Эффективность производства — MES-ная специфика

Геннадий Метан, архитектор систем оперативного управления производством компании «СИБУР», член ассоциации MESA International; MetanGN@sibur.ru

Реализация функции расчета KPI в MES-системе промышленного предприятия позволяет измерить эффективность производства на всех уровнях управления и связать текущую деятельность производственных служб со стратегией развития предприятия.

Сегодня многие производственные компании внедряют решения управления эффективностью, основанные на системе ключевых показателей. ИТ-директора сталкиваются с потребностью не только автоматизировать «готовую» систему показателей, но и зачастую с потребностью бизнеса разработать саму систему показателей. Задача осложняется тем, что система должна связать и сбалансировать операционные показатели и бизнес-цели. Между тем на многих предприятиях уже внедрены MES-системы, в них накоплен значительный массив данных, но он зачастую не используется для расчета KPI. Чтобы восполнить эти пробелы, рассмотрим не только общие принципы построения систем показателей эффективности, но и систему показателей общей эффективности оборудования (Overall Equipment Effectiveness, OEE), адаптированную к специфике нефтехимии.

Как правило, руководители предприятий внедряют систему KPI для оценки и повышения эффективности предприятий и в первую очередь — производственной эффективности, что требует выработки единого языка для формирования общего понимания, оценки эффективности производства по одинаковым принципам на всех уровнях управления и встраивания системы оценки эффективности в систему мотивации персонала.

Одна из задач, которые могут успешно решаться средствами системы оперативного управления производством (Manufacturing Execution System, MES) — это расчет ключевых показателей эффективности (Key Performance Indicator, KPI). Реализация функции расчета KPI в MES-системе промышленного предприятия позволяет измерить эффективность производства на всех уровнях управления и связать текущую деятельность производственных служб со стратегией развития предприятия. При этом руководитель нижнего уровня (например, производственного отделения) получит возможность сравнить показатели своего подразделения с аналогичными показателями подразделения со схожей технологией, что вводит в культуру управления стремление быть лучшим и принцип непрерывного совершенствования. А руководители среднего и верхнего уровня смогут оценивать показатели, влияющие на рост эффективности производственных процессов, соотносить результаты ежедневных операций с бизнес-целями.

Специфика

На предприятиях перерабатывающих отраслей промышленности во всем мире наиболее распространена KPI-система Overall Equipment Effectiveness (OEE) — общая эффективность оборудования (ОЭО). Система была разработана японским институтом JIPM (Japan Institute for Plant Maintenance). Сегодня ее выбирает большинство пользователей MES-систем, поскольку она ориентирована на максимально эффективную эксплуатацию оборудования, что согласуется со стратегией большинства промышленных предприятий.

Рис. 1. Примеры вложенного и последовательного расположения зон

Поскольку система OEE стала стандартом де-факто, ее применение позволяет предприятиям проводить сравнительный анализ своих показателей с показателями конкурентов, клиентов и поставщиков. Создаются и возможности для бенчмаркинга — отыскания потенциала совершенствования на основе сравнения показателей своей производственной деятельности с показателями лидеров в своей области. Существует несколько разновидностей бенчмаркинга: внутренний бенчмаркинг — сравнение одного производственного подразделения с другим, и он уже применяется во многих промышленных холдингах; конкурентный бенчмаркинг, обеспечивающий сравнение своих возможностей с конкурентами; функциональный бенчмаркинг — для сравнения с лучшим предприятием в отрасли. Бенчмаркинг осуществляется в шесть основных этапов: планирование успеха (выявление и проверка ключевых факторов); поиск (отбор подходящих компаний для сравнения); обзор (расчет KPI процессов и анализ отличий); анализ (определение корней этих отличий); адаптация (выбор лучшего варианта и модификация его для себя); внедрение выбранного варианта и оценка его эффективности.

В идеале система KPI должна отражать все слагаемые эффективности производства. Для этого упорядочивают KPI в виде дерева показателей, с учетом отраслевой специфики. При расчете применяют агрегацию KPI по иерархии управления (то есть рассчитывают KPI на низшем уровне управления и затем автоматически получают значения KPI на вышестоящих уровнях) и по периоду времени (от смены к суткам, месяцу, кварталу и году). Агрегированные значения должны быть доступны в форме отчетов и визуальных панелей.

Рис. 2. Диаграмма причин снижения эффективности

На нефтехимическом предприятии есть следующие уровни производственной иерархии: предприятие, производство, цех, отделение. Эти уровни и определяют число уровней агрегирования в системе показателей. По времени можно выделить уровни: год, месяц, сутки (смена). Уровень «смена» указан в скобках как возможный, но не обязательный в связи с тем, что необходимость его включения следует определять на этапе реализации. Он позволяет учесть человеческий фактор, то есть влияние той или иной бригады на эффективность производства. Однако сравнительный анализ смен будет объективным только при условии единого сменного графика по всему предприятию.

Свертка — это алгоритм агрегации данных, который по значению показателей для объектов нижестоящего уровня однозначно рассчитывает значение показателя для объекта, стоящего над ними в иерархии. К алгоритму свертки предъявляется требование независимости от количества уровней иерархии и количества объектов на каждом уровне иерархии. Для свертки обычно используют операции суммирования, произведения, нахождения медианы, среднего, максимального или минимального значений. Конкретный алгоритм выбирается индивидуально для каждого показателя на основании опроса экспертов. При расчете свертки может учитываться различный вклад подразделений путем задания им соответствующих весовых коэффициентов.

На рассматриваемом нефтехимическом предприятии имеется такая последовательность вычислений (сверток) показателей: сначала рассчитывается KPI каждого отделения; по известным показателям всех отделений рассчитывается KPI каждого цеха; по значению показателей для цехов вычисляется значение по производствам. На последнем этапе рассчитывается сводный показатель для всего предприятия.

Для каждого показателя указываются целевое значение (идеальное значение данного показателя, к которому должны стремиться производственники), границы зон значений (хорошие значения, средние, плохие) и алгоритм свертки (агрегирования).

Таблица 1. Составляющие OEE

Например, ключевой показатель эффективности сушильного отделения в категории «качество» — это влажность выходящего полуфабриката. Для определения этого KPI используется периодически повторяемый отбор пробы с последующим лабораторным исследованием образца. Целевое значение — такое значение влажности, которое обеспечит соответствие показателя принятой допустимой верхней границе. Например, согласно технологическому регламенту, значение допустимой влажности находится в интервале 0,85–1,15%, оптимальной — 0,95–1,05%, целью является 1%. При недостаточной сушке полуфабрикат направляется на повторную сушку, а значит, предприятие несет дополнительные затраты. При чрезмерной сушке предприятие тоже понесет дополнительные затраты из-за возросшего расхода топлива на сушку. Для облегчения восприятия, как правило, разбивают весь диапазон допустимых значений KPI (в нашем примере влажности полуфабриката) на три зоны: зону оптимальных значений (зеленая зона), зону допустимых (субоптимальных) значений (желтая зона) и зону недопустимых значений (красная зона). На рис. 1 приведены примеры отображения зон значений показателей. На верхнем графике показано вложенное расположение областей: зеленая зона находится внутри желтой, которая, в свою очередь, — внутри красной. В зависимости от физической природы показателя может применяться и последовательное расположение диапазонов (нижний график).

Общая эффективность оборудования и MES-системы

Интегральный показатель — коэффициент OEE (или ОЭО — общая эффективность оборудования) учитывает вклад следующих трех составляющих эффективности: доступности оборудования — отношения фактически отработанного времени к потенциальному рабочему времени; производительности — отношения фактической (достигнутой) производительности к ее целевому уровню; качества — отношения фактического (достигнутого) уровня качества к его целевому уровню. Для нефтехимического комбината вышеописанные категории представлены в табл. 1.

Интегральный показатель рассчитывается как произведение составляющих эффективности:

OEE = Доступность х Производительность х Качество

Производители мирового класса достигли и поддерживают коэффициент общей эффективности оборудования на уровне 80% для непрерывного и 85% для дискретного производства (сравните с показателями в табл. 2). Но не следует забывать, что коэффициент общей эффективности оборудования (для отделения, цеха, производства или предприятия в целом) — только индикатор хорошего или плохого «здоровья» производственного процесса и «в одиночку» не будет способствовать повышению производительности. Его необходимо объединить с подробной и точной регистрацией причин снижения производительности, и реализация этого процесса без MES-системы очень сложна. MES-система обычно предусматривает несколько видов причин (рис. 2) снижения эффективности, которые необходимо регистрировать.

Общее календарное время — это календарное время, доступное в анализируемом периоде. Плановое время в году составляет 60 мин х 24 часа х 365 дней, а в сутки — 60 мин х 24 часа.

Планируемое время выполнения операций — период, в течение которого оборудование доступно, и, следовательно, допускается планировать выполнение производственных операций. Сюда входит время подготовки к запуску производственного процесса, включая переналадку оборудования, период производства, внеплановые остановки на проверку оборудования, персонала и качества.

В плановый простой входят дни, в которые прекращается работа предприятия: плановые ремонты, периоды, когда отсутствуют производственные заказы, — что не должно учитываться при расчете показателя OEE.

Фактическое время нагрузки оборудования определяется как период, в течение которого оборудование работало, включая тестовые, экспериментальные выпуски, холостой ход, выход на рабочий режим, останов и переналадку. Из него нужно исключить внеплановый простой — время простоя оборудования в период, на который была запланирована работа, включая простои вследствие задержек с поставкой сырья, требуемых энергоресурсов, опустошения или переполнения склада, отсутствия вагонов под погрузку.

Фактическое рабочее время — время, в течение которого оборудование работало в рабочем режиме. Если бы все это время оборудование работало с плановой производительностью, то это обеспечило бы теоретический выход продукции. При этом не учитываются отказы и холостой ход, а также время переналадки. Отказы, холостой ход — время простоя оборудования вследствие внепланового ремонта, перенастройки либо работа на холостом ходу. Сдерживания и ограничения — время работы на пониженной производительности вследствие особенностей, присущих данной технологии производства.

Учитывается и время валовой выработки, в течение которого оборудование производило вал, то есть и годную, и негодную продукцию, в том числе повторную переработку. При этом не учитываются мелкие остановы, включая остановку линии по требованию контролера ОКК, обнаружившего на линии брак, а также снижение производительности, то есть период, когда оборудование работало со снижением производительности (относительно планового значения). Снижение может быть вызвано износом оборудования, отклонениями и нестабильностью качества перерабатываемого материала, ошибкой оператора. Эта составляющая может быть не только отрицательной, но и положительной, когда операторы устанавливают режим с производительностью выше плановой.

Таблица 2. Диапазоны значений коэффициента OEE

Возвраты: период, когда оборудование производило продукцию, которая была возвращена в производство из-за несоответствия параметров качества, что привело к уменьшению выхода годного продукта.

Технологические потери: период, в течение которого оборудование (вследствие недостаточной настроенности или неоптимального режима) сбрасывало часть полезного вещества в отходы в большем объеме, чем это предусмотрено технологическим регламентом.

Годный продукт: оставшееся после всех вычетов время, в течение которого выпускался целевой продукт с целевым качеством и производительностью. Цель любого предприятия состоит в максимизации этого времени.

Указанные показатели влияют на составляющие эффективности следующим образом: чем выше «внеплановый простой», тем ниже доступность оборудования; рост показателей «отказы, холостой ход», «сдерживания и ограничения», «мелкие остановы», «уменьшение производительности» говорит о снижении производительности, а рост показателя «возвраты и технологические потери» — о снижении выработки качественного продукта.

Готовое решение

В MES-системах, ориентированных на дискретное и периодическое производство, как правило, уже есть встроенные модули расчета OEE. Среди них Proficy Plant Applications компании GE Intelligent Platforms, Operations & Performance компании Invensys Wonderware, KPI Builder компании AspenTech, Hydra компании MPDV и другие. В системах, ориентированных преимущественно на непрерывное производство (например, PI System компании OSIsoft), готового модуля расчета OEE нет, однако российские системные интеграторы предлагают услуги по построению систем расчета и визуализации KPI на базе MES. Кроме того, предлагаются специализированные решения для расчета и визуализации KPI — EMI (Enterprise Manufacturing Intelligence), которые также поставляют средства для расчета и визуализации OEE — например, SAP Manufacturing Integration and Intelligence и Oracle Manufacturing Operation Center. Такие решения применяются в производственных холдингах с высокой степенью стандартизации управления и с высоким уровнем базовой автоматизации производства.