全自动分拣系统的OEE分析

文/ 陈霄乔锌李国波

一、背景分析

随着高标准烟草市场体系的建设，卷烟市场销量逐年增长，标准卷烟分拣越来越多采用全自动分拣模式[1]。通过将卷烟进行划箱、开箱、补货、分拣、打码、包装等一系列流程完成客户订单分拣，其分拣设备的效率和稳定性也成为卷烟物流中心关注焦点[2]。

以某烟草物流中心全自动分拣设备为例，随着设备长时间运转，器件损耗故障增加，导致分拣线稳定性下降，效率降低[3]。如何在不改变分拣流程的基础上，研究影响设备分拣效率的因素，通过设备改善调整，降低故障率，释放分拣效能，成为亟待解决的问题[4]。本文将提出一种基于OEE（Overall Equipment Effectiveness）的全自动分拣线的评测指标体系，能够客观、真实反映设备运行情况，有助于企业精准开展TPM设备改善。

二、设备综合效率（OEE）理论

1.三个指标

设备综合效率（OEE）是相对成熟的衡量企业生产率的指标，是设备净生产时间占总生产时间的百分比[5]。分析OEE指标，常用于企业开展全员生产维护（TPM）的焦点改善活动，是反映设备管理水平的重要指标。

设备综合效率（OEE）是时间开动率A（Availability）、性能开动率P（Performance）和质量合格率（Quality）的乘积，即：

（1）时间开动率

时间开动率是反映设备的时间利用情况，主要考虑停工带来的损失。

其中，计划生产时间不包括计划性停机（会议、就餐、培训等）、计划维修等情况，即：

实际生产时间不包括停机损失时间，如停机等待损失、更换损失、故障损失、准备损失、调试损失等造成的设备停机情况。一般来说此类情况会在设备运行日志上有记录，即：

将公式（3）和（4）带入（2），可得：

可见，设备时间开动率反映了设备整体时间的利用情况，通过量化指标反映生产组织管理和设备故障对设备运行的影响。

（2）性能开动率

性能开动率是反映发挥设备运行性能的情况：

理论生产时间指设备设计运行时间，也就是使用设备设计速度生产一定产量的设备所用时间。具有额定效率的设备，可以根据生产一件产品的时间乘以生产总量，即：

将公式（4）带入（7），可得：

可见，在设备生产过程中，任何导致设备不能以最高速度运行的因素，如设备等待、微故障、人员操作失误等，都会影响性能开动率[6]。

（3）质量合格率

质量合格率是反映设备生产合格品的情况：

综上可见，OEE指标是通过量化的方式反映设备在时间利用、性能发挥和产品质量的综合性指标，可以全面客观反映出设备运行现状，便于快速发现流程瓶颈和效率损失[7]。

2.六大损失

设备的六大损失，包括停机和故障损失、换装和调试损失、空转和瞬间停机损失、降低速度损失、启动到稳定的损失，生产次品的损失。OEE三个指标与六大损失的关系，如图1所示。

图1 OEE与六大损失的关系

三、分拣设备OEE 综合分析

1.设备布局及流程介绍

某卷烟物流中心全自动分拣线整体布局如图2所示，分拣流程为堆垛机从高架立库将整托盘卷烟出库，进入备货库进行存储，按照全自动分拣线的补货序列出库补货。件烟由备件库通过滚柱传输进入激光划箱机，将侧面横边胶条打开后通过补货道。根据既定烟道排布使用开箱机，打开烟箱上下侧盖。卷烟经由缓存皮带推至小车，接烟补货滑入烟仓。烟仓执行仓打烟到主线皮带，经过精准打码，叠烟机包装裹膜完成，贴签机贴签后，分拣完成，流程如图3所示。

图2 全自动分拣区平面图

图3 全自动分拣线流程图

设备的六大损失，包括停机和故障损失、换装和调试损失、空转和瞬间停机损失、降低速度损失、启动到稳定的损失，生产次品的损失。

2.分拣设备的综合效率分析

表2 分拣主线运转效率统计

表3 精准过烟效率统计

某烟草物流中心有四条分拣线，以一条分拣线为例进行分析。按照分拣流程可将全自动分拣系统划分为五个主要环节，分别为：件烟库出库，主线运转，精准打码，叠烟机，贴签机，统计各环节的运转效率，并对比各环节的平均运转效率与无故障、无停机时的最高运转效率，找到影响分拣效率的瓶颈。

（1）件烟库出库效率

统计每小时件烟库卷烟出库件数总量，如表1所示，每小时出库平均件数为662，测定最高出库件数为678。故每小时少补货16件烟，即件烟库出库损失效率为800条/小时。

表1 件烟库出库效率统计

（2）分拣主线运转效率

排除叠烟机和精准打码部分，统计1分钟内，经过主线合流皮带的卷烟条数。双侧合流平均速度为33600条/小时，测定最高效度为39840条/小时，即分拣线主线损失效率为3120条/小时。

（3）精准打码效率

统计精准打码的三段皮带速度，实际效率为35540条/小时，最高效率为36000条/小时，即精准打码损失效率为460条/小时。

（4）叠烟机效率

统计1小时叠烟机的叠包数量，实际效率为38750条/小时，最高效率为39200条/小时，即叠烟机损失效率为450条/小时。

（5）下线口效率

统计1小时内下线口全速分拣的过包量，实际效率为37000条/小时，最高效率为37300条/小时，即叠烟机损失效率为300条/小时。

贴签机、笼车绑定等其他损失效率为132条/小时。

综上所述，得出各个环节损失效率的数值，如图4所示，绘制排列图。

图4 各环节效率损失排列图（条/小时）

通过计算结果的比较分析，分拣主线运转是造成分拣效率降低的关键症结，如何提高主线运转的效率是提高整个分拣系统OEE的突破点。

3.分拣主线环节OEE 分析

（1）分拣主线的六大效率损失

针对某物流中心全自动分拣线的实际情况，六大损失的具体情况为如下：

①故障损失：直接导致主线停机的故障。主要包括皮带机超高告警停机、烟仓出端告警停机、核数卡阻告警停机、缺烟告警停机、烟仓出端等主线故障；

② 换装和调试损失：更换调整烟仓、设备预热造成的损失、设备电气元件损坏更换；

表4 叠烟机效率统计

表5 下线口效率统计

③空转和瞬间停机损失：由于人员误操作、设备误识别、条烟卡顿等造成设备空闲产生短暂停顿而产生的损失；

④ 降低速度损失：指设备实际运行速度与实际速度的差别。如订单情况造成的虚拟托盘浪费，因故障调慢侧推及机械手速度等任何阻止设备达到设计产能的因素；

④启动到稳定的损失：初期件烟补满烟仓所需时间、最远端烟仓到精准打码行走所需时间；

⑤生产次品的损失：由于设备故障引起的生产过程中残烟或者返工。

（2）分拣主线的OEE 计算

以某烟草物流中心为例，给出具体计算结果。约束条件如下：

①总时间为8小时；

②计划停机时间包括午休及班会为1.5小时；

③额定效率为33000条/小时；

④停机损失故时间由上位机统计得到，生产总量、合格品量由当日统计得到。

根据公式（5）、（8）和（9），计算2021年4月开始6周的时间开动率，性能开动率及合格品率。并通过公式（2）计算分拣主线的OEE，结果如表6所示：

表6 2021年4月OEE统计

根据表6可知OEE的平均值为81.83%，低于世界级企业的平均标准85%，需要进行改善。时间开动率仅为83.59%，提升空间较大。性能开动率和合格品率分别为97.91%和99.99%，高于平均水平，提升空间不大。通过对OEE三个要素进行分析，提供分拣主线的工作效率重点再约时间开动率，根据实际开动率的计算公式，降低停机损失时间是提高OEE的关键。

四、分拣主线综合效率提升分析

1.主线故障统计

通过对分拣主线的OEE数据分析，可知减少停机损失时间是提高运转效率的关键。减少停机损失即减少故障损失和换装调试损失。

换装调试损失主要包括更换调整烟仓、设备预热造成的损失、设备电气元件损坏更换损失。调整烟仓、设备预热造成的损失属于开机前的必须工作，无法避免。设备电气元件损坏更换损失跟设备硬件寿命及温度、湿度有关，属于突发状况无法提前预知，改善空间不大。

故障损失主要包括皮带机超高告警停机、烟仓出端告警停机、核数卡阻告警停机、缺烟告警停机等主线告警，统计可以通过调整硬件设备、优化参数设置和定期维护改善，是本文讨论的重点。统计4月平均单日主线故障次数与累计复位时间，如表7所示。值得注意的是，表7中处理时间并非分拣主线停机时间，而是子线停机时间。子线停机会导致主线运转效率下降，故以此衡量分拣主线故障。而OEE计算中采用的是中控机统计的全部子线停机时间。

表7中处理时间并分拣主线停机时间，而是子线停机时间。由上表可知，可知核数卡阻、皮带机超高、缺烟停机三类主线故障，累计时间占比接近80%。根据二八原则，对此这三个影响分拣主线运转效率的停机故障进行重点讨论。

表7 4月平均单日故障统计

2.核数卡阻告警对策

原因分析：一是核数卡阻判定时间过短，卷烟还未行走到位就触发卡阻逻辑判断，导致告警。二是核数皮带行走速度慢，导致卷烟在规定时间未走到规定位置，导致告警。三是卷烟歪斜，到达翻叉时烟姿变形，光开关未能检测到卷烟。四是判断核数卡阻时，PLC程序只靠定时器来判断延时时间，逻辑存在漏洞，导致卷烟卡阻误报警。

应对对策：一是调整核数卡阻告警的判断条件，增加核数卡阻告警的判定时间，延长皮带行走距离。二是调整皮带伺服驱动器的减速时间，增加皮带行走距离。三是定期用湿布擦拭皮带，增加皮带摩擦力，减少烟姿歪斜的现象。四是优化细支核数段程序，增加光电开关，动态判断细支条烟状态。

3.皮带机超高告警对策

原因分析：一是卷烟在打出烟仓过程中，主线皮带停止，造成卷烟堆积挡住超高开关。二是两个核数皮带速度不一，导致卷烟在两个核数皮带间隙处弹起，挡住超高开关。三是卷烟打出烟仓后速度过快，回弹到相邻卷烟的表面，卷烟堆积。四是超过开关位置和高度不合适。

应对对策：一是在主线皮带的远端，增加限高挡烟皮带，减少卷烟堆积。二是将超高开关位置向远端调整，并适当增加超高开关的高度，防止因卷烟弹起造成误告警。三是在挡烟皮带后加装海绵条，增加挡烟缓冲，加大挡烟皮带力度，减少烟姿歪斜。四是增加变频器频率，降低烟仓打烟速度，防止卷烟因回弹导致堆积。

4.缺烟停机告警对策

原因分析：一是全自动四组烟仓卷烟总量比例搭配不当，销量大的烟仓排布靠前，件烟在补货过程中卡堵，后续补烟无法进行。二是部分件烟箱皮有黑色图案，光电开关无法感应，件烟卡堵频繁，补烟速度过慢导致缺烟。三是件烟库缓存件烟，大品规卷烟缓存烟道较少，补货不及时，导致缺烟。四是烟仓补货过程中散垛造成，卷烟补货速度降低，造成缺烟。

应对对策：一是调整四组烟仓卷烟数量比例，将销量大的卷烟分开平均到三组烟仓，达到均衡补烟。二是适当增加第三组卷烟总量，避免补货线卡堵，造成后续件烟无法补充。三是在转折位置的滚柱处并联光电开关，多角度感应件烟信号。四是增加件烟库大品规卷烟缓存数量，并调整安全库存，提前发起要货。五是调整烟仓流利滑条和小车补货位置，避免小车补货过程中在烟道内出现散垛滑道。

五、改善情况

经过改善统计三类故障的单日总时间变化，结果如表8所示。根据公式（5）、（8）和（9），计算2021年6月开始6周的时间开动率，性能开动率及合格品率。并通过公式（2）计算分拣主线的OEE，结果如表9所示。2月至6月的分拣效率变化，如表10所示。

表8 三类故障的单日总时间变化

表9 2021年6月OEE统计

由表8、表9和表10所示，6月与4月相比，三类故障单日总时间明显下降，停机损失时间相应下降。时间开动率由83.59%提升到了87.61%，OEE指数由81.83%提升到了86.06%。分拣效率由4月的30735条/小时，上升到6月的32132条/小时，取得了良好的效果。

表10 2021年2月至6月的分拣效率统计

六、总结

本文探讨了OEE的计算方法，对某市物流中心全自动分拣设备各环节进行了分析，并针对分拣主线这一瓶颈设备进行了OEE算法计算。通过采取有针对性的措施，对影响分拣主线时间开动率的三个关键原因进行处理，缩短了停机损失时间，解决了使用过程中常出现的题，供企业实际使用参考。分拣主线的时间开动率提高到87.61%，OEE指数升到86.06%，6月的分拣效率相较4月提升4.55%。取得了良好效果。

OEE算法的思路是找出指标变动原因，进而找准关键问题加以解决。善用 OEE数据分析，在实践中作针对性处理，对提高企业设备管理水平有非常重要意义。其研究思想和方法具有普适性，在其他卷烟分拣设备的设计与调试中也具有参考价值。