制造執行系統中設備效率的研究

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任公司，云南 文山 663000；2.云南省機械研究設計院、云南省機電一體化應用技術重點實驗室、云南省先進制造技術研究中心，云南 昆明 650031）

制造執行系統MES是面向車間的管理信息系統，其中關鍵設備的監控管理是實施MES系統的重要內容，也是企業十分關注的功能。近年來，由于傳感與檢測等支撐技術的快速發展，在制造型企業中，獲取分析數據的能力比以往獲得了大幅提升。以設備運行狀態事件描述為數據來源，能夠反映出設備的運行效率。在實際情況中，大多數制造設備在MES實施的系統管理中，往往不能保障以最佳狀態運行，在人、設備、系統管理方面仍然存在很大效率上的提升空間。如何來評價設備的運行性能，需要一個判斷標準，本文探討了MES系統設備效率的實現方式。

1 設備綜合效率分析

設備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）是衡量企業生產效率的重要標準，其最早應用于全員生產維修TPM（Total Productive Maintenance）的度量，通過調動員工的積極性、自主性來提升效率、改善制造工藝水平。相比設備利用率，設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繩。設備綜合效率因行業不同，計算方式也不同，其中主要的3個因素為可利用時間效率、設備性能效率和合格品率，其計算公式如下：

設備綜合效率=設備時間開動率×性能開動率×合格品率，各參數的計算方式如下。

設備時間開動率=實際生產時間/計劃運行時間。

實際生產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=生產數量×理論加工周期/實際生產時間。

合格品率=合格品數量/生產數量。

對設備綜合效率的實際數據進行調查，存在一定難度。參照Richard Hedman等人的相關研究數據，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，涵蓋了食品、機械加工、橡膠塑料等領域，對總計884臺機器，進行了為期6個月的生產數據調查，發現平均設備綜合效率OEE預測值為65%。如表1所示，在損失的35%設備綜合效率中，由于缺乏分類或描述，占據所有生產時間的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備效率分析。

另外研究表明，在未利用的35%設備綜合效率中，90%的停機時間是與人工參與的輔助工作有關，9%的停機可能與人工操作有關，只有1%的停機不是由人來決定。可見設備綜合效率分析數據的欠缺，絕大部分體現在人工輔助工作的狀態描述上，而非由制造系統本身造成。

表1 所有參與調查的設備的運行時間分布

2 設備綜合效率在MES系統中的應用

設備綜合效率OEE在MES系統中的應用，在國內已有相關產品對此進行了實踐，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效率統計的方式，為生產管理者提供量化的參考標準。廣東工業大學的陳宇等人提出了一個基于改進型設備綜合效率(OEE)計算和設備功能區塊圖的設備實時監控系統4層結構框架，該框架分為設備信息采集層、實時監控管理層、效能分析層和設備調度管理層。

設備綜合效率在MES中的應用模型，通常情況下包括3層基本結構框架：設備信息采集層、數據處理層、人機交互界面。

設備信息采集是計算設備綜合效率的數據來源，屬于制造執行系統底端的數據采集層。設備到數據傳輸之間的聯系，可分為OPC客戶端設備通過以太網連接，非OPC設備如PLC、DCS類設備等，通過I/O驅動、總線、擴展接口進行連接。

數據處理層，包括數據庫存儲、讀取數據，OEE事件的數據分析，以及上下游間的通信。通過工廠建模、事件建模的方式，為數據分析確定基礎。接續上述對影響設備綜合效率因素的分析可知，設備狀態分類描述的完整性是影響設備綜合效率計算的主要原因。因此在對設備運行狀態進行事件建模時，應滿足設備綜合效率OEE計算的數據要求，同時結合實際對設備的各種運行狀態進行盡可能詳細的分類描述。

在MES系統的人機交互界面，具有相關操作權限的人員可根據存在的空轉、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的調度管理層。MES根據上報的相關參數，可實現對設備綜合效率OEE統計計算，決策人員可結合人員、設備等信息，完善生產任務的調度，提高設備的運行效率。

制造執行系統有關自動獲取、處理數據的能力毋庸置疑，但是系統數據來源的全面性和準確度，需要進一步衡量。設備綜合效率提供了一種更全面、有效的計算方式，通過完善設備運行事件的描述，結合實際情況與制造執行系統的特點，進一步展開研究，能夠從實際的角度提高企業的生產效率。

參考文獻：

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[2]Hedman R, Subramaniyan M, Almstr?m P． Analysis of Critical Factors for Automatic Measurement of OEE ☆ [J]．Procedia Cirp,2016,(57):128-133．

[3]里鵬,史海波,尚文利．設備綜合效能關鍵績效指標系統設計與實現[J]．計算機工程與應用,2011,47(22):26-28．

[4]陳宇,陳新,陳新度等．制造企業生產設備運行維護實時管理系統[J]．系統工程理論與實踐,2008,28(4):65-72．