的損失、設(shè)備電氣元件損壞更換；

表4 疊煙機(jī)效率統(tǒng)計(jì)

表5 下線口效率統(tǒng)計(jì)

③空轉(zhuǎn)和瞬間停機(jī)損失：由于人員誤操作、設(shè)備誤識(shí)別、條煙卡頓等造成設(shè)備空閑產(chǎn)生短暫停頓而產(chǎn)生的損失；

④ 降低速度損失：指設(shè)備實(shí)際運(yùn)行速度與實(shí)際速度的差別。如訂單情況造成的虛擬托盤浪費(fèi)，因故障調(diào)慢側(cè)推及機(jī)械手速度等任何阻止設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能的因素；

④啟動(dòng)到穩(wěn)定的損失：初期件煙補(bǔ)滿煙倉所需時(shí)間、最遠(yuǎn)端煙倉到精準(zhǔn)打碼行走所需時(shí)間；

⑤生產(chǎn)次品的損失：由于設(shè)備故障引起的生產(chǎn)過程中殘煙或者返工。

（2）分揀主線的OEE 計(jì)算

以某煙草物流中心為例，給出具體計(jì)算結(jié)果。約束條件如下：

①總時(shí)間為8小時(shí)；

②計(jì)劃停機(jī)時(shí)間包括午休及班會(huì)為1.5小時(shí)；

③額定效率為33000條/小時(shí)；

④停機(jī)損失故時(shí)間由上位機(jī)統(tǒng)計(jì)得到，生產(chǎn)總量、合格品量由當(dāng)日統(tǒng)計(jì)得到。

根據(jù)公式（5）、（8）和（9），計(jì)算2021年4月開始6周的時(shí)間開動(dòng)率，性能開動(dòng)率及合格品率。并通過公式（2）計(jì)算分揀主線的OEE，結(jié)果如表6所示：

表6 2021年4月OEE統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表6可知OEE的平均值為81.83%，低于世界級企業(yè)的平均標(biāo)準(zhǔn)85%，需要進(jìn)行改善。時(shí)間開動(dòng)率僅為83.59%，提升空間較大。性能開動(dòng)率和合格品率分別為97.91%和99.99%，高于平均水平，提升空間不大。通過對OEE三個(gè)要素進(jìn)行分析，提供分揀主線的工作效率重點(diǎn)再約時(shí)間開動(dòng)率，根據(jù)實(shí)際開動(dòng)率的計(jì)算公式，降低停機(jī)損失時(shí)間是提高OEE的關(guān)鍵。

四、分揀主線綜合效率提升分析

1.主線故障統(tǒng)計(jì)

通過對分揀主線的OEE數(shù)據(jù)分析，可知減少停機(jī)損失時(shí)間是提高運(yùn)轉(zhuǎn)效率的關(guān)鍵。減少停機(jī)損失即減少故障損失和換裝調(diào)試損失。

換裝調(diào)試損失主要包括更換調(diào)整煙倉、設(shè)備預(yù)熱造成的損失、設(shè)備電氣元件損壞更換損失。調(diào)整煙倉、設(shè)備預(yù)熱造成的損失屬于開機(jī)前的必須工作，無法避免。設(shè)備電氣元件損壞更換損失跟設(shè)備硬件壽命及溫度、濕度有關(guān)，屬于突發(fā)狀況無法提前預(yù)知，改善空間不大。

故障損失主要包括皮帶機(jī)超高告警停機(jī)、煙倉出端告警停機(jī)、核數(shù)卡阻告警停機(jī)、缺煙告警停機(jī)等主線告警，統(tǒng)計(jì)可以通過調(diào)整硬件設(shè)備、優(yōu)化參數(shù)設(shè)置和定期維護(hù)改善，是本文討論的重點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)4月平均單日主線故障次數(shù)與累計(jì)復(fù)位時(shí)間，如表7所示。值得注意的是，表7中處理時(shí)間并非分揀主線停機(jī)時(shí)間，而是子線停機(jī)時(shí)間。子線停機(jī)會(huì)導(dǎo)致主線運(yùn)轉(zhuǎn)效率下降，故以此衡量分揀主線故障。而OEE計(jì)算中采用的是中控機(jī)統(tǒng)計(jì)的全部子線停機(jī)時(shí)間。

表7中處理時(shí)間并分揀主線停機(jī)時(shí)間，而是子線停機(jī)時(shí)間。由上表可知，可知核數(shù)卡阻、皮帶機(jī)超高、缺煙停機(jī)三類主線故障，累計(jì)時(shí)間占比接近80%。根據(jù)二八原則，對此這三個(gè)影響分揀主線運(yùn)轉(zhuǎn)效率的停機(jī)故障進(jìn)行重點(diǎn)討論。

表7 4月平均單日故障統(tǒng)計(jì)

2.核數(shù)卡阻告警對策

原因分析：一是核數(shù)卡阻判定時(shí)間過短，卷煙還未行走到位就觸發(fā)卡阻邏輯判斷，導(dǎo)致告警。二是核數(shù)皮帶行走速度慢，導(dǎo)致卷煙在規(guī)定時(shí)間未走到規(guī)定位置，導(dǎo)致告警。三是卷煙歪斜，到達(dá)翻叉時(shí)煙姿變形，光開關(guān)未能檢測到卷煙。四是判斷核數(shù)卡阻時(shí)，PLC程序只靠定時(shí)器來判斷延時(shí)時(shí)間，邏輯存在漏洞，導(dǎo)致卷煙卡阻誤報(bào)警。

應(yīng)對對策：一是調(diào)整核數(shù)卡阻告警的判斷條件，增加核數(shù)卡阻告警的判定時(shí)間，延長皮帶行走距離。二是調(diào)整皮帶伺服驅(qū)動(dòng)器的減速時(shí)間，增加皮帶行走距離。三是定期用濕布擦拭皮帶，增加皮帶摩擦力，減少煙姿歪斜的現(xiàn)象。四是優(yōu)化細(xì)支核數(shù)段程序，增加光電開關(guān)，動(dòng)態(tài)判斷細(xì)支條煙狀態(tài)。

3.皮帶機(jī)超高告警對策

原因分析：一是卷煙在打出煙倉過程中，主線皮帶停止，造成卷煙堆積擋住超高開關(guān)。二是兩個(gè)核數(shù)皮帶速度不一，導(dǎo)致卷煙在兩個(gè)核數(shù)皮帶間隙處彈起，擋住超高開關(guān)。三是卷煙打出煙倉后速度過快，回彈到相鄰卷煙的表面，卷煙堆積。四是超過開關(guān)位置和高度不合適。

應(yīng)對對策：一是在主線皮帶的遠(yuǎn)端，增加限高擋煙皮帶，減少卷煙堆積。二是將超高開關(guān)位置向遠(yuǎn)端調(diào)整，并適當(dāng)增加超高開關(guān)的高度，防止因卷煙彈起造成誤告警。三是在擋煙皮帶后加裝海綿條，增加擋煙緩沖，加大擋煙皮帶力度，減少煙姿歪斜。四是增加變頻器頻率，降低煙倉打煙速度，防止卷煙因回彈導(dǎo)致堆積。

4.缺煙停機(jī)告警對策

原因分析：一是全自動(dòng)四組煙倉卷煙總量比例搭配不當(dāng)，銷量大的煙倉排布靠前，件煙在補(bǔ)貨過程中卡堵，后續(xù)補(bǔ)煙無法進(jìn)行。二是部分件煙箱皮有黑色圖案，光電開關(guān)無法感應(yīng)，件煙卡堵頻繁，補(bǔ)煙速度過慢導(dǎo)致缺煙。三是件煙庫緩存件煙，大品規(guī)卷煙緩存煙道較少，補(bǔ)貨不及時(shí)，導(dǎo)致缺煙。四是煙倉補(bǔ)貨過程中散垛造成，卷煙補(bǔ)貨速度降低，造成缺煙。

應(yīng)對對策：一是調(diào)整四組煙倉卷煙數(shù)量比例，將銷量大的卷煙分開平均到三組煙倉，達(dá)到均衡補(bǔ)煙。二是適當(dāng)增加第三組卷煙總量，避免補(bǔ)貨線卡堵，造成后續(xù)件煙無法補(bǔ)充。三是在轉(zhuǎn)折位置的滾柱處并聯(lián)光電開關(guān)，多角度感應(yīng)件煙信號。四是增加件煙庫大品規(guī)卷煙緩存數(shù)量，并調(diào)整安全庫存，提前發(fā)起要貨。五是調(diào)整煙倉流利滑條和小車補(bǔ)貨位置，避免小車補(bǔ)貨過程中在煙道內(nèi)出現(xiàn)散垛滑道。

五、改善情況

經(jīng)過改善統(tǒng)計(jì)三類故障的單日總時(shí)間變化，結(jié)果如表8所示。根據(jù)公式（5）、（8）和（9），計(jì)算2021年6月開始6周的時(shí)間開動(dòng)率，性能開動(dòng)率及合格品率。并通過公式（2）計(jì)算分揀主線的OEE，結(jié)果如表9所示。2月至6月的分揀效率變化，如表10所示。

表8 三類故障的單日總時(shí)間變化

表9 2021年6月OEE統(tǒng)計(jì)

由表8、表9和表10所示，6月與4月相比，三類故障單日總時(shí)間明顯下降，停機(jī)損失時(shí)間相應(yīng)下降。時(shí)間開動(dòng)率由83.59%提升到了87.61%，OEE指數(shù)由81.83%提升到了86.06%。分揀效率由4月的30735條/小時(shí)，上升到6月的32132條/小時(shí)，取得了良好的效果。

表10 2021年2月至6月的分揀效率統(tǒng)計(jì)

六、總結(jié)

本文探討了OEE的計(jì)算方法，對某市物流中心全自動(dòng)分揀設(shè)備各環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，并針對分揀主線這一瓶頸設(shè)備進(jìn)行了OEE算法計(jì)算。通過采取有針對性的措施，對影響分揀主線時(shí)間開動(dòng)率的三個(gè)關(guān)鍵原因進(jìn)行處理，縮短了停機(jī)損失時(shí)間，解決了使用過程中常出現(xiàn)的題，供企業(yè)實(shí)際使用參考。分揀主線的時(shí)間開動(dòng)率提高到87.61%，OEE指數(shù)升到86.06%，6月的分揀效率相較4月提升4.55%。取得了良好效果。

OEE算法的思路是找出指標(biāo)變動(dòng)原因，進(jìn)而找準(zhǔn)關(guān)鍵問題加以解決。善用 OEE數(shù)據(jù)分析，在實(shí)踐中作針對性處理，對提高企業(yè)設(shè)備管理水平有非常重要意義。其研究思想和方法具有普適性，在其他卷煙分揀設(shè)備的設(shè)計(jì)與調(diào)試中也具有參考價(jià)值。