基于MES 的印刷車間設(shè)備效率控制技術(shù)研究?

李思佳 賀福強(qiáng) 張明月 李 赟

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 貴陽(yáng) 550025）

1 引言

隨著中國(guó)制造2025［1］的深入推進(jìn)，智能制造成為了全球制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)［2］。為了提高企業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)代化、連續(xù)化和規(guī)?；?，推動(dòng)印刷企業(yè)制造升級(jí)［3］，需要設(shè)備能有效地獲得生產(chǎn)指令，信息與管理系統(tǒng)及時(shí)獲知生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)及進(jìn)度情況，實(shí)現(xiàn)設(shè)備效率最大化。這就需要通過(guò)智能化設(shè)備評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將感知信息進(jìn)一步的分析、提煉，篩選出決策信息，輔助企業(yè)決策者做出正確的商業(yè)決策，提高決策水平［4］。因此，一個(gè)現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）［5］根據(jù)各層級(jí)的管理使用需求應(yīng)運(yùn)而生，使企業(yè)的管理者能夠通過(guò)MES 可以實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)印刷制品的設(shè)備運(yùn)行狀況和設(shè)備利用率，及時(shí)做出調(diào)整和維護(hù)［6］。如何針對(duì)印刷行業(yè)特點(diǎn)，建立正確的MES 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備效率最大化，降低成本，是印企信息化建設(shè)亟待解決的重要問(wèn)題。

JAUREGUI 等［7］針對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)高混合低產(chǎn)量的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)OEE 方法從組織和技術(shù)兩方面進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，并成功應(yīng)用于工業(yè)實(shí)施中，但是這種方法耗費(fèi)了大量人力物力，造成資源的浪費(fèi)；MUCHIRI 等［8］針對(duì)制造過(guò)程需要嚴(yán)格定義的性能測(cè)量系統(tǒng)的需求，將OEE 作為性能測(cè)量工具，來(lái)測(cè)量生產(chǎn)過(guò)程中不同類型的生產(chǎn)損失，但是這種方法不能適用于印刷企業(yè)這種連續(xù)型制造企業(yè)，具有局限性。

本文為豐富完善印企設(shè)備的效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合設(shè)備綜合效率OEE 評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，分析印刷機(jī)組各運(yùn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一套實(shí)時(shí)自動(dòng)采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的印刷機(jī)組設(shè)備效率評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)車間層數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)同步，利用可視化展示方式提升車間數(shù)字化層級(jí)［9］。該方法直接獲取設(shè)備綜合效率關(guān)鍵參數(shù)，可減少因獲取控制系統(tǒng)授權(quán)而產(chǎn)生的成本，并基于采集的設(shè)備信息采用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法可準(zhǔn)確對(duì)運(yùn)行狀態(tài)、加工件數(shù)等進(jìn)行識(shí)別。實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的精確、實(shí)時(shí)、有針對(duì)性的反映。

2 印刷車間MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)印刷車間生產(chǎn)復(fù)雜、人工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)落后等問(wèn)題、結(jié)合其實(shí)際生產(chǎn)需求，增加生產(chǎn)過(guò)程控制功能，MES 為企業(yè)提供各個(gè)管理模塊［10］，把實(shí)時(shí)采集大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)［11］。實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的信息化、可視化、智能化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)［12］，為企業(yè)印刷車間打造一個(gè)可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的制造管理平臺(tái)。

2.1 車間信息采集處理

監(jiān)控車間信息及采集主要體現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程控制模塊，設(shè)計(jì)與企業(yè)管理體系模式不變的數(shù)字工廠系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合車間設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)和健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，生產(chǎn)質(zhì)量與進(jìn)度的及時(shí)跟蹤，人員績(jī)效的自動(dòng)核算，成品與物料的及時(shí)反饋，使內(nèi)務(wù)部、生產(chǎn)管理部、倉(cāng)庫(kù)管理部、財(cái)務(wù)部聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)工作。極大提高各部門(mén)的工作效率。并及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控環(huán)境，同時(shí)達(dá)到控制生產(chǎn)過(guò)程中多余成本的目的。如圖1所示為設(shè)備制造信息處理過(guò)程。

圖1 設(shè)備制造信息處理過(guò)程

在整個(gè)設(shè)備信息處理的過(guò)程中，輸入的信息為制造資源信息。輸出的信息是經(jīng)過(guò)MES 系統(tǒng)分析處理后的結(jié)果，并有效解決了設(shè)備控制命令下行和實(shí)時(shí)通知消息推送的問(wèn)題，通過(guò)看板向操作人員推送這些處理后的信息，提高信息的利用率。其中膠印車間MES 監(jiān)控中心看板中包括了上個(gè)生產(chǎn)班次KPI 的人均產(chǎn)值、近12 月本車間投入產(chǎn)出比、近30天機(jī)臺(tái)廢品合計(jì)排名、不同型號(hào)機(jī)組的當(dāng)日額定產(chǎn)能和當(dāng)日實(shí)際產(chǎn)能的對(duì)比圖、待生產(chǎn)任務(wù)安排以及近30天產(chǎn)量趨勢(shì)等。

2.2 設(shè)備信息采集處理

以膠印工程為例，膠印的生產(chǎn)過(guò)程一般為折頁(yè)、配貼、上封面、裝訂、裁切、檢查包裝等一系列的流程，由于其生產(chǎn)過(guò)程中的復(fù)雜度較大，需要在設(shè)備生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集。

首先采用Aruino電路板結(jié)合設(shè)備傳感器、WIFI發(fā)射器適應(yīng)采集各種設(shè)備的作業(yè)數(shù)據(jù)，以較低成本解決MES 系統(tǒng)前端的設(shè)備數(shù)據(jù)采集來(lái)源，可解決設(shè)備無(wú)PLC 可進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取問(wèn)題。然后通過(guò)采購(gòu)研華的ECU-1251 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，將其與設(shè)備的PLC 連接［13］，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接與采集。由于ECU-1251網(wǎng)關(guān)已內(nèi)置了大部份設(shè)備的協(xié)議，所以不需要再對(duì)設(shè)備不同協(xié)議進(jìn)行研發(fā)，只需關(guān)注設(shè)備能采集的點(diǎn)位地址，即數(shù)據(jù)字段，現(xiàn)階段主要采集產(chǎn)量方面的數(shù)據(jù)，另外也可外接幾組485或232的接口信號(hào)，采集能電能表或溫濕度的數(shù)據(jù)。通過(guò)ECU-1251 網(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)，研華提供了幾種數(shù)據(jù)接口，如數(shù)據(jù)庫(kù)、Modbus、WebService 等，我們根據(jù)需要，針對(duì)這幾種通用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，然后將采集的數(shù)據(jù)再通過(guò)一定的邏輯計(jì)算后，實(shí)時(shí)或階段性地推送到現(xiàn)有的MES 系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口或能耗管理的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接。圖2 為設(shè)備數(shù)據(jù)采集流程圖。

圖2 設(shè)備數(shù)據(jù)采集流程圖

將采集點(diǎn)和采集方式確定后，通過(guò)布置在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的專用設(shè)備（LED 生產(chǎn)看板、條碼采集器、PLC、傳感器、PC等硬件），實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備管理高效化、可視化。

3 MES系統(tǒng)設(shè)備整體效率評(píng)價(jià)

根據(jù)MES 系統(tǒng)中設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，將設(shè)備綜合利用率（Overall Equipment Efficiency）評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于印刷機(jī)組，用來(lái)分析在印刷企業(yè)中影響設(shè)備效能的原因，并進(jìn)行改善，大大提高了設(shè)備利用率。該方法通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)時(shí)間，設(shè)備綜合效率進(jìn)行計(jì)算和分析，綜合反映了在生產(chǎn)過(guò)程中的各種損失，提高了方法的通用性。

3.1 OEE的定義

OEE，作為反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，清楚地了解到具體的設(shè)備效率指標(biāo)，快速找到生產(chǎn)過(guò)程中的瓶頸，并對(duì)損失的產(chǎn)能進(jìn)行有針對(duì)性的改善工作［14］，來(lái)降低設(shè)備效率的損失，將OEE 方法與MES 系統(tǒng)有效地結(jié)合起來(lái)可以智能識(shí)別出并降低效率損失，使損失掉的產(chǎn)能可視化，進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)工藝［15］，使人為的管控通過(guò)信息系統(tǒng)自動(dòng)化控制更加精準(zhǔn)簡(jiǎn)便。

OEE 是能夠全面反映設(shè)備生產(chǎn)效率的指標(biāo)。是實(shí)際使用時(shí)間與理論使用時(shí)間的比值。其標(biāo)準(zhǔn)主要被量化為三個(gè)關(guān)鍵要素，包括時(shí)間利用率（AV）、性能利用率（PE）和質(zhì)量率（QU）。

3.2 OEE的計(jì)算

綜合設(shè)備利用率OEE的計(jì)算公式如下：

各項(xiàng)分別表示為

1）時(shí)間利用率主要評(píng)估設(shè)備的使用和生產(chǎn)效率，主要表示停機(jī)對(duì)設(shè)備的損失影響。

2）性能利用率用于體現(xiàn)設(shè)備的在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中整體性能，主要表示速度對(duì)設(shè)備的損失影響。

3）質(zhì)量率是在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中查詢產(chǎn)量以及廢品數(shù)量，是合格頻率的反映，主要表示廢品對(duì)設(shè)備的損失影響。

以印刷機(jī)作為研究對(duì)象，利用上述公式計(jì)算設(shè)備的OEE 值分析產(chǎn)能損失。當(dāng)設(shè)備綜合利用率>=85%時(shí)定義設(shè)備效率良好［16］，MES 系統(tǒng)按照該標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)設(shè)備信息是否達(dá)標(biāo)，達(dá)到自動(dòng)化管理控制生產(chǎn)過(guò)程。

3.3 影響OEE的損失分析

通過(guò)對(duì)包裝印刷車間的時(shí)間利用率分析，確定設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程由于各種原因所造成的損失主要分為四大類：由于設(shè)備在休息、待料、待人和無(wú)動(dòng)力時(shí)造成的停止時(shí)間、由于因設(shè)備故障停機(jī)和生產(chǎn)殘次品造成的停機(jī)時(shí)間、由于人員誤操作造成的機(jī)器空轉(zhuǎn)時(shí)間以及暫停損失、由于設(shè)備故障引起的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。直觀如圖3所示。

圖3 影響OEE損失時(shí)間

4 實(shí)例測(cè)試

根據(jù)精益生產(chǎn)要求，通過(guò)采集和處理車間設(shè)備制造信息研究，提取某日印刷機(jī)組的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其中包括所在廠房、貼合速度（P/H）和設(shè)備狀態(tài)。以印刷機(jī)編號(hào)為OP25、型號(hào)為A12 為例，在設(shè)備基本信息管理中的詳細(xì)信息可以查看在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的OEE 具體損失時(shí)間、廢品數(shù)、質(zhì)量率以及設(shè)備綜合效率等。

將文中提出的印刷機(jī)組設(shè)備效率評(píng)價(jià)體系應(yīng)用于某印刷車間4臺(tái)同類印刷機(jī)設(shè)備上，在其內(nèi)網(wǎng)部署。部署完畢后的，以2020 年某工作日內(nèi)各機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)作為橫向測(cè)試，驗(yàn)證文中所述印刷機(jī)組設(shè)備效率評(píng)價(jià)體系的有效性。提取2020 年某日某印刷車間五組的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并按照文中印刷機(jī)組設(shè)備效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其時(shí)間利用率AV、性能利用率和質(zhì)量率具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 印刷機(jī)組設(shè)備效率各項(xiàng)指標(biāo)

以公司生產(chǎn)中某日設(shè)備綜合數(shù)據(jù)作為縱向測(cè)試，其中設(shè)備綜合數(shù)據(jù)板塊展示了公司的設(shè)備綜合故障率和完好率占比、兩個(gè)制造部最近半年的設(shè)備完好率和故障率走勢(shì)以及本月膠印和凹印中各工序的設(shè)備完好率和故障率等。

將車間各機(jī)組生產(chǎn)情況對(duì)比可知，各機(jī)組均可以正常運(yùn)行，但如圖所示設(shè)備的綜合效率各不相同，其中OP41 號(hào)機(jī)組設(shè)備設(shè)備綜合率處于較低的水平，為60.01%，表示設(shè)備運(yùn)行狀況不穩(wěn)定。歸其原因，該機(jī)組的性能利用率和質(zhì)量率較其他組正常，但是時(shí)間利用率僅為65%，遠(yuǎn)低于其他機(jī)組，是影響該設(shè)備效率低下的主要因素，根據(jù)MES 系統(tǒng)中生產(chǎn)狀況展示批次保養(yǎng)時(shí)間占了總的生產(chǎn)時(shí)間耗時(shí)的43%，說(shuō)明該印刷機(jī)設(shè)備需要操作人員加強(qiáng)點(diǎn)檢意識(shí)，按照車間管理人員，設(shè)備部人員、精益辦人員分不同周期、不同時(shí)間段進(jìn)行設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢。減少保養(yǎng)時(shí)間，降低故障發(fā)生幾率，間接降低生產(chǎn)成本。按照所需查看的設(shè)備部位，選取部分的每班點(diǎn)檢次數(shù)及完成率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備點(diǎn)檢完成率統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表1 中指標(biāo)還可以看出其中的有三個(gè)機(jī)組的OEE 都在85%以下，低于當(dāng)今世界級(jí)維修水準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)定義，造成產(chǎn)能不均，需要改善的空間還有很大。比如需要縮短投放料的時(shí)間、加強(qiáng)人員對(duì)設(shè)備的自主維修的意識(shí)都可以提高OEE 水平和車間產(chǎn)能，解決企業(yè)實(shí)際管理需求，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理高效化，生產(chǎn)透明化，達(dá)到提質(zhì)增效的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)現(xiàn)在印刷行業(yè)中設(shè)備效率評(píng)價(jià)體系無(wú)法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確反映設(shè)備生產(chǎn)情況的問(wèn)題，以MES系統(tǒng)為主要技術(shù)手段，文中以設(shè)備印刷機(jī)組作為研究對(duì)象，通過(guò)將設(shè)備評(píng)價(jià)指標(biāo)OEE 運(yùn)用到企業(yè)的MES 系統(tǒng)中，建立了一套實(shí)時(shí)自動(dòng)采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的印刷機(jī)組設(shè)備效率評(píng)價(jià)體系。將此體系部署于某印企的印刷機(jī)（設(shè)備型號(hào)為A12）上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明文中提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以精準(zhǔn)、全面、實(shí)時(shí)的反映設(shè)備基礎(chǔ)信息與健康狀況的影響因素，增強(qiáng)了生產(chǎn)過(guò)程的的可視性、可控性、集成性，使管理者可以有針對(duì)地調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保證車間設(shè)備時(shí)刻處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高了方法的通用性，具有良好的商業(yè)價(jià)值。