基于设备综合能力与设备综合效率的注塑机管理决策方法

摘要

本发明公开了一种基于设备综合能力与设备综合效率的注塑机管理决策方法，包括：根据设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标对注塑机的设备综合能力进行评价；对注塑机的设备综合效率进行评价，并构建由评价出的设备综合能力和设备综合效率构成的二维决策矩阵；根据构建的二维决策矩阵识别出生产中的产能损失原因，并根据识别的结果进行注塑机管理决策。本发明增加了设备综合能力评价，从产品质量、设备可靠性和节能性三个方面科学全面地评价出注塑机的设备综合能力，并通过设备综合效率与设备综合能力的综合分析来识别出生产中的产能损失原因，从而提供管理决策支持，更加科学、全面和客观。本发明可广泛应用于设备管理方法领域。

说明书

技术领域

本发明涉及设备管理方法领域，尤其是一种基于设备综合能力与设备综合效率的注塑机管理决策方法。

背景技术

在包括注塑行业在内的传统制造业中，最原始的设备管理方法主要采用设备完好率和故障率指标来保证设备的完好和控制设备的故障，具有一定的局限性，不能全面反应设备的使用效率情况。当前被全世界广泛使用的设备管理方法是设备综合效率管理方法。设备综合效率(OverallEquipmentEffectiveness，即OEE)，其本质是单台设备实际产能与其理论产能的比值，设备综合效率反映了实际生产中产能的三类损失，包括：因设备故障、原材料短缺等造成的停机时间损失，因设备磨损、材料不合格、人工失误造成的生产速度损失，以及因产品不合格造成的质量损失。设备综合效率比传统的度量方法更加科学，可以为提高设备使用效率、开展设备管理、降低设备效能损失提供参考，因而受到国际上的广泛应用。按照国际统一的标准，世界级的制造业，其设备综合效率的指标应大于85％。从目前国内企业不完全统计资料来看，尽管不同行业的设备综合效率差别较大，但总体来说，设备综合效率大约在70％左右，仍处于较低的水平。设备综合效率作为一种独立的测量工具，它测量的是某台设备实际产能相对于其理论产能的比率，它计算的是生产中存在的停机时间损失、生产速度损失和质量损失这三类损失。然而，上述三类损失中的每一类损失都包含了人、机、料等多元因素的影响，所以单一的设备综合效率概念只能测量产能损失的大小，并不能分离出造成产能损失的原因。设备综合效率可以为提高设备效率提供一定参考，但至于从“人机料法环”的哪一方面来提高设备效率，设备综合效率就无法再提供参考，具有一定的局限性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种科学、全面和客观的，基于设备综合能力与设备综合效率的注塑机管理决策方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于设备综合能力与设备综合效率的注塑机管理决策方法，包括：

S1、根据设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标对注塑机的设备综合能力进行评价；

S2、对注塑机的设备综合效率进行评价，并构建由评价出的设备综合能力和设备综合效率构成的二维决策矩阵；

S3、根据构建的二维决策矩阵识别出生产中的产能损失原因，并根据识别的结果进行注塑机管理决策。

进一步，所述设备可靠性指标为故障率，所述产品质量指标为过程能力指数C_pk，所述设备节能性指标为耗电率。

进一步，所述步骤S1，其包括：

S11、确定设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标的评价标准；

S12、确定设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标的权重矩阵；

S13、根据评价标准确定由隶属度构成的模糊评价矩阵；

S14、将权重矩阵与模糊评价矩阵相乘，得到等级评价矩阵，并根据等级评价矩阵确定注塑机的设备综合能力等级。

进一步，所述步骤S12，其包括：

S121、由专家对设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标这三个指标进行赋权；

S122、运用层次分析法对专家赋权的结果进行分析，最终得出设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标的权重矩阵W＝{0.45，0.33，0.22}，其中，0.45为设备可靠性指标的权重，0.33为产品质量指标的权重，0.22为设备节能性指标的权重。

进一步，所述步骤S13，其包括：

S131、建立评价因子集合及评价等级集合，所述评价因子集合U和评价等级集合V的表达式分别为：

U＝{u_i|i＝1,2,3}＝{u₁,u₂,u₃}，V＝{v_j|j＝1,2,3}＝{v₁,v₂,v₃}，其中，u₁为故障率，u₂为C_pk，u₃为耗电率，v₁为高，v₂为中，v₃为低；

S132、建立不同评价因子u_i对不同评价等级v_j的隶属函数v_j(u_i)；

S133、根据建立的隶属函数v_j(u_i)得到由隶属度构成的模糊评价矩阵R，所述模糊评价矩阵R的表达式为：

$R=\left\{r_{ij}\right|r_{ij}=v_j\left(u_i\right)\}=\left(\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right).$

进一步，所述建立的隶属函数v_j(u_i)包括故障率u₁分别对评价等级v₁、v₂和v₃的隶属函数v₁(u₁)、v₂(u₁)和v₃(u₁)，代表C_pk的u₂分别u₂分别对评价等级v₁、v₂和v₃的隶属函数v₁(u₂)、v₂(u₂)和v₃(u₂)，耗电率u₃分别对评价等级v₁、v₂和v₃的隶属函数v₁(u₃)、v₂(u₃)和v₃(u₃)，所述隶属函数v₁(u₁)、v₂(u₁)和v₃(u₁)的表达式为：

所述隶属函数v₁(u₂)、v₂(u₂)和v₃(u₂)的表达式为：

所述隶属函数v₁(u₃)、v₂(u₃)和v₃(u₃)的表达式为：

进一步，所述步骤S14，其包括：

S141、将权重矩阵W和模糊矩阵R相乘，得到等级评价矩阵B，所述等级评价矩阵B的表达式为：B＝W·R＝(b₁,b₂,b₃)；

S142、比较等级评价矩阵B中b₁、b₂和b₃这三个元素的大小，并根据这三个元素中的最大值确定注塑机的设备综合能力等级。

进一步，所述步骤S142，其具体为：

比较等级评价矩阵B中b₁、b₂和b₃这三个元素的大小，若这三个元素中的最大值为b₁，则注塑机的设备综合能力等级为高；若这三个元素中的最大值为b₂，则注塑机的设备综合能力等级为中；若这三个元素中的最大值为b₃，则注塑机的设备综合能力等级为低。

进一步，所述步骤S2，其包括：

S21、判断注塑机的设备综合效率是否高于85％，若是，则评价出的设备综合效率的等级为高，反之，则评价出的设备综合效率的等级为低；

S22、构建由评价出的设备综合能力和设备综合效率构成的二维决策矩阵。

进一步，所述步骤S3,其具体为：

根据二维决策矩阵中设备综合能力与设备综合效率的具体等级识别出生产中的产能损失原因，并根据识别的结果进行注塑机管理决策：

若设备综合能力的等级为低且设备综合效率的等级为低，则警报因机器性能差而导致生产效率低，并立刻停止生产和进行机器性能改善；

若设备综合能力的等级为中且设备综合效率的等级为低，则检查生产效率低的原因是设备综合性能一般还是设备以外因素出现异常；

若设备综合能力的等级为高且设备综合效率的等级为低，则警报机器性能良好但因设备以外因素存在严重问题而导致生产效率低；

若设备综合能力的等级为低且设备综合效率的等级为高，则警报因机器耗能过大而导致成本过高，急需提高机器的节能性；

若设备综合能力的等级为中且设备综合效率的等级为高，则表明设备以外因素无问题，需要着重检查是否因机器的节能性异常而导致生产效率低；

若设备综合能力的等级为高且设备综合效率的等级为高，则应维持当前状态继续进行生产。

本发明的有益效果是：在设备综合效率评价的基础上增加了设备综合能力评价，从产品质量、设备可靠性和节能性三个方面科学全面地评价出注塑机的设备综合能力，并通过设备综合效率与设备综合能力的综合分析来识别出生产中的产能损失原因，从而为如何提高设备效率和进行科学的设备管理提供决策支持，解决了现有技术无法分离出产能损失原因的问题，更加科学、全面和客观。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为基于设备综合能力与设备综合效率的注塑机管理决策方法的整体流程图；

图2为本发明步骤S1的流程图；

图3为本发明步骤S12的流程图；

图4为本发明步骤S13的流程图；

图5为本发明步骤S14的流程图；

图6为本发明步骤S2的流程图；

图7为本发明实施例一设备综合能力评价因素结构图；

图8为本发明实施例一由二维决策矩阵划分出的6个象限示意图。

具体实施方式

参照图1，基于设备综合能力与设备综合效率的注塑机管理决策方法，包括：

S1、根据设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标对注塑机的设备综合能力进行评价；

S2、对注塑机的设备综合效率进行评价，并构建由评价出的设备综合能力和设备综合效率构成的二维决策矩阵；

S3、根据构建的二维决策矩阵识别出生产中的产能损失原因，并根据识别的结果进行注塑机管理决策。

进一步作为优选的实施方式，所述设备可靠性指标为故障率，所述产品质量指标为过程能力指数C_pk，所述设备节能性指标为耗电率。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1，其包括：

S11、确定设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标的评价标准；

S12、确定设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标的权重矩阵；

S13、根据评价标准确定由隶属度构成的模糊评价矩阵；

S14、将权重矩阵与模糊评价矩阵相乘，得到等级评价矩阵，并根据等级评价矩阵确定注塑机的设备综合能力等级。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S12，其包括：

S121、由专家对设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标这三个指标进行赋权；

S122、运用层次分析法对专家赋权的结果进行分析，最终得出设备可靠性指标、产品质量指标和设备节能性指标的权重矩阵W＝{0.45，0.33，0.22}，其中，0.45为设备可靠性指标的权重，0.33为产品质量指标的权重，0.22为设备节能性指标的权重。

参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S13，其包括：

S131、建立评价因子集合及评价等级集合，所述评价因子集合U和评价等级集合V的表达式分别为：

U＝{u_i|i＝1,2,3}＝{u₁,u₂,u₃}，V＝{v_j|j＝1,2,3}＝{v₁,v₂,v₃}，其中，u₁为故障率，u₂为C_pk，u₃为耗电率，v₁为高，v₂为中，v₃为低；

S132、建立不同评价因子u_i对不同评价等级v_j的隶属函数v_j(u_i)；

S133、根据建立的隶属函数v_j(u_i)得到由隶属度构成的模糊评价矩阵R，所述模糊评价矩阵R的表达式为：

$R=\left\{r_{ij}\right|r_{ij}=v_j\left(u_i\right)\}=\left(\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right).$

进一步作为优选的实施方式，所述建立的隶属函数v_j(u_i)包括故障率u₁分别对评价等级v₁、v₂和v₃的隶属函数v₁(u₁)、v₂(u₁)和v₃(u₁)，代表C_pk的u₂分别u₂分别对评价等级v₁、v₂和v₃的隶属函数v₁(u₂)、v₂(u₂)和v₃(u₂)，耗电率u₃分别对评价等级v₁、v₂和v₃的隶属函数v₁(u₃)、v₂(u₃)和v₃(u₃)，所述隶属函数v₁(u₁)、v₂(u₁)和v₃(u₁)的表达式为：

所述隶属函数v₁(u₂)、v₂(u₂)和v₃(u₂)的表达式为：

所述隶属函数v₁(u₃)、v₂(u₃)和v₃(u₃)的表达式为：

参照图5，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S14，其包括：

S141、将权重矩阵W和模糊矩阵R相乘，得到等级评价矩阵B，所述等级评价矩阵B的表达式为：B＝W·R＝(b₁,b₂,b₃)；

S142、比较等级评价矩阵B中b₁、b₂和b₃这三个元素的大小，并根据这三个元素中的最大值确定注塑机的设备综合能力等级。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S142，其具体为：

比较等级评价矩阵B中b₁、b₂和b₃这三个元素的大小，若这三个元素中的最大值为b₁，则注塑机的设备综合能力等级为高；若这三个元素中的最大值为b₂，则注塑机的设备综合能力等级为中；若这三个元素中的最大值为b₃，则注塑机的设备综合能力等级为低。

参照图6，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S2，其包括：

S21、判断注塑机的设备综合效率是否高于85％，若是，则评价出的设备综合效率的等级为高，反之，则评价出的设备综合效率的等级为低；

S22、构建由评价出的设备综合能力和设备综合效率构成的二维决策矩阵。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3,其具体为：

根据二维决策矩阵中设备综合能力与设备综合效率的具体等级识别出生产中的产能损失原因，并根据识别的结果进行注塑机管理决策：

若设备综合能力的等级为低且设备综合效率的等级为低，则警报因机器性能差而导致生产效率低，并立刻停止生产和进行机器性能改善；

若设备综合能力的等级为中且设备综合效率的等级为低，则检查生产效率低的原因是设备综合性能一般还是设备以外因素出现异常；

若设备综合能力的等级为高且设备综合效率的等级为低，则警报机器性能良好但因设备以外因素存在严重问题而导致生产效率低；

若设备综合能力的等级为低且设备综合效率的等级为高，则警报因机器耗能过大而导致成本过高，急需提高机器的节能性；

若设备综合能力的等级为中且设备综合效率的等级为高，则表明设备以外因素无问题，需要着重检查是否因机器的节能性异常而导致生产效率低；

若设备综合能力的等级为高且设备综合效率的等级为高，则应维持当前状态继续进行生产。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

参照图1-8，本发明的第一实施例：

本实施例基于设备综合能力与设备综合效率的注塑机管理决策方法的实现过程为：

(1)首先，建立评价设备综合能力的评价因素结构图，如图7所示，从设备可靠性、产品质量和设备节能性三个方面对设备综合能力进行评估。

设备可靠性是指设备在规定的条件下和规定的时间内稳定工作的程度，可用故障率(FailureRate)这一指标来衡量，故障率可表达为单位时间内(周、月或年)设备的故障次数，本实施例的故障仅指注塑机自身的故障(如机械故障、控制器故障等)，不包括操作不当、供料不足等外因造成的短暂停机。根据先验知识，本实施例注塑机可靠性等级的评判标准如表1所示：

表1注塑机可靠性等级评价标准

故障率(次/周) 等级 <1/168 1 <2/168 2 >＝2/168 3

而产品质量可用稳定生产状态下产品的关键指标的过程能力指数C_pk来衡量，C_pk的计算公式为：

$C_{pk}=\min \{\frac{USL-\bar{x}}{3s},\frac{\bar{x}-LSL}{3s}\},$

其中，USL为规格上限，LSL为规格下限，为规格均值，s为标准差，min为求最小值函数。

若产品有多个C_pk指标，则选择最小的C_pk进行评价。

目前国际通用的C_pk等级评判标准如下表2所示：

表2注塑产品C_pk等级评价标准

C_pk等级 >＝1.67 1 >＝1.33 2 <1.33 3

节能性是指设备在正常工作条件下节省电能的程度，可用耗电率，即产品每千克的耗电量来衡量，本实施例在测量耗电率时生产所用的原料应为苯乙烯类(ABS、PS或HIPS)。根据中国塑料机械工业协会于2009年8月出台的《塑料注射成型机能耗检测和等级评定的规范》，注塑机节能性的评判标准如表3所示：

表3注塑机节能性等级评价标准

耗电率kw*h/kg 等级 <＝0.55 1 <＝0.85 2 >0.85 3

(2)确定设备可靠性、产品质量和设备节能性三个指标的等级评价标准后，由50位注塑工业领域的专家对这三个指标进行赋权，然后运用层次分析法(AnalyticHierarchyProcess)对专家赋权结果进行分析，最终确定了设备可靠性、产品质量和设备节能性这三个指标的权重分别为0.45，0.33，0.22。

(3)建立评价因子集合及等级集合，评价因子集合U＝{u₁,u₂,u₃}，；评价等级集合为V＝{v_j|j＝1,2,3}＝{v₁,v₂,v₃}。

(4)定义v_j(u_i)为因子u_i对等级v_j的隶属度，建立不同评价因子对不同等级的隶属函数。

故障率对评价等级的隶属函数v₁(u₁)、v₂(u₁)和v₃(u₁)的表达式为：

注塑产品C_pk对评价等级的隶属函数v₁(u₂)、v₂(u₂)和v₃(u₂)的表达式为：

耗电率对评价等级的隶属函数v₁(u₃)、v₂(u₃)和v₃(u₃)的表达式为：

(5)建立模糊评价矩阵，记v_j(u_i)为r_ij，则由隶属度构成的模糊评价矩阵R为：

$R=\left\{r_{ij}\right|r_{ij}=v_j\left(u_i\right)\}=\left(\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right).$

(6)将权重矩阵W＝{0.45,0.33,0.22}和模糊矩阵R相乘，得到等级评价矩阵B＝W·R＝(b₁,b₂,b₃)，然后比较b₁、b₂和b₃的大小，其中三者的最大值对应着相应的设备综合能力等级。例如，若b₁最大，则设备综合能力为v₁(即为高)；若b₂最大，则设备综合能力为v₂(即为中)；若b₃最大，则设备综合能力为v₃(即为低)。

(7)设备综合效率的评判以国际上公认的85％为界，高于85％的设备综合效率为高，低于85％的设备综合效率为低，然后将评价出的设备综合能力与设备综合效率构成二维决策矩阵，如图8所示，共划分出6个象限，对应着6种管理决策指导：

象限1：OEC(即设备综合能力)低，OEE(即设备综合效率)低，发出警报：机器性能差导致生产效率低，此时应立刻停止生产，着手改善机器甚至更新机器。

象限2：OEC中，OEE低，设备综合效率低，原因有二：一是设备综合能力一般；二是设备以外因素(包括人、料和法等)出现异常，如机器调整时间过长，换模具速度过慢，人工失误过多或物料供应不及时等。此时提高生产效率应该从上述两方面入手。

象限3：OEC高，OEE低，发出警报：机器性能很好，但是设备以外因素(包括人、料和法等)存在严重问题，导致生产效率低。此时应检查调机时间是否过长，换模速度是否过慢，人工失误是否过多，物料质量是否合格等。

象限4：OEC低，OEE高，发出警报：机器耗能过大而导致成本过高，此时急需提高机器的节能性。

象限5：OEC中，OEE高，说明人、机、料等都无问题，此时应着重检查机器的节能性。

象限6：设备综合能力和设备综合效率均达到理想状态，应维持此状态生产，同时可以提高此台机器的设备利用率。

实施例二

本实施例以工厂某台合模力250KN、功率30kw的注塑机为例，对本发明在实际中的应用情况进行说明。

记录该注塑机在一周内故障次数为零次，稳定生产状态下产品质量指标的最小C_pk为1.2，连续生产50批次的苯乙烯类产品的总重量为1kg，单位批次时间为1.2s(计算时需将秒转换成小时)。

本实施例的具体过程为：

(1)首先评价三个指标的等级，u₁＝0，由实施例一中故障率对评价等级的隶属函数v₁(u₁)、v₂(u₁)和v₃(u₁)的表达式易知可靠性的等级为高；u₂＝1.2，由实施例一中注塑产品C_pk对评价等级的隶属函数v₁(u₂)、v₂(u₂)和v₃(u₂)的表达式得出v₁(u₂)＝0，v₂(u₂)＝0.2/0.33，v₃(u₂)＝1，v₃(u₂)最大，因此根据隶属度最大原则，u₂的等级为v₃，即稳定性的等级为低；u₃＝(50*单位批次时间*注塑机额定功率)/重量＝[50*(1.2/3600)h*30kw]/1kg＝0.5kw*h/kg，由实施例一中耗电率对评价等级的隶属函数v₁(u₃)、v₂(u₃)和v₃(u₃)的表达式易知节能性的等级为高。

(2)计算模糊评价矩阵R，由实施例一的隶属函数表达式可以分别算出所有v_j(u_i)，即r_ij的值，得到矩阵R为：

$\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \frac{0.2}{0.33}& 1\\ 1& 0& 0\end{array}\right)$

(3)根据最大隶属度原则进行综合评价，则B＝w·R＝(b₁,b₂,b₃)＝(0.67，0.2，0.33)，因此b1最大，即此设备综合能力为高。经计算，该台注塑机本周设备综合效率为70％，设备综合效率为低。因此，由本发明中的决策矩阵可知该台注塑机落在了第三象限，此时给予的决策指导为：“机器性能很好，但是设备以外因素(人、料、法)存在严重问题，导致生产效率低，应检查：调机时间是否过长，换模速度是否过慢，人工失误是否过多，物料质量是否合格等”。按照上述决策指导检查后，发现确实存在操作员失误过多的情况，应立即对该员工实施培训以及相关奖惩措施。

本发明针对注塑工业的设备管理问题提出了设备综合能力(OverallEquipmentCapacity，即OEC)的管理方法，可以科学地评价出设备综合能力的客观情况，从而将设备综合效率评价中产能损失的原因分解成机器原因与非机器原因，进一步为管理者提供针对单台注塑机管理的决策支持。

此外，相比于传统上狭隘的设备能力指数仅针对产品质量指标进行评价，本发明中针对单台注塑机而提出的设备综合能力不仅考虑了注塑产品质量这一评价因素，更综合融入了机器可靠性和节能性这两个重要的因素，从而对单台注塑机的设备能力进行科学、全面、客观的评价。在实际生产中，机器的可靠性甚至比产品质量更加关键，因为只有良好的可靠性才能保证安全的连续生产，同时机器的节能性也极其重要，注塑机是高耗能的生产设备，在国内大力倡导节能减排和市场愈发要求降低成本的大环境下，节能性是评价注塑机能力的一个不可或缺的重要因素。

综上所述，本发明的目标是为单台注塑设备的管理提供决策支持，从产品质量、设备可靠性和节能性三个方面客观全面地评价出注塑机的设备综合能力，并通过设备综合效率与设备综合能力的综合分析来识别出生产中的产能损失原因，从而为如何提高设备效率和进行科学的设备管理提供决策支持。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。