全自動分揀系統的OEE分析

文/ 陳霄喬鋅李國波

一、背景分析

隨著高標準煙草市場體系的建設，卷煙市場銷量逐年增長，標準卷煙分揀越來越多采用全自動分揀模式[1]。通過將卷煙進行劃箱、開箱、補貨、分揀、打碼、包裝等一系列流程完成客戶訂單分揀，其分揀設備的效率和穩定性也成為卷煙物流中心關注焦點[2]。

以某煙草物流中心全自動分揀設備為例，隨著設備長時間運轉，器件損耗故障增加，導致分揀線穩定性下降，效率降低[3]。如何在不改變分揀流程的基礎上，研究影響設備分揀效率的因素，通過設備改善調整，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）的全自動分揀線的評測指標體系，能夠客觀、真實反映設備運行情況，有助于企業精準開展TPM設備改善。

二、設備綜合效率（OEE）理論

1.三個指標

設備綜合效率（OEE）是相對成熟的衡量企業生產率的指標，是設備凈生產時間占總生產時間的百分比[5]。分析OEE指標，常用于企業開展全員生產維護（TPM）的焦點改善活動，是反映設備管理水平的重要指標。

設備綜合效率（OEE）是時間開動率A（Availability）、性能開動率P（Performance）和質量合格率（Quality）的乘積，即：

（1）時間開動率

時間開動率是反映設備的時間利用情況，主要考慮停工帶來的損失。

其中，計劃生產時間不包括計劃性停機（會議、就餐、培訓等）、計劃維修等情況，即：

實際生產時間不包括停機損失時間，如停機等待損失、更換損失、故障損失、準備損失、調試損失等造成的設備停機情況。一般來說此類情況會在設備運行日志上有記錄，即：

將公式（3）和（4）帶入（2），可得：

可見，設備時間開動率反映了設備整體時間的利用情況，通過量化指標反映生產組織管理和設備故障對設備運行的影響。

（2）性能開動率

性能開動率是反映發揮設備運行性能的情況：

理論生產時間指設備設計運行時間，也就是使用設備設計速度生產一定產量的設備所用時間。具有額定效率的設備，可以根據生產一件產品的時間乘以生產總量，即：

將公式（4）帶入（7），可得：

可見，在設備生產過程中，任何導致設備不能以最高速度運行的因素，如設備等待、微故障、人員操作失誤等，都會影響性能開動率[6]。

（3）質量合格率

質量合格率是反映設備生產合格品的情況：

綜上可見，OEE指標是通過量化的方式反映設備在時間利用、性能發揮和產品質量的綜合性指標，可以全面客觀反映出設備運行現狀，便于快速發現流程瓶頸和效率損失[7]。

2.六大損失

設備的六大損失，包括停機和故障損失、換裝和調試損失、空轉和瞬間停機損失、降低速度損失、啟動到穩定的損失，生產次品的損失。OEE三個指標與六大損失的關系，如圖1所示。

圖1 OEE與六大損失的關系

三、分揀設備OEE 綜合分析

1.設備布局及流程介紹

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

圖2 全自動分揀區平面圖

圖3 全自動分揀線流程圖

設備的六大損失，包括停機和故障損失、換裝和調試損失、空轉和瞬間停機損失、降低速度損失、啟動到穩定的損失，生產次品的損失。

2.分揀設備的綜合效率分析

表2 分揀主線運轉效率統計

表3 精準過煙效率統計

某煙草物流中心有四條分揀線，以一條分揀線為例進行分析。按照分揀流程可將全自動分揀系統劃分為五個主要環節，分別為：件煙庫出庫，主線運轉，精準打碼，疊煙機，貼簽機，統計各環節的運轉效率，并對比各環節的平均運轉效率與無故障、無停機時的最高運轉效率，找到影響分揀效率的瓶頸。

（1）件煙庫出庫效率

統計每小時件煙庫卷煙出庫件數總量，如表1所示，每小時出庫平均件數為662，測定最高出庫件數為678。故每小時少補貨16件煙，即件煙庫出庫損失效率為800條/小時。

表1 件煙庫出庫效率統計

（2）分揀主線運轉效率

排除疊煙機和精準打碼部分，統計1分鐘內，經過主線合流皮帶的卷煙條數。雙側合流平均速度為33600條/小時，測定最高效度為39840條/小時，即分揀線主線損失效率為3120條/小時。

（3）精準打碼效率

統計精準打碼的三段皮帶速度，實際效率為35540條/小時，最高效率為36000條/小時，即精準打碼損失效率為460條/小時。

（4）疊煙機效率

統計1小時疊煙機的疊包數量，實際效率為38750條/小時，最高效率為39200條/小時，即疊煙機損失效率為450條/小時。

（5）下線口效率

統計1小時內下線口全速分揀的過包量，實際效率為37000條/小時，最高效率為37300條/小時，即疊煙機損失效率為300條/小時。

貼簽機、籠車綁定等其他損失效率為132條/小時。

綜上所述，得出各個環節損失效率的數值，如圖4所示，繪制排列圖。

圖4 各環節效率損失排列圖（條/小時）

通過計算結果的比較分析，分揀主線運轉是造成分揀效率降低的關鍵癥結，如何提高主線運轉的效率是提高整個分揀系統OEE的突破點。

3.分揀主線環節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分揀線的實際情況，六大損失的具體情況為如下：

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

② 換裝和調試損失：更換調整煙倉、設備預熱造成的損失、設備電氣元件損壞更換；

表4 疊煙機效率統計

表5 下線口效率統計

③空轉和瞬間停機損失：由于人員誤操作、設備誤識別、條煙卡頓等造成設備空閑產生短暫停頓而產生的損失；

④ 降低速度損失：指設備實際運行速度與實際速度的差別。如訂單情況造成的虛擬托盤浪費，因故障調慢側推及機械手速度等任何阻止設備達到設計產能的因素；

④啟動到穩定的損失：初期件煙補滿煙倉所需時間、最遠端煙倉到精準打碼行走所需時間；

⑤生產次品的損失：由于設備故障引起的生產過程中殘煙或者返工。

（2）分揀主線的OEE 計算

以某煙草物流中心為例，給出具體計算結果。約束條件如下：

①總時間為8小時；

②計劃停機時間包括午休及班會為1.5小時；

③額定效率為33000條/小時；

④停機損失故時間由上位機統計得到，生產總量、合格品量由當日統計得到。

根據公式（5）、（8）和（9），計算2021年4月開始6周的時間開動率，性能開動率及合格品率。并通過公式（2）計算分揀主線的OEE，結果如表6所示：

表6 2021年4月OEE統計

根據表6可知OEE的平均值為81.83%，低于世界級企業的平均標準85%，需要進行改善。時間開動率僅為83.59%，提升空間較大。性能開動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三個要素進行分析，提供分揀主線的工作效率重點再約時間開動率，根據實際開動率的計算公式，降低停機損失時間是提高OEE的關鍵。

四、分揀主線綜合效率提升分析

1.主線故障統計

通過對分揀主線的OEE數據分析，可知減少停機損失時間是提高運轉效率的關鍵。減少停機損失即減少故障損失和換裝調試損失。

換裝調試損失主要包括更換調整煙倉、設備預熱造成的損失、設備電氣元件損壞更換損失。調整煙倉、設備預熱造成的損失屬于開機前的必須工作，無法避免。設備電氣元件損壞更換損失跟設備硬件壽命及溫度、濕度有關，屬于突發狀況無法提前預知，改善空間不大。

故障損失主要包括皮帶機超高告警停機、煙倉出端告警停機、核數卡阻告警停機、缺煙告警停機等主線告警，統計可以通過調整硬件設備、優化參數設置和定期維護改善，是本文討論的重點。統計4月平均單日主線故障次數與累計復位時間，如表7所示。值得注意的是，表7中處理時間并非分揀主線停機時間，而是子線停機時間。子線停機會導致主線運轉效率下降，故以此衡量分揀主線故障。而OEE計算中采用的是中控機統計的全部子線停機時間。

表7中處理時間并分揀主線停機時間，而是子線停機時間。由上表可知，可知核數卡阻、皮帶機超高、缺煙停機三類主線故障，累計時間占比接近80%。根據二八原則，對此這三個影響分揀主線運轉效率的停機故障進行重點討論。

表7 4月平均單日故障統計

2.核數卡阻告警對策

原因分析：一是核數卡阻判定時間過短，卷煙還未行走到位就觸發卡阻邏輯判斷，導致告警。二是核數皮帶行走速度慢，導致卷煙在規定時間未走到規定位置，導致告警。三是卷煙歪斜，到達翻叉時煙姿變形，光開關未能檢測到卷煙。四是判斷核數卡阻時，PLC程序只靠定時器來判斷延時時間，邏輯存在漏洞，導致卷煙卡阻誤報警。

應對對策：一是調整核數卡阻告警的判斷條件，增加核數卡阻告警的判定時間，延長皮帶行走距離。二是調整皮帶伺服驅動器的減速時間，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，減少煙姿歪斜的現象。四是優化細支核數段程序，增加光電開關，動態判斷細支條煙狀態。

3.皮帶機超高告警對策

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。二是兩個核數皮帶速度不一，導致卷煙在兩個核數皮帶間隙處彈起，擋住超高開關。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。四是超過開關位置和高度不合適。

應對對策：一是在主線皮帶的遠端，增加限高擋煙皮帶，減少卷煙堆積。二是將超高開關位置向遠端調整，并適當增加超高開關的高度，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，防止卷煙因回彈導致堆積。

4.缺煙停機告警對策

原因分析：一是全自動四組煙倉卷煙總量比例搭配不當，銷量大的煙倉排布靠前，件煙在補貨過程中卡堵，后續補煙無法進行。二是部分件煙箱皮有黑色圖案，光電開關無法感應，件煙卡堵頻繁，補煙速度過慢導致缺煙。三是件煙庫緩存件煙，大品規卷煙緩存煙道較少，補貨不及時，導致缺煙。四是煙倉補貨過程中散垛造成，卷煙補貨速度降低，造成缺煙。

應對對策：一是調整四組煙倉卷煙數量比例，將銷量大的卷煙分開平均到三組煙倉，達到均衡補煙。二是適當增加第三組卷煙總量，避免補貨線卡堵，造成后續件煙無法補充。三是在轉折位置的滾柱處并聯光電開關，多角度感應件煙信號。四是增加件煙庫大品規卷煙緩存數量，并調整安全庫存，提前發起要貨。五是調整煙倉流利滑條和小車補貨位置，避免小車補貨過程中在煙道內出現散垛滑道。

五、改善情況

經過改善統計三類故障的單日總時間變化，結果如表8所示。根據公式（5）、（8）和（9），計算2021年6月開始6周的時間開動率，性能開動率及合格品率。并通過公式（2）計算分揀主線的OEE，結果如表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間變化

表9 2021年6月OEE統計

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

表10 2021年2月至6月的分揀效率統計

六、總結

本文探討了OEE的計算方法，對某市物流中心全自動分揀設備各環節進行了分析，并針對分揀主線這一瓶頸設備進行了OEE算法計算。通過采取有針對性的措施，對影響分揀主線時間開動率的三個關鍵原因進行處理，縮短了停機損失時間，解決了使用過程中常出現的題，供企業實際使用參考。分揀主線的時間開動率提高到87.61%，OEE指數升到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變動原因，進而找準關鍵問題加以解決。善用 OEE數據分析，在實踐中作針對性處理，對提高企業設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，在其他卷煙分揀設備的設計與調試中也具有參考價值。