CN107239064A - 一种评估灌装生产线效率和机台状态的方法 - Google Patents

Abstract

针对国内一部分饮料企业灌装包装生产线难以量化产线效率的现状，本发明提供了一套切实有效的生产线效率评估和设备状态监控的信息系统。该系统实现了生产线运行过程中效率评估的信息化，数字化。通过评估设备速率V‑曲线，提取出关键设备的停机记录，其中包含了停机起始时间、终止时间、停机时长、停机分类、停机机台和停机原因等内容，对内外部因素造成的各类时间损失进行准确量化评估，从而构建以总资产利用率、线产出率、设备综合利用率和线效率四项指标为衡量标准的一套生产线效率评估监控系统。实现了灌装包装生产线数字化过程，整体透视出企业的综合管理能力、部门之间的协调配合能力、设备运行能力和故障处理能力。

Description

一种评估灌装生产线效率和机台状态的方法

技术领域

本发明涉及一种用于生产过程中的效率评估和机台监控的实时数据采集、分析计算和效率评估的自动化系统和方法,涉及啤酒、白酒和饮料等灌装生产线生产过程，也涉及到视觉传感器、视觉测量方法、PLC控制器和计算机信息平台等相关技术。

背景技术

灌装生产线一般由卸垛机、洗瓶机、空瓶检验机、灌酒机、满瓶检验机、杀菌机、贴标机、装箱机、封箱机、码垛机等组成。目前我国灌装生产行业发展很快，设备制造业提高了很多，技术水平也提升不少，但是灌装生产线上故障率依然比较高，而且由外部原因导致的各类停机也比较多，经常因为物流部，公共事业部，酿造部等其他原因造成生产线停机， 关键的是大部分包装企业没有形成一个统一有效的生产线效率评估系统，很难去量化估计目前生产线和企业究竟有什么样的问题。另外，企业包装生产线管理方面也存在一定的不足：分厂车间之间没有统一的控制系统，对生产造成一定的浪费；生产车间包装线现场与管理人员信息交互存在及时性与准确性方面的问题，进而影响生产效率。为了解决包装线信息管理的瓶颈和生产线效率评估的问题，并为生产决策提供依据，建立线效率评估势必所趋。一般来说，生产线效率评估系统是人员、过程、数据库和设备有组织的集合，是加快完成管理者与执行者之间信息交换的一种方法，可为管理人员和决策者提供生产线日常信息，其目标是要在建立的计算机信息系统平台上把原有的管理模式和生产信息进行整合和完善。

包装生产线有四种KPI指标来评价整个企业管理程度以及生产效率。总资产利用率是体现资产充分利用的评价指标，保持在合理区间，可以避免超负荷运转，也要避免资源过分浪费。线毛产出率包含生产过程中造成停机的所有时间, 是工厂生产管理层的线效率指标,用来评价工厂生产组织系统综合管理能力。总设备利用率是去除了计划停机时间,如预防性维修和各种清洗以及品种转换时间， 综合体现了生产跨部门之间的协调水平。一般用来评价灌装总车间综合管理能力。线效率是排除所有外部原因停机时间, 设备在除去外部因素情况下运转, 此指标用来衡量灌装生产线和设备维护部门的管理水平。

发明内容

本发明主要目的在于对企业生产线效率进行有效评估设立，同时对生产过程中相关机台做运行情况进行实时动态监控，另外，用户通过访问该系统快速发现生产问题和设备停机故障等原因以迅速做出诊断。

为实现本发明上述的目的，设计了一套效率评估监控系统，该系统的主要特点是量化了灌装生产线四项评估指标，包括总资产利用率，线产出率，总设备利用率和线效率，同时实现了设备故障的实时监控，有能力对生产过程中各类故障进行定期跟踪与维护，也实现了生产线的信息化和数字化，在智能制造领域有了巨大的跨越。

本发明中，所述的效率评估系统涵盖了各类灌装生产线，包括啤酒、白酒、饮料等这一类的产品包装线。

构建速率V-曲线图。绘制所有设备速率值产生的曲线叫做速率V-曲线，通过此曲线图可以锁定影响生产线效率的关键设备。通常，生产线的设计是围绕着一个关键的机器设计的，在生产线上它是一个速率最慢且最昂贵的机器，这个关键设备通常指灌装机，灌装线性能主要是由这台机器衡量的，它运行，生产线就运行，它运行慢，生产线就慢，所有的设备都应该比关键设备运行的快。图1描述了V-曲线分布情况。一般来说，设备速率的获取有两种方式。 第一种是按照生产线各设备额定性能速率参数直接获取，此方法比较简单，也容易给出结果。建议在设备老化程度不高的情况下采用此方法。 第二种是按照生产线上面实际速率来获取，此方法适用于设备老化相对偏高，实际速率和额定速率偏差较大的情况下采用，具体实施办法是在各设备出口地方安装计数器即可。只要在设备正常运转的情况下，计数总和除以运行时间就是实际运行速率。

设计关键设备的停机相关数据格式，包含班次、日期、起始时间、终止时间、持续时长、停机分类、故障机台和故障类型信息，这些信息的获取将直接反映企业的综合管理能力、部门之间的协调配合能力、设备运行能力和故障处理能力。其中起始时间和终止时间都是以关键设备为标准采集数据，停机分类涉及的内容比较多，主要包含了法定假期、无订单、新材料测试、项目测试停机、活动停机、大修、预防性维修、泡沫清洗、交接班清洁、就餐、班组会、启动停机、酿造部、公用工程、物流部、采购部、机械、电气、自控和仪表等类别。故障机台是指在关键设备停机以后，对其造成影响发生故障的机台，可以是生产线上任何一台机器，包括了卸垛机、洗瓶机、空瓶检验机、灌酒机、满瓶检验机、杀菌机、贴标机、装箱机、封箱机和码垛机。故障类型是指具体发生停机的原因描述，有各种各样的停机原因，比如：进口卡瓶、出口碎片、清洗泡沫缺少、变形盖卡盖、回收瓶出瓶跟不上、瓶口剔除故障和漏抓调整等原因。

考虑如何获取需要的数据。为了实现以上数据需求，设计了图2效率评估系统布局拓扑图。布局拓扑图描述了如何在灌装生产线上布局效率评估系统，中间会涉及到哪些设备和技术，以及输入和输出分别是什么。需要对主要设备安装PLC控制器、数据采集器、光电开关和光电编码器。对于设备的速率，可以利用光电开关在灌装机正常运转状态进行计数统计，然后除以对应的占用时间即可。然后实时信息通过PLC控制台把数据传递到数据采集器，由数据采集器通过局域网网络线将采集到的数据传送到服务器中； 对于设备开关信号、累积产量和运行时长这些信息，同样需要通过带有光电开关和光电编码器的PLC控制台来传递，然后再经过数据采集器通过局域网网络线将数据传送到服务器中。对于停机分类信息，可以分为两部分，第一部分包括总时长、无灌装计划时间、特殊类计划时间和计划停机时间，预设在本评估系统配置模块中，这部分时间信息大多属于计划性质，如果要减少这部分损失，需要从企业管理制度上面进行优化。第二部分包括外部原因造成的停机时间和因为生产线上相关故障导致的停机时间，可以利用视觉传感器和传感器测量系统，把不同的逻辑判断加载到PLC控制器内部，比如当视觉传感器探测到酒液没有，说明属于酿造部供应不足，造成停机，属于外部原因停机。 如果视觉传感器探测到库存超过一定警戒线，说明物流部原因造成停机。

在车间现场或办公室可以安装液晶电子看板，即时显示每台设备的运行状态、停机记录、累积运行时长和累积产量等相关信息。 在办公室任何地点或移动电脑中也可以随时经过评估系统对包装生产线的即时工作情况和历史数据进行统计分析和查询追溯。

在如上拓扑网络的基础上，可以进一步将该效率评估系统设计为五层体系结构，分别为数据采集层、网络通信层、数据服务存储层、用户界面和高级数据分析层。数据采集层通过连接生产设备的电气系统或控制系统，对设备运行实时数据进行自动采集，包括设备速率、开关机信号、产品计数、故障状态等信息。对于复杂程度较高的设备，造成停机可能有多种因素，对各种会导致停机、低速运行、空转暂停等状态的原因进行逻辑判断定义及代码定义，以方便管控系统自动对采集上来的数据进行分类记录。网络通信层的作用是为了实时、有效地监控所有生产设备的运行情况和在软件平台上动态反映生产线信息而设计的通讯协议， 包括了三部分，通信辅助服务，以太网（数据传输的直接介质），和无线网络（服务于移动客户端，比如手机APP的访问），网络通信层从PLC控制台出发经由以太路由进入软件平台数据库服务层。数据服务存储层包括数据存储、数据处理和数据备份三部分，该层负责数据相关的存储和计算功能，相当于现实环境的仓库功能，会包含一些调度任务等等，该层会负责设备综合效率和整线综合效率等各项指标的计算，其中也会涉及到设备效率的六大损失。用户界面层实现用户与系统的交互，系统向用户传递生产线设备运行状态、停机记录、产线累积状态和生产线效率评估结果，用户通过系统对生产线实现有效管理。高级数据分析层负责数据统计分析，为管理决策提供各种管理报表，诊断停机故障原因，减少损失，有助于企业发现问题，从而有效提升整个生产系统的效率。

在数据服务存储层中，上面提到内嵌了生产线效率核心计算。计算原理大致如下，对采集到的原始数据按照时间划分规则对停机分类做归类处理。计算出无灌装计划时间、特殊类计划时间、计划停机时间、外部原因停机和故障时间的具体时间分布，汇聚方法只要简单累积就可以实现。 归类规则：

a). 总时间一般为1440分钟，属于总时长

b). 法定假期和无订单时间，属于无灌装计划时间

c). 新材料测试时间、项目测试停机时间和活动停机时间，属于特殊类计划时间

d). 大修时间、预防性维修时间、泡沫清洗时间、交接班清洁时间、就餐时间、班组会时间和设备启动停止时间，属于计划停机时间

e). 酿造部、公用工程（水电）、物流部和采购部导致的停机时间， 属于外部原因时间

f). 由机械、电气、自控和仪表故障所引起的时间， 属于故障时间

然后利用如下公式，进行总资产利用率，线产出率，总设备利用率和线效率四项指标的运算。

a). 总资产利用率OAE=有效生产时间*100%/总时间

b). 线毛产出率GLY=有效生产时间*100% /（总时间-无灌装计划时间-特殊类计划时间）

c). 总设备利用率OEE=有效生产时间*100%/（总时间-无灌装计划时间-特殊类计划时间-计划停机时间）

d). 线效率LEF=有效生产时间*100%/(总时间-无灌装计划时间-特殊类计划时间-计划停机时间-外部原因时间)

本发明需要的软硬件需求如下：PLC控制台（包含光电开关和光电编码器），以太网路由器，PC服务器，以Java开发的前端界面系统，Oracle数据库， Linux红帽系统。

本发明的有益效果在于：1、本发明精准的以量化和数字化方式评估生产线效率。2、准确定位生产线效率低下的主要原因。 3、实时判断生产线工作状况。

本发明同样适用于其他各类生产线的效率评估，只要适当调节效率计算公式和数据采集方式即可。

附图说明

图1是设备速率V-曲线图；

图2是本发明中效率评估系统布局拓扑图；

图3是本发明效率评估系统层次结构图；

图4是本发明效率评估系统界面；

具体实施方式

本节将根据以上专利描述，具体实际演示如何评估灌装生产线效率和设备监控。下面的描述根据本发明的章节提供,使得本领域的任何技术人员能利用本发明构建效率监控系统,或者阐述本发明所提出的实施过程。本发明的基本原则已经明确限定,提供一种新的有用的系统评估和监控方法,用于实时评估和监控生产线整体性能,生产线整体性能由既定设计好的数据计算得到。

首先针对灌装生产线布局特点，在各个机台上面，布置安装视觉传感器、传感器测量系统、光电开关、光电编码器和PLC控制器，光电开关完成计数功能，视觉传感器完成检验各种停机分类功能。在机房布置服务器和以太网路由器， 在监控室和生产线车间布置显示设备，通过通讯介质连通各个环节，并且测试连通性。然后在评估监控系统里面利用Java三层架构设计六大模块：设备速率模块、设备状态监控模块、停机管理模块、累积状态模块、生产线效率模块和故障成因分析模块。接着连通监控系统和数据库服务器。

在上面基础设施搭建完成之后，构建速率V-曲线图。绘制所有设备速率曲线，锁定影响生产线效率的关键设备，知道灌装机为生产线关键设备。然后设计关键设备的停机相关数据格式，包含班次、日期、起始时间、终止时间、持续时长、停机分类、故障机台和故障类型信息。设计数据步骤完成之后，按照图2拓扑图方式检查各种设备是否布置正确。对停机分类信息分成两部分，第一部分包括总时长、无灌装计划时间、特殊类计划时间和计划停机时间，预设在本评估系统配置模块中。第二部分包括外部原因造成的停机时间和因为生产线上相关故障导致的停机时间，把不同的逻辑判断（酒液不足、仓库位置不够和备件不足等）加载到PLC控制器内部。

在计算机处理单元中，加载生产线效率核心计算。对停机记录数据按照时间划分规则对停机分类做归类处理。计算出无灌装计划时间、特殊类计划时间、计划停机时间、外部原因停机和故障时间，汇聚方法参见上面专利内容。然后利用公式，计算总资产利用率，线产出率，总设备利用率和线效率四项指标的运算。

在界面里面分别呈现停机记录，生产线累积状态，生产线效率评估走势和设备监控状态。设备监控状态直接调取机台开机关机信号和速度变化，对应出正常运转状态、故障状态和拥堵状态。最后一部分基于停机记录，整理出影响生产线效率的因素，便于企业管理者识别出关键停机原因，实现提高效率的目的。

Claims (11)

1.本发明是一种针对灌装包装生产线进行总资产利用率、线产出率、总设备利用率和线效率评估以及生产线所有机台运行状态评估的方法，具体包含两个方面，其一是进行生产线效率数字化评估，对生产过程中各类时间（包括无灌装计划时间、特殊类计划时间、计划停机时间、外部原因时间和故障时间）损失进行数据采集、分析计算和效率评估的自动化和数字化呈现，其二是机台状态监控，对灌装包装生产线上所有参与机台进行状态实时监控，所述系统包括:

a) 计数装置,配置为对选自下组的条目进行自动计数识别,该组包括:

洗瓶机流转的饮料瓶数量;灌装机流转的饮料瓶数量;

封箱机流转的包装箱数量;

b) 控制台装置,配置为选自下组的条目，该组包括：

卸垛机开关机开关; 洗瓶机开关机开关;灌装机开关机开关;杀菌机开关机开关;

贴标机开关机开关;装箱机开关机开关;封箱机开关机开关;码垛机开关机开关;

c) 数据采集装置,用于采集选自下组输入数据,该组包括:

机台设备速率的数据;机台开关机信号数据;饮料产量累积数据;

停机记录实时数据;停机分类数据;运行时长累积数据;故障机台名称数据

d) 计算机处理单元,用于计算和评估选自下组的条目,该组包括:

机台开关机信号噪音处理;

视觉传感器探测信号噪音处理;

停机分类逻辑判断;生产线效率计算;

e) 数据存储,用于存储下组的条目,该组包括:

卸垛机速率; 洗瓶机速率;灌装机速率;杀菌机速率;

贴标机速率;装箱机速率;封箱机速率;码垛机速率;

停机记录：包括班次、日期、起始时间、终止时间、持续时长、停机分类、故障机台和故障类型;

所有机台实时状态：包括故障、拥堵和正常;

累积状态：包括累积运行时长、累积停机次数和累积产量等

生产线效率结果：包括总资产利用率、线产出率、总设备利用率和线效率

f) 用户界面, 被配置为如下界面模块条目。

2.该组包括:

设备速率模块;设备状态监控模块;停机管理模块;

累积状态模块;生产线效率模块;故障成因分析模块

g) 显示装置,其被配置为了显示所述计算和评估结果，做最后展示的装置，该组包括：

生产线现场显示设备;终端显示设备;

移动端设备;管理部门电子监控设备

机台开机关机信号通过视觉传感器，进入视觉传感系统，然后经过PLC控制台，再通过数据采集器，经过以太网路由器，传输到数据库服务器，然后在各种终端显示出来，且终端具备一定的权限可以管理需要预设置的相关参数。

3.根据权利要求1的描述，要求该系统具有计数装置，该装置为光电开关和光电编码器。

4.对其设备的识别选自：

所述光电开关的标识、材料、描述、尺寸、成本、制造商以及预期寿命;

所述光电编码器的标识、材料、描述、尺寸、成本、制造商以及预期寿命;

根据权利要求1的描述，要求该系统具有控制台装置，该装置为PLC控制台。

5.对其控制台的描述，有其如下特征：

所述PLC控制台的标识、性能参数、材料、描述、尺寸、成本、制造商以及预期寿命;

根据权利要求1的描述，要求该系统具有数据采集装置，该装置为数据采集器。

6.对其数据采集器的描述，有其如下特征：

所述数据采集器的标识、性能参数、材料、描述、尺寸、成本、制造商以及预期寿命;

根据权利要求1的描述，要求该系统具有计算机处理单元，该装置为P系列或者Z系列大型服务器。

7.对其大型服务器的描述，尤其如下特征：

所述大型服务器的标识、性能参数、材料、描述、容量、成本、制造商以及预期寿命;

根据权利要求1的描述，要求该系统具有数据存储能力，可以是常用的企业级数据库SQL Server/Oracle/DB2， 本系统使用Oracle企业数据库。

8.对其数据库软件的描述，有其如下特征：

所述数据库软件的标识、性能参数、版本号、描述、成本、制造商以及预期服务年限;

根据权利要求1的描述，要求该系统具有用户界面。

9.对其用户界面的描述，有如下特征：

该界面采用C/S模式，需要使用Java开完完成， Linux系统为后台服务端平台，利用三层架构来完成;

根据权利要求1的描述，要求该系统具有显示装置。

10.对其显示装置的描述，有如下特征：

所述显示装置的标识、材料、描述、尺寸、成本、制造商以及预期寿命;

根据权利要求2的描述，要求至少具有一台性能良好的网络通信设备，以太网路由器，该设备需要如下特征定义：

所述显示装置的标识、材料、描述、尺寸、成本、制造商以及预期寿命;

根据权利要求2的描述，特征表现：系统管理人员对监控系统具有一定的管理控制权限，一些系统化的参数可以基于特定生产线做适当调整。

11.根据权利要求2的描述，生产线环境需要具备网络环境，至少为有线网络环境，保证各个环节的连通性，可以实现网络通信。