eng
Выпуск #2/2017
А. Кузнецов, А. Каляшина
Эффективность металлообрабатывающего оборудования и производственных систем. Часть 2. Общая эффективность металлообрабатывающего оборудования и производственных систем
Эффективность металлообрабатывающего оборудования и производственных систем. Часть 2. Общая эффективность металлообрабатывающего оборудования и производственных систем
Просмотры: 2239
Приведен анализ существующих методик оценки эффективности металлорежущих станков. Детально проанализированы системные различия оценки эффективности оборудования по показателям ОЕЕ (Overall equipment effectiveness) и Е (Equipment effectiveness).
УДК 621.9
УДК 621.9
Теги: effective time efficiency overall efficiency of equipment production cycle общий коэффициент полезного действия оборудования производственный цикл эффективное время эффективность
В современных условиях более эффективное использование ресурсов имеет чрезвычайно высокую актуальность для любого предприятия. На промышленных предприятиях существует недостаток систематических процедур для оперативного отслеживания использования ресурсов в производственных системах − это, прежде всего, материалы, энергия, оборудование и люди.
В литературных источниках приводится множество исследований, направленных на оценку эффективности использования отдельных видов ресурсов, а также сделаны попытки разработки комплексной методики повышения эффективности расхода ресурсов в условиях функционирования производственной системы.
В [1, 8, 9] предложено понятие эффективности, как отношения объемов (энергий, мощностей, информации, времени и т.д.) на выходе процесса и на входе . Это отношение, в общем случае, и является оценкой эффективности :
или , (1)
где – физические процессы применения, – обеспечивающие процессы применения и потери.
Выражение эффективности в данном виде (1) является универсальным методом оценки, поэтому применимо также к анализу многофункциональных станков (технологических машин и систем), осуществляющих одновременное преобразование нескольких видов энергии.
Применяемые в настоящее время методы оценки общей эффективности процессов, оборудования и систем определяются выражением (1), а интегральный показатель эффективности будет равен произведению эффективностей степени использования материи , энергии и информации :
, (2)
где ‒ производительность, ‒ энергоэффективность, ‒ точность.
В [1] приведена оценка энергоэффективности оборудования как частный случай выражения (2) по показателю , составляющие элементы которого приведены в [9]. Данный подход позволяет рассматривать понятие эффективность как относительный КПД. По аналогии с энергоэффективностью, определим показатель эффективности оборудования (степень полезного использования времени в процессе работы оборудования), при этом производительность оборудования будет обратна времени использования. Тогда для технологического процесса производства N деталей при формировании всех его m свойств, каждое из которых требует выполнения i операций, запишем:
(3)
или ,
где − время (достижимое) выполнения физического процесса обработки, − время (достижимое) выполнения обеспечивающих процессов для выполнения физического процесса обработки, − фактическое (реальное) время выполнения физического процесса обработки, − время выполнения обеспечивающих процессов для выполнения физического процесса обработки, − степень использования оборудованием потенциала обработки, − степень использования ресурса оборудования, − степень фактического (реального) использования оборудования.
В идеале, каждый станок должен постоянно находиться в работоспособном состоянии. Эффективно используемое оборудование всегда работает на оптимальной скорости и в процессе эксплуатации не создает ситуаций, при которых возможно появление дефектов продукции. Тем не менее на практике функционирование оборудования не всегда является безупречным. Станки не всегда находятся в работоспособном состоянии. Достижение максимальных скоростей выполнения физического процесса при обработке изделий является существенной проблемой, а возникающие энергоинформационные воздействия прямым или косвенным образом способствуют появлению дефектов.
Многие ученые сознают важность контроля времени выполнения производственных процессов с тем, чтобы в последующем предлагать шаги для повышения эффективности производства в
целом. На сегодняшний день существует множество различных определений показателей эффективности и производительности работы оборудования, но для реальных условий производства важна четкость этих понятий и однозначность методик повышения эффективности, так как только в этом случае можно добиться реального результата. То есть дальнейшее развитие показателей эффективности требует создания единой терминологической базы.
Эти показатели позволяют оценить эффективность работы оборудования, но не позволяют «выявлять проблемы и возможности скрытых улучшений, необходимых для повышения производительности» [3].
В работе [2] предложены следующие показатели эффективности оборудования и систем:
Ф коэффициент использования рабочей машины (оборудования), как отношение суммарного времени бесперебойной работы оборудования к общему времени работы;
Ф коэффициент технического использования оборудования, как отношение суммарного времени бесперебойной работы оборудования к сумме времен бесперебойной работы и времени собственных потерь (простоев);
Ф коэффициент загрузки оборудования, как отношение суммы времен бесперебойной работы и времени собственных потерь (простоев) к общему времени работы;
Ф общий коэффициент использования оборудования, как сумма произведения Коэффициента использования и Коэффициента загрузки за время календарного срока службы оборудования.
В работе [2] предложено рассматривать один вид цикловых потерь, при которых не происходит обработка детали, и пять видов внецикловых потерь. Причем последние относят к двум категориям потерь времени работы оборудования: собственным, вызванным техническими причинами, и организационно-техническим, вызванным внешними причинами. Данная методика оценки эффективности является частным случаем выражения (3), когда в его числителе , , а значение равно единице.
На основании концепции общей эффективности оборудования, предложенной в [13], разработан стандарт [16] для определения и измерения эффективности работы оборудования. Этот стандарт предлагает использовать базовый показатель – общий коэффициент полезного действия оборудования – OEE. Этот показатель выражается в единицах времени. Показатель ОЕЕ является простым и интуитивно понятным и широко распространен на многих производственных предприятиях. ОЕЕ позволяет количественно оценить все временные потери, которые влияют на эффективную работу оборудования, и является отправной точкой для других методов анализа.
В работе [6] отмечено, что показатель ОЕЕ становится все более и более популярным и широко используется в качестве количественной меры эффективности. Также утверждается, что традиционные показатели измерения производительности и пропускной способности оборудования недостаточны для эффективного и своевременного выявления возникающих проблем.
В работе [10] приведены результаты исследования, иллюстрирующего использование ОЕЕ в промышленности. Отмечено, что эффективность зависит от фактической и оптимальной скорости работы оборудования. Оптимальную скорость достаточно сложно определить, так как она отличается при каждом рабочем ходе инструмента. Авторы отмечают, что важно использовать одну и ту же скорость для конкретного рабочего хода в каждом отдельном измерении, в противном случае невозможно сравнить измерения. Также авторы исследования обращают внимание на такой показатель, как «незначительные перерывы». Полученные фактические данные показывают, что эти простои составляют 20−49% общего времени простоев оборудования. Отмечается также, что довольно сложно оценить продолжительность времени простоев и не существует четких границ между «короткими остановками» и «незначительными перерывами».
В работе [12] утверждается, что существуют положительные потери времени, то есть операцию проводят при более коротком времени цикла (или с более высокой скоростью), чем заданные номинальные показатели. Такая ситуация зачастую связана с изначально заниженной номинальной скоростью. Таким образом, некоторые незначительные перерывы скрыты в более коротком времени цикла.
В работе [11] предлагается оценивать эффективность, как отношение теоретического времени выполнения заявленных работ и отчетного производственного времени. Также отмечается, что скорость оборудования может отличаться в одной и той же рабочей операции, например из-за различной квалификации оператора. При этом, подготовительное время или время коротких остановов оборудования не позиционируется как время простоя, а рассматривается как производственное время. Также утверждается, что даже при отсутствии отличий в скорости работы оборудования, оценка всех затрат времени на простои зависит от организации производства в целом.
Авторы [4] предлагают ввести альтернативные показатели для ОЕЕ. Утверждается, что ОЕЕ не является точной мерой эффективности оборудования в случае, когда учитывается время настройки, переналадки и регулировки оборудования. Предлагается использовать такой показатель, как общая производительность оборудования, которая связана с ОЕЕ временем загрузки.
В работе [5] показатели ОЕЕ используются не только в качестве оперативной меры оценки эффективности, но и как индикатор процесса улучшения работы предприятия. При этом отмечается, что ОЕЕ расширяет перспективы улучшения процесса производства, но применение этого показателя должно быть сбалансировано другими, более традиционными показателями. Авторы также утверждают, что применение ОЕЕ более оправдано в производственных процессах с большими объемами выпуска продукции, когда эффективность использования оборудования является крайне важной, а остановы являются дорогостоящими.
В работе [11] отмечено, что знания только показателя ОЕЕ недостаточно для определения направления деятельности по улучшению производственного процесса. Необходимо оценивать многочисленные компоненты ОЕЕ по отдельности, только в этом случае можно определить приоритеты возможных улучшений. При более детальном рассмотрении показателя ОЕЕ выясняется, что некоторые его компоненты являются взаимозависимыми, например, операционная эффективность и эффективность скорости. Это означает, что при повышении эффективности скорости снижается операционная эффективность и наоборот.
Анализ показывает, что основная доля исследований направлена на определение компонентов ОЕЕ. Можно сделать вывод о том, что необходимо проводить дальнейшие исследования, уточняющие методы и области применения ОЕЕ, углублять анализ его компонентов. В классическом определении ОЕЕ существуют явные проблемы с определением временной базы, для решения которых разработаны новые методики оценки показателя эффективности Е. Основное отличие между ОЕЕ и Е заключается в выборе базового времени. При расчете эффективности работы оборудования по ОЕЕ учитываются производственные потери, не связанные напрямую с самим оборудованием: например, отсутствие условий, позволяющих начать технологический процесс. Это обстоятельство связано не с самим оборудованием, а с производственной средой. В то же время методика оценки Е учитывает эффективность оборудования, связанную только с потерями при непосредственной работе оборудования. Таким образом, показатель Е отражает внутренние потери, в то время как процесс эксплуатации оборудования зависит и от внешних потерь, связанных с производственной средой.
Показатель ОЕЕ рассматривается как интегральный показатель [15], который связывает готовность оборудования, производительность и качество:
, (4)
где А, В, С, D, E и F − составляющие компоненты времени, графически описанные на рис. 1. Определения этих составляющих и их отношений приведены в табл. 1.
При определении показатели ОЕЕ принято выделять в три категории потерь (табл. 2), которые снижают эффективность работы оборудования.
Таким образом:
Ф 100%-ная готовность оборудования – нет потерь времени на простои – станок работает без остановки;
Ф 100%-ная производительность – нет потерь скорости – станок работает с максимальной скоростью согласно запланированному циклу;
Ф 100%-ное качество – нет потерь качества – станок не производит бракованных изделий.
При нарушении параметров эффективности эти три показателя помогают отслеживать и анализировать данные ОЕЕ для максимального снижения (в идеале − устранения) событий, связанных с потерями (рис. 1).
Необходимо отметить, что на показатель ОЕЕ оказывают влияние не только факторы, связанные с оборудованием, но и квалификация оператора, наличие и качество исходных материалов, процесс планирования производства и т.д. Таким образом, необходимо учитывать различия между отдельно взятым (изолированным) оборудованием и тем, которое интегрировано в производственную систему.
В общем случае ОЕЕ рассчитывается с учетом внешних факторов производства. Для определения эффективности самого оборудования (без учета внешних факторов) предлагается рассматривать его в качестве системы, состоящей из собственно оборудования и системного окружения. Система выполняет производственную функцию. Для того чтобы оборудование выполняло функцию изготовления годных деталей, должны быть выполнены дополнительные условия, не связанные непосредственно с оборудованием: наличие квалифицированных операторов, качественных заготовок и т.д.
Таким образом, главное отличие между показателями ОЕЕ и Е [14] в разном подходе к оценке состояния оборудования – встроенного в производственную систему или автономного. Оценки ОЕЕ измеряют эффективность оборудования, включая взаимодействие с производственной системой в начале и в конце производственного цикла. Это означает, что ОЕЕ отслеживает не состояние оборудования как такового, а эффекты от воздействия других компонентов системы. Е отслеживает эффективность автономного оборудования и позволяет контролировать именно его состояние.
Исходя из этого утверждения разделим производственные потери на два класса:
Ф связанные с оборудованием (например, отсутствие оператора);
Ф независимые от оборудования (например, отсутствие исходных материалов).
На рис. 2 представлены различные состояния оборудования, которое определим следующим образом:
1. нерабочее состояние − оборудование не выполняет свои функции (это состояние включает в себя нерабочие смены, выходные и праздничные дни, периоды завершения работы и ввода в эксплуатацию и инженерную деятельность: инжиниринг оборудования, разработку программного обеспечения и т.д.);
2. отсутствие необходимых входных условий − оборудование может выполнять свои функции, но не работает, так как не обеспечены входные условия для начала работы;
3. отсутствие необходимых выходных условий − оборудование в состоянии выполнять свои функции, но не в состоянии выпускать детали, так как не обеспечены выходные условия;
4. внеплановые остановы − оборудование не в состоянии выполнять свои функции из-за незапланированных простоев (включает в себя ремонт и проверку работоспособности, отсутствие свободных операторов);
5. плановые остановы − оборудование не может выполнять свои функции из-за запланированных простоев (профилактика оборудования, изменение расходных материалов и т.д.);
6. состояние «выпуск продукции» − оборудование выполняет свои функции и осуществляет регулярное производство продукции.
Чтобы получить характеристики автономного оборудования, проведем разделение потерь [14]. На рис. 2 показано сокращение общего времени по сравнению с эффективным временем Те. Общее время То включает состояния, зависимые и независимые от оборудования, а эффективное время включает только состояния, зависимые от оборудования. Эффективное время является базовым для определения эффективности.
Соотношение числа годных изделий и эффективного времени работы Те – это фактическая пропускная способность производства годных изделий:
. (5)
Время, в течение которого оборудование действительно выполняет свои функции − производственное время То − представляет собой часть эффективного времени Те. Это доля времени A, которая приходится на тот период, когда оборудование не работает по причине ремонта:
. (6)
Идеальный переход не имеет потерь времени, таких как неэффективные простои, потери скорости и потери качества. Результаты этого перехода в максимальном числе изделий Nmax, обработанных за основное время То. Эти результаты отражены в максимальной пропускной способности dо:
. (7)
Нормирование скорости оборудования проводится в соответствии с максимальной пропускной способностью. Если оборудование производит изделия в соответствии с нормированной, но c более низкой скоростью, состояние оборудования – рабочее. При более низкой скорости на выходе должно быть N деталей за время То. Отношение количества деталей, производимых при нормированной и максимальной скорости работы оборудования, называется фактором скорости R:
. (8)
Выходные параметры процесса могут дополнительно снижаться за счет потерь качества, то есть производства изделий, не соответствующих техническим требованиям. Доля общего числа произведенных качественных изделий известна как выработка (выход) Y. Это определение дано в работе [3]. В работе [11] отмечается, что доля выработки показывает процент брака в технологическом процессе, этот показатель называется эффективность качества [14] и выражается:
. (9)
Отношение между реальной пропускной способностью dQ и максимальной dо может быть получено с учетом предыдущих выражений:
. (10)
Эффективность − есть доля максимальной производительности оборудования при выполнении запланированных функций, то есть производстве качественных изделий. Тогда, эффективность оборудования Е можно определить следующим образом:
. (11)
Если измерения недоступны, то эффективность оборудования Е можно оценить с помощью запланированного значения:
.
Отличие ОЕЕ и Е также может быть рассмотрено и проиллюстрировано разными подходами к выбору базового времени. Работа [13] определяет время загруженности оборудования как базовое, оно получается путем вычитания плановых простоев из общего доступного времени в день или в месяц. Однако, обзор работ показывает, что в качестве времени загруженности оборудования лучше использовать весь объем времени. В работе [15] общий объем времени определяется как базовое время (24 ч в сутки, 7 дней в неделю) в течение всего периода измерений.
Таким образом, базовое время – это период времени, когда оборудование способно выполнять свои функции без каких-либо ограничений извне. Это означает, что должны учитываться только те простои, которые связаны с самим оборудованием. Оборудование «не несет ответственности» за внешние обстоятельства. Если, например, заготовки не доставляются вовремя из-за проблем планирования, то это никак не связано с оборудованием. Таким образом, при использовании показателя Е, базовое время не должно включать в себя простои не связанные с оборудованием. Тогда базовое время будет эквивалентно эффективному.
С другой стороны, Е не зависит от процесса эксплуатации, как ОЕЕ, но учитывает непосредственно производственное время и эффективное время. Эксплуатация определяет долю времени, в течение которого окружающая система позволяет оборудованию выполнять свои функции. Использование эффективного времени в качестве базового означает, что этот показатель включает все потери времени из-за простоев, настройки или переделок. В работе [16] эффективное время определяется как все время цикла, за исключением той доли, которая включает простои оборудования, простои в ожидании оператора и ряде других случаев.
Таким образом, если показатели эффективности различных типов оборудования сравниваются с использованием показателей ОЕЕ, они могут иметь одинаковые значения, хотя значения их эффективности по методике оценки Е будут различаться. С другой стороны, два станка, имеющие одинаковую эффективность Е, могут иметь различные значения показателя ОЕЕ. Показатель Е является более показательным для сравнения различных типов оборудования.
В классическом понимании производительность оборудования – это сравнение текущей выработки с номинальной за определенный период времени.
Кроме производительности, ОЕЕ включает в себя еще два элемента (рис. 1): готовность оборудования (сравнение времени, в течение которого изготавливается продукт, и номинального времени выпуска изделия) и качество (сравнение общего количества изделий, изготовленных за период времени, и количества изделий, отвечающих требованиям потребителей). Для получения показателя ОЕЕ необходимо перемножить показатели производительности, готовности и качества.
Отметим, что определение ОЕЕ происходит на основе ежедневного фиксирования показателей, отражающих состояние оборудования, что способствует открытому подходу к обмену информацией и предотвращает случаи, когда плохое функционирование станков ставится в вину конкретному рабочему. ОЕЕ определяется как отношение между теоретическим и общим временем, это означает, что время производства не измеряется, а вычисляется. В результате индекс ОЕЕ выше, чем мера эффективности Е.
Известные по опубликованным работам методы оценки эффективности во многом совпадают с выводами работы [2], в которой третья составляющая качества учитывается не в явном виде, а в виде потерь времени, в течение которого происходило производство некачественной продукции. Показатели ОЕЕ и Е также являются частным случаем выражения (3), когда в числителе .
В качестве примера реализации метода оценки эффективности применительно к металлорежущим станкам на рис. 3−6 представлены результаты анализа потерь времени (приближенных к приведенным в табл. 2.). Этот метод применяется в разработанной программно-аппаратной системе АИС «Диспетчер» (ООО ИЦ «Станкосервис» г. Смоленск). Здесь отражены ключевые показатели эффективности: коэффициент загрузки оборудования, коэффициент готовности и характеристики простоев по различным причинам.
На рис. 7 приведен суточный мониторинг работы оборудования, включая основные процессы и потери по параметрам «выключен», «аварийная остановка», «включен» и «под нагрузкой». В системе, реализованной на платформе winnum (ООО «Сигнум» г. Москва), также реализуется методология оценки эффективности оборудования.
Таким образом, оценка эффективности оборудования и производственных систем по различным существующим методикам учитывает при всем единстве различные по степени детализации составляющие параметры. При всей простоте и очевидности процессов производственного цикла, необходимы дальнейшие исследования в создании общей теоретической базы и понятий эффективности на основе системного представления структуры и взаимосвязей производственной системы и системы оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов А.П. , Каляшина А.В. Эффективность металлообрабатывающего оборудования и производственных систем. Ч. 1. Энергоэффективность металлообрабатывающего оборудования и производственных систем // СТАНКОИНСТРУМЕНТ. 2017. № 1. С. 32–43.
2. Шаумян Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов. М.: Машиностроение, 1973. 640 с.
3. Ames V.A., Gililland J., Konopka A., Barber H. Semiconductor manufacturing productivity; Overall equipment effectiveness (OEE) guidelines, 1995. Technology transfer 950 327 443 A-GEN, Revision 1.0. Sematech.
4. Chand G. and Shirvani B. Implementation of TPM in cellular manufacture // J. Mater. Processing Technol. 2000. Vol. 103. PP. 149–154.
5. Dal B., Tugwell P. and Greatbanks R. Overall equipment effectiveness as a measure of operational improvement // Int. J. Operations Prod. Manage. 2000. Vol. 20. № 12. PP. 1488–1502.
6. Huang S.H., Dismukes J.P., Shi J., Su Q., Razzak M.A., Bodhale R. and Robinson D.E. Manufacturing productivity improvement using effectiveness metrics and simulation analysis // Int. J. Prod. Res. 2003. Vol. 41. № 3.
7. Jeong K.-Y. and Phillips D.T. Operational efficiency and effectiveness measurement // Int. J. Operations Prod. Manage. 2001. Vol. 21. № 11.
8. Kuznetsov A. P. Structure of cutting processes and equipment. Part 1. Energy – information model of the structure of machining processes // Russian Engineering Research. 2015. Vol. 35. № 5. P. 347–357.
9. Kuznetsov A. P., Blau P., Koriath H.-J., Richter M. Criteria for Energy – efficiency of Technological Processes, Technological Machines and Production Engineering Procedia CIRP. 7th HPC 2016// CIRP Conference on High Performance Cutting / Published by Elsevier B.V. 2016. Vol. 46. P. 340–343.
10. Jonsson P. and Lesshammar M. Evaluation and improvement of manufacturing performance measurement systems – The role of OEE // Int. J. Operations Prod. Manage. 1999. Vol. 19. № 1. PP. 55–78.
11. Leachman R.C. Closed-loop measurement of equipment efficiency and equipment capacity // IEEE Trans. emiconduct. Manufact. 1997. Vol. 10. Feb.
12. Ljundberg O. Measurement of overall equipment effectiveness for TPM activities // Int. J. Operations Prod. Manage. 1998. Vol. 18. № 5.
13. Nakajima S. Introduction to TPM: Total Productive Maintenance. Cambridge, MA: Productivity, 1988.
14. Ron A.J. de Rooda J. E. Equipment Effectiveness: OEE Revisited // IEEE Transactions on semiconductor manufacturing. 2005. Vol. 18. № 1. PP. 190–196.
15. Standard for Definition and Measurement of Equipment Productivity, Semiconductor Equipment and Material International (SEMI) E79-0200, 2000.
16. Sattler L. Using queueing curve approximations in a fab to determine productivity improvements // in Proc. 1996 IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conf.Workshop, Cambridge, MA, Nov. 1996, pp. 140–145.
КУЗНЕЦОВ Александр Павлович –
доктор технических наук, профессор кафедры станков МГТУ «СТАНКИН» / МГТУ им. Н.Э. Баумана, директор по науке, инжинирингу и инновационному развитию АО «Станкопром»
КАЛЯШИНА Анна Викторовна –
кандидат технических наук, доцент, КНИТУ – КАИ
* См. первую часть статьи: СТАНКОИНСТРУМЕНТ. 2017. № 1. С. 32–43.
В литературных источниках приводится множество исследований, направленных на оценку эффективности использования отдельных видов ресурсов, а также сделаны попытки разработки комплексной методики повышения эффективности расхода ресурсов в условиях функционирования производственной системы.
В [1, 8, 9] предложено понятие эффективности, как отношения объемов (энергий, мощностей, информации, времени и т.д.) на выходе процесса и на входе . Это отношение, в общем случае, и является оценкой эффективности :
или , (1)
где – физические процессы применения, – обеспечивающие процессы применения и потери.
Выражение эффективности в данном виде (1) является универсальным методом оценки, поэтому применимо также к анализу многофункциональных станков (технологических машин и систем), осуществляющих одновременное преобразование нескольких видов энергии.
Применяемые в настоящее время методы оценки общей эффективности процессов, оборудования и систем определяются выражением (1), а интегральный показатель эффективности будет равен произведению эффективностей степени использования материи , энергии и информации :
, (2)
где ‒ производительность, ‒ энергоэффективность, ‒ точность.
В [1] приведена оценка энергоэффективности оборудования как частный случай выражения (2) по показателю , составляющие элементы которого приведены в [9]. Данный подход позволяет рассматривать понятие эффективность как относительный КПД. По аналогии с энергоэффективностью, определим показатель эффективности оборудования (степень полезного использования времени в процессе работы оборудования), при этом производительность оборудования будет обратна времени использования. Тогда для технологического процесса производства N деталей при формировании всех его m свойств, каждое из которых требует выполнения i операций, запишем:
(3)
или ,
где − время (достижимое) выполнения физического процесса обработки, − время (достижимое) выполнения обеспечивающих процессов для выполнения физического процесса обработки, − фактическое (реальное) время выполнения физического процесса обработки, − время выполнения обеспечивающих процессов для выполнения физического процесса обработки, − степень использования оборудованием потенциала обработки, − степень использования ресурса оборудования, − степень фактического (реального) использования оборудования.
В идеале, каждый станок должен постоянно находиться в работоспособном состоянии. Эффективно используемое оборудование всегда работает на оптимальной скорости и в процессе эксплуатации не создает ситуаций, при которых возможно появление дефектов продукции. Тем не менее на практике функционирование оборудования не всегда является безупречным. Станки не всегда находятся в работоспособном состоянии. Достижение максимальных скоростей выполнения физического процесса при обработке изделий является существенной проблемой, а возникающие энергоинформационные воздействия прямым или косвенным образом способствуют появлению дефектов.
Многие ученые сознают важность контроля времени выполнения производственных процессов с тем, чтобы в последующем предлагать шаги для повышения эффективности производства в
целом. На сегодняшний день существует множество различных определений показателей эффективности и производительности работы оборудования, но для реальных условий производства важна четкость этих понятий и однозначность методик повышения эффективности, так как только в этом случае можно добиться реального результата. То есть дальнейшее развитие показателей эффективности требует создания единой терминологической базы.
Эти показатели позволяют оценить эффективность работы оборудования, но не позволяют «выявлять проблемы и возможности скрытых улучшений, необходимых для повышения производительности» [3].
В работе [2] предложены следующие показатели эффективности оборудования и систем:
Ф коэффициент использования рабочей машины (оборудования), как отношение суммарного времени бесперебойной работы оборудования к общему времени работы;
Ф коэффициент технического использования оборудования, как отношение суммарного времени бесперебойной работы оборудования к сумме времен бесперебойной работы и времени собственных потерь (простоев);
Ф коэффициент загрузки оборудования, как отношение суммы времен бесперебойной работы и времени собственных потерь (простоев) к общему времени работы;
Ф общий коэффициент использования оборудования, как сумма произведения Коэффициента использования и Коэффициента загрузки за время календарного срока службы оборудования.
В работе [2] предложено рассматривать один вид цикловых потерь, при которых не происходит обработка детали, и пять видов внецикловых потерь. Причем последние относят к двум категориям потерь времени работы оборудования: собственным, вызванным техническими причинами, и организационно-техническим, вызванным внешними причинами. Данная методика оценки эффективности является частным случаем выражения (3), когда в его числителе , , а значение равно единице.
На основании концепции общей эффективности оборудования, предложенной в [13], разработан стандарт [16] для определения и измерения эффективности работы оборудования. Этот стандарт предлагает использовать базовый показатель – общий коэффициент полезного действия оборудования – OEE. Этот показатель выражается в единицах времени. Показатель ОЕЕ является простым и интуитивно понятным и широко распространен на многих производственных предприятиях. ОЕЕ позволяет количественно оценить все временные потери, которые влияют на эффективную работу оборудования, и является отправной точкой для других методов анализа.
В работе [6] отмечено, что показатель ОЕЕ становится все более и более популярным и широко используется в качестве количественной меры эффективности. Также утверждается, что традиционные показатели измерения производительности и пропускной способности оборудования недостаточны для эффективного и своевременного выявления возникающих проблем.
В работе [10] приведены результаты исследования, иллюстрирующего использование ОЕЕ в промышленности. Отмечено, что эффективность зависит от фактической и оптимальной скорости работы оборудования. Оптимальную скорость достаточно сложно определить, так как она отличается при каждом рабочем ходе инструмента. Авторы отмечают, что важно использовать одну и ту же скорость для конкретного рабочего хода в каждом отдельном измерении, в противном случае невозможно сравнить измерения. Также авторы исследования обращают внимание на такой показатель, как «незначительные перерывы». Полученные фактические данные показывают, что эти простои составляют 20−49% общего времени простоев оборудования. Отмечается также, что довольно сложно оценить продолжительность времени простоев и не существует четких границ между «короткими остановками» и «незначительными перерывами».
В работе [12] утверждается, что существуют положительные потери времени, то есть операцию проводят при более коротком времени цикла (или с более высокой скоростью), чем заданные номинальные показатели. Такая ситуация зачастую связана с изначально заниженной номинальной скоростью. Таким образом, некоторые незначительные перерывы скрыты в более коротком времени цикла.
В работе [11] предлагается оценивать эффективность, как отношение теоретического времени выполнения заявленных работ и отчетного производственного времени. Также отмечается, что скорость оборудования может отличаться в одной и той же рабочей операции, например из-за различной квалификации оператора. При этом, подготовительное время или время коротких остановов оборудования не позиционируется как время простоя, а рассматривается как производственное время. Также утверждается, что даже при отсутствии отличий в скорости работы оборудования, оценка всех затрат времени на простои зависит от организации производства в целом.
Авторы [4] предлагают ввести альтернативные показатели для ОЕЕ. Утверждается, что ОЕЕ не является точной мерой эффективности оборудования в случае, когда учитывается время настройки, переналадки и регулировки оборудования. Предлагается использовать такой показатель, как общая производительность оборудования, которая связана с ОЕЕ временем загрузки.
В работе [5] показатели ОЕЕ используются не только в качестве оперативной меры оценки эффективности, но и как индикатор процесса улучшения работы предприятия. При этом отмечается, что ОЕЕ расширяет перспективы улучшения процесса производства, но применение этого показателя должно быть сбалансировано другими, более традиционными показателями. Авторы также утверждают, что применение ОЕЕ более оправдано в производственных процессах с большими объемами выпуска продукции, когда эффективность использования оборудования является крайне важной, а остановы являются дорогостоящими.
В работе [11] отмечено, что знания только показателя ОЕЕ недостаточно для определения направления деятельности по улучшению производственного процесса. Необходимо оценивать многочисленные компоненты ОЕЕ по отдельности, только в этом случае можно определить приоритеты возможных улучшений. При более детальном рассмотрении показателя ОЕЕ выясняется, что некоторые его компоненты являются взаимозависимыми, например, операционная эффективность и эффективность скорости. Это означает, что при повышении эффективности скорости снижается операционная эффективность и наоборот.
Анализ показывает, что основная доля исследований направлена на определение компонентов ОЕЕ. Можно сделать вывод о том, что необходимо проводить дальнейшие исследования, уточняющие методы и области применения ОЕЕ, углублять анализ его компонентов. В классическом определении ОЕЕ существуют явные проблемы с определением временной базы, для решения которых разработаны новые методики оценки показателя эффективности Е. Основное отличие между ОЕЕ и Е заключается в выборе базового времени. При расчете эффективности работы оборудования по ОЕЕ учитываются производственные потери, не связанные напрямую с самим оборудованием: например, отсутствие условий, позволяющих начать технологический процесс. Это обстоятельство связано не с самим оборудованием, а с производственной средой. В то же время методика оценки Е учитывает эффективность оборудования, связанную только с потерями при непосредственной работе оборудования. Таким образом, показатель Е отражает внутренние потери, в то время как процесс эксплуатации оборудования зависит и от внешних потерь, связанных с производственной средой.
Показатель ОЕЕ рассматривается как интегральный показатель [15], который связывает готовность оборудования, производительность и качество:
, (4)
где А, В, С, D, E и F − составляющие компоненты времени, графически описанные на рис. 1. Определения этих составляющих и их отношений приведены в табл. 1.
При определении показатели ОЕЕ принято выделять в три категории потерь (табл. 2), которые снижают эффективность работы оборудования.
Таким образом:
Ф 100%-ная готовность оборудования – нет потерь времени на простои – станок работает без остановки;
Ф 100%-ная производительность – нет потерь скорости – станок работает с максимальной скоростью согласно запланированному циклу;
Ф 100%-ное качество – нет потерь качества – станок не производит бракованных изделий.
При нарушении параметров эффективности эти три показателя помогают отслеживать и анализировать данные ОЕЕ для максимального снижения (в идеале − устранения) событий, связанных с потерями (рис. 1).
Необходимо отметить, что на показатель ОЕЕ оказывают влияние не только факторы, связанные с оборудованием, но и квалификация оператора, наличие и качество исходных материалов, процесс планирования производства и т.д. Таким образом, необходимо учитывать различия между отдельно взятым (изолированным) оборудованием и тем, которое интегрировано в производственную систему.
В общем случае ОЕЕ рассчитывается с учетом внешних факторов производства. Для определения эффективности самого оборудования (без учета внешних факторов) предлагается рассматривать его в качестве системы, состоящей из собственно оборудования и системного окружения. Система выполняет производственную функцию. Для того чтобы оборудование выполняло функцию изготовления годных деталей, должны быть выполнены дополнительные условия, не связанные непосредственно с оборудованием: наличие квалифицированных операторов, качественных заготовок и т.д.
Таким образом, главное отличие между показателями ОЕЕ и Е [14] в разном подходе к оценке состояния оборудования – встроенного в производственную систему или автономного. Оценки ОЕЕ измеряют эффективность оборудования, включая взаимодействие с производственной системой в начале и в конце производственного цикла. Это означает, что ОЕЕ отслеживает не состояние оборудования как такового, а эффекты от воздействия других компонентов системы. Е отслеживает эффективность автономного оборудования и позволяет контролировать именно его состояние.
Исходя из этого утверждения разделим производственные потери на два класса:
Ф связанные с оборудованием (например, отсутствие оператора);
Ф независимые от оборудования (например, отсутствие исходных материалов).
На рис. 2 представлены различные состояния оборудования, которое определим следующим образом:
1. нерабочее состояние − оборудование не выполняет свои функции (это состояние включает в себя нерабочие смены, выходные и праздничные дни, периоды завершения работы и ввода в эксплуатацию и инженерную деятельность: инжиниринг оборудования, разработку программного обеспечения и т.д.);
2. отсутствие необходимых входных условий − оборудование может выполнять свои функции, но не работает, так как не обеспечены входные условия для начала работы;
3. отсутствие необходимых выходных условий − оборудование в состоянии выполнять свои функции, но не в состоянии выпускать детали, так как не обеспечены выходные условия;
4. внеплановые остановы − оборудование не в состоянии выполнять свои функции из-за незапланированных простоев (включает в себя ремонт и проверку работоспособности, отсутствие свободных операторов);
5. плановые остановы − оборудование не может выполнять свои функции из-за запланированных простоев (профилактика оборудования, изменение расходных материалов и т.д.);
6. состояние «выпуск продукции» − оборудование выполняет свои функции и осуществляет регулярное производство продукции.
Чтобы получить характеристики автономного оборудования, проведем разделение потерь [14]. На рис. 2 показано сокращение общего времени по сравнению с эффективным временем Те. Общее время То включает состояния, зависимые и независимые от оборудования, а эффективное время включает только состояния, зависимые от оборудования. Эффективное время является базовым для определения эффективности.
Соотношение числа годных изделий и эффективного времени работы Те – это фактическая пропускная способность производства годных изделий:
. (5)
Время, в течение которого оборудование действительно выполняет свои функции − производственное время То − представляет собой часть эффективного времени Те. Это доля времени A, которая приходится на тот период, когда оборудование не работает по причине ремонта:
. (6)
Идеальный переход не имеет потерь времени, таких как неэффективные простои, потери скорости и потери качества. Результаты этого перехода в максимальном числе изделий Nmax, обработанных за основное время То. Эти результаты отражены в максимальной пропускной способности dо:
. (7)
Нормирование скорости оборудования проводится в соответствии с максимальной пропускной способностью. Если оборудование производит изделия в соответствии с нормированной, но c более низкой скоростью, состояние оборудования – рабочее. При более низкой скорости на выходе должно быть N деталей за время То. Отношение количества деталей, производимых при нормированной и максимальной скорости работы оборудования, называется фактором скорости R:
. (8)
Выходные параметры процесса могут дополнительно снижаться за счет потерь качества, то есть производства изделий, не соответствующих техническим требованиям. Доля общего числа произведенных качественных изделий известна как выработка (выход) Y. Это определение дано в работе [3]. В работе [11] отмечается, что доля выработки показывает процент брака в технологическом процессе, этот показатель называется эффективность качества [14] и выражается:
. (9)
Отношение между реальной пропускной способностью dQ и максимальной dо может быть получено с учетом предыдущих выражений:
. (10)
Эффективность − есть доля максимальной производительности оборудования при выполнении запланированных функций, то есть производстве качественных изделий. Тогда, эффективность оборудования Е можно определить следующим образом:
. (11)
Если измерения недоступны, то эффективность оборудования Е можно оценить с помощью запланированного значения:
.
Отличие ОЕЕ и Е также может быть рассмотрено и проиллюстрировано разными подходами к выбору базового времени. Работа [13] определяет время загруженности оборудования как базовое, оно получается путем вычитания плановых простоев из общего доступного времени в день или в месяц. Однако, обзор работ показывает, что в качестве времени загруженности оборудования лучше использовать весь объем времени. В работе [15] общий объем времени определяется как базовое время (24 ч в сутки, 7 дней в неделю) в течение всего периода измерений.
Таким образом, базовое время – это период времени, когда оборудование способно выполнять свои функции без каких-либо ограничений извне. Это означает, что должны учитываться только те простои, которые связаны с самим оборудованием. Оборудование «не несет ответственности» за внешние обстоятельства. Если, например, заготовки не доставляются вовремя из-за проблем планирования, то это никак не связано с оборудованием. Таким образом, при использовании показателя Е, базовое время не должно включать в себя простои не связанные с оборудованием. Тогда базовое время будет эквивалентно эффективному.
С другой стороны, Е не зависит от процесса эксплуатации, как ОЕЕ, но учитывает непосредственно производственное время и эффективное время. Эксплуатация определяет долю времени, в течение которого окружающая система позволяет оборудованию выполнять свои функции. Использование эффективного времени в качестве базового означает, что этот показатель включает все потери времени из-за простоев, настройки или переделок. В работе [16] эффективное время определяется как все время цикла, за исключением той доли, которая включает простои оборудования, простои в ожидании оператора и ряде других случаев.
Таким образом, если показатели эффективности различных типов оборудования сравниваются с использованием показателей ОЕЕ, они могут иметь одинаковые значения, хотя значения их эффективности по методике оценки Е будут различаться. С другой стороны, два станка, имеющие одинаковую эффективность Е, могут иметь различные значения показателя ОЕЕ. Показатель Е является более показательным для сравнения различных типов оборудования.
В классическом понимании производительность оборудования – это сравнение текущей выработки с номинальной за определенный период времени.
Кроме производительности, ОЕЕ включает в себя еще два элемента (рис. 1): готовность оборудования (сравнение времени, в течение которого изготавливается продукт, и номинального времени выпуска изделия) и качество (сравнение общего количества изделий, изготовленных за период времени, и количества изделий, отвечающих требованиям потребителей). Для получения показателя ОЕЕ необходимо перемножить показатели производительности, готовности и качества.
Отметим, что определение ОЕЕ происходит на основе ежедневного фиксирования показателей, отражающих состояние оборудования, что способствует открытому подходу к обмену информацией и предотвращает случаи, когда плохое функционирование станков ставится в вину конкретному рабочему. ОЕЕ определяется как отношение между теоретическим и общим временем, это означает, что время производства не измеряется, а вычисляется. В результате индекс ОЕЕ выше, чем мера эффективности Е.
Известные по опубликованным работам методы оценки эффективности во многом совпадают с выводами работы [2], в которой третья составляющая качества учитывается не в явном виде, а в виде потерь времени, в течение которого происходило производство некачественной продукции. Показатели ОЕЕ и Е также являются частным случаем выражения (3), когда в числителе .
В качестве примера реализации метода оценки эффективности применительно к металлорежущим станкам на рис. 3−6 представлены результаты анализа потерь времени (приближенных к приведенным в табл. 2.). Этот метод применяется в разработанной программно-аппаратной системе АИС «Диспетчер» (ООО ИЦ «Станкосервис» г. Смоленск). Здесь отражены ключевые показатели эффективности: коэффициент загрузки оборудования, коэффициент готовности и характеристики простоев по различным причинам.
На рис. 7 приведен суточный мониторинг работы оборудования, включая основные процессы и потери по параметрам «выключен», «аварийная остановка», «включен» и «под нагрузкой». В системе, реализованной на платформе winnum (ООО «Сигнум» г. Москва), также реализуется методология оценки эффективности оборудования.
Таким образом, оценка эффективности оборудования и производственных систем по различным существующим методикам учитывает при всем единстве различные по степени детализации составляющие параметры. При всей простоте и очевидности процессов производственного цикла, необходимы дальнейшие исследования в создании общей теоретической базы и понятий эффективности на основе системного представления структуры и взаимосвязей производственной системы и системы оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов А.П. , Каляшина А.В. Эффективность металлообрабатывающего оборудования и производственных систем. Ч. 1. Энергоэффективность металлообрабатывающего оборудования и производственных систем // СТАНКОИНСТРУМЕНТ. 2017. № 1. С. 32–43.
2. Шаумян Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов. М.: Машиностроение, 1973. 640 с.
3. Ames V.A., Gililland J., Konopka A., Barber H. Semiconductor manufacturing productivity; Overall equipment effectiveness (OEE) guidelines, 1995. Technology transfer 950 327 443 A-GEN, Revision 1.0. Sematech.
4. Chand G. and Shirvani B. Implementation of TPM in cellular manufacture // J. Mater. Processing Technol. 2000. Vol. 103. PP. 149–154.
5. Dal B., Tugwell P. and Greatbanks R. Overall equipment effectiveness as a measure of operational improvement // Int. J. Operations Prod. Manage. 2000. Vol. 20. № 12. PP. 1488–1502.
6. Huang S.H., Dismukes J.P., Shi J., Su Q., Razzak M.A., Bodhale R. and Robinson D.E. Manufacturing productivity improvement using effectiveness metrics and simulation analysis // Int. J. Prod. Res. 2003. Vol. 41. № 3.
7. Jeong K.-Y. and Phillips D.T. Operational efficiency and effectiveness measurement // Int. J. Operations Prod. Manage. 2001. Vol. 21. № 11.
8. Kuznetsov A. P. Structure of cutting processes and equipment. Part 1. Energy – information model of the structure of machining processes // Russian Engineering Research. 2015. Vol. 35. № 5. P. 347–357.
9. Kuznetsov A. P., Blau P., Koriath H.-J., Richter M. Criteria for Energy – efficiency of Technological Processes, Technological Machines and Production Engineering Procedia CIRP. 7th HPC 2016// CIRP Conference on High Performance Cutting / Published by Elsevier B.V. 2016. Vol. 46. P. 340–343.
10. Jonsson P. and Lesshammar M. Evaluation and improvement of manufacturing performance measurement systems – The role of OEE // Int. J. Operations Prod. Manage. 1999. Vol. 19. № 1. PP. 55–78.
11. Leachman R.C. Closed-loop measurement of equipment efficiency and equipment capacity // IEEE Trans. emiconduct. Manufact. 1997. Vol. 10. Feb.
12. Ljundberg O. Measurement of overall equipment effectiveness for TPM activities // Int. J. Operations Prod. Manage. 1998. Vol. 18. № 5.
13. Nakajima S. Introduction to TPM: Total Productive Maintenance. Cambridge, MA: Productivity, 1988.
14. Ron A.J. de Rooda J. E. Equipment Effectiveness: OEE Revisited // IEEE Transactions on semiconductor manufacturing. 2005. Vol. 18. № 1. PP. 190–196.
15. Standard for Definition and Measurement of Equipment Productivity, Semiconductor Equipment and Material International (SEMI) E79-0200, 2000.
16. Sattler L. Using queueing curve approximations in a fab to determine productivity improvements // in Proc. 1996 IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conf.Workshop, Cambridge, MA, Nov. 1996, pp. 140–145.
КУЗНЕЦОВ Александр Павлович –
доктор технических наук, профессор кафедры станков МГТУ «СТАНКИН» / МГТУ им. Н.Э. Баумана, директор по науке, инжинирингу и инновационному развитию АО «Станкопром»
КАЛЯШИНА Анна Викторовна –
кандидат технических наук, доцент, КНИТУ – КАИ
* См. первую часть статьи: СТАНКОИНСТРУМЕНТ. 2017. № 1. С. 32–43.
Отзывы читателей
