设备综合效率指标的比较分析和运用
作者：李凤鑫 胡 静 出处：上海交通大学 宝钢分公司
摘要：设备综合效率理论的提出和不断完善、丰富、深化是近6年来国内外设备管理领域的研究和创新成果，为引导企业重视设备综合管理、推进全员设备管理奠定了理论基础和提供了实践方法。本文在比较国内外较为典型的几种设备综合效率定义和计算方法、以及结合在宝钢热轧厂实际运用的基础上，提出了适用于制造型企业尤其是钢铁企业的设备综合效率定义和计算方法。
关键词：设备综合效率、OEE、TPM管理模式、比较分析、时间开动率、性能开动率、合格品率、TEEP、产能利用率、生产合格品的时间比率、KPI
1、设备综合效率理论的形成与发展
20世纪60年代初，日本引入美国的生产维修制并在此基础上提出自主维修的理念，于1969-1971年之间形成TPM管理模式，到80年代末和90年代初分别被美、英、德等工业化国家引入，成为现在很多企业指导设备管理和维修的模式。
按照国际TPM协会主席Hartmann的观点，由于东、西方文化的差异，使得TPM这种先进的管理模式在近20年后才得到西方工业化国家的广泛认同，最终在西方国家的企业中得到广泛应用，主要归因于全球范围内日趋激烈的市场竞争。伴随TPM模式的推广，设备综合效率(OEE)理论应运而生，OEE成为很多制造企业在衡量和提高设备综合管理水平方面的一个非常重要的指标，国际通用的质量管理体系QS9000也把OEE指标作为持续改进的有效措施之一，作为科学分析和评价企业设备使用效率的指标和基准。
1.1 国际半导体组织设备综合效率
国际半导体组织（SEMI）1999年将全面设备效率OEE作为衡量设备生产能力的计算方法和标准，该方法完全依据半导体厂设备状态时间计算，计算方法准确，能够预知设备的运行状况，更加适合柔性生产设备，弥补了SEMI以往计算效率方法的不足。SEMI将全面设备效率定义为可用效率、生产效率、速率效率和质量效率的乘积。即：全面设备效率＝可用效率×生产效率×速率效率×质量效率。
1.2 QS9000标准中设备综合效率
设备综合效率是最高层次的设备技术经济指标，主要内容是通过时间开动率（可利用率）、性能开动率和合格品率来综合反映设备的停机损失、速度损失和废品损失，使各类损失明确化，并可及时用量化的数据来描述设备管理持续开展的效果，在2000年－2002年，基本采用设备综合效率OEE等于时间开动率、性能开动率和合格品率3者乘积表示，但不同企业之间对时间开动率（可利用率）的计算方法不同。
1.3 设备完全有效生产率（TEEP）
针对企业在进行OEE计算时常常遇到很多迷惑的问题，如属于外部因素和设备技术改造调试、新试产品、待料、质量检查、质量停机或者由于外围单位造成的能源供电设施中断等一系列外部因素停机，国内设备管理专家李葆文引入了非设备因素停机的概念，在OEE的基础上在2002年又提出了设备完全有效生产率（TEEP）的定义和计算方法，同时对OEE计算方法的修正，让设备完全利用的情况由完全有效生产率这各指标来反映。
1.4 麦肯锡及宝钢热轧厂共同提出的产能利用率和设备综合效率
产能利用率＝可利用率×设备综合效率
其中设备综合效率＝运行效率×生产合格品时间比率
可利用率是机器可用时间的百分比即时间开动率，即可用时间相对日历时间的比值；运行效率是有效运行时间相对可用时间的速率，即性能开动率；生产合格品的时间比率是生产满足质量规范要求的产品时间（净生产时间）相对有效运行时间的比例。
由此可见，目前国际上有关设备综合效率的理论在不断深化、发展，同时并存的定义和计算方法很多，相互之间有较大差异、也有一定联系，哪种更科学、合理、更能揭示问题、更适用于宝钢以及热轧厂，需要进行比较分析、研究，从而找出适用于宝钢以及热轧厂的设备综合效率指标，指导设备管理工作。
2、国内外设备综合效率水平比较
据国际TPM协会的数据，许多世界级企业在引入TPM模式后设备有效度（时间开动率）、性能开动率、产品合格品率分别达到90％和95％和99％，设备综合效率因而达到85％，较前均有较大幅度的提高。
在钢铁界，处于世界领先地位的韩国、日本和中国的宝钢，设备综合效率水平分别处于何种水平，有关数据列举如表1所示：
时间开动率A=(a-b-c-d)/a
运行效率B=(a-b-c-d)/(a-b)
可利用率C=(a-c-d)/a，(a、b、c、d分别对应表格内日历时间等数据)
由于无法得到在性能开动率和合格品率等方面更详细的数据，仅用设备综合效率的因子之一——时间开动率进行比较，宝钢2003年处于低于80％的水平，而日韩企业已超过80％；如采用可利用率进行比较，日韩企业已超过85％，而宝钢低于85％。通过宝钢和韩国、日本钢铁企业的比较，宝钢尽管设备装备和技术均为世界一流水平，但在设备管理指标上还有很大的提升空间。
3、宝钢股份设备综合效率指标的提出与运用
宝钢在一期工程引进新日铁装备及技术时也成套引进了新日铁的设备管理，TPM作为设备管理的重要组成部分在宝钢得到了初步运用，并且从生产、设备、检修“三位一体” 的TPM全员生产维修机制延伸到采购、销售、人事，形成“六位一体”的管理格局。设备管理的工作目的从投产初期单纯保设备状态转变为保设备功能、精度的投入与提高；从降低设备故障（事故）时间转变为防止重复事故、责任事故发生而采取的纠正措施的落实，实施零故障管理，其核心在于降低非计划的故障停机时间，并没有将大幅减少各类生产因素停机、检修计划停机作为设备综合管理的范畴，因此也就没有进行设备综合效率的统计，直到2000年设备部引入设备综合效率作为设备管理指标，开始进行定义和研究，并于2001年6月起在全公司推行该指标的运用，2004年作为设备系统及各生产厂的KPI指标进行考核。
4、对宝钢现存的两种设备综合效率指标计算方法及结果比较分析
4.1、宝钢分公司提出的设备综合效率定义及计算方法（后文简称方法Ⅰ）：
OEE＝时间开动率×性能开动率×合格品率；
等同于：设备综合效率＝可利用率×运行效率×成品率(合格品率)。其中：
可利用率是机器可用时间的百分比，即时间开动率，即净生产时间相对计划作业时间的比值；该因子宝钢直接采用了日历作业率作为时间开动率，故该因子数值偏低。
运行效率是机器或设备相对其设计循环运行的速率，即性能开动率；该因子宝钢直接采用实际小时产量与理论（设计）小时产量的比值代替，由于各单元远远超过原设计能力、超产较多，该因子数值大于100％较多，1580主轧线更是达到了120％。
成品率是生产满足质量规范要求的产品百分比，即合格品率。由于宝钢炼铁、炼钢、热轧等工序各不相同，该因子宝钢直接采用了合格品率数据，未考虑在本工序内由于返修造成的作业时间损失，合格品率数据要高于下文的生产合格品时间比率3％以上百分点。
由于OEE是上述3项乘积，性能开动率的放大效应很大，因此在宝钢出现了OEE大于100％的特殊情况。
4.2、世界著名管理咨询公司美国麦肯锡公司和宝钢热轧厂则共同提出产能利用率和设备综合效率的概念，其计算方法后文简称方法Ⅱ：
产能利用率＝可利用率×设备综合效率
其中设备综合效率＝运行效率×生产合格品时间比率
可利用率是机器可用时间的百分比即时间开动率，即可用时间相对日历时间的比值；
（其中可用时间D＝日历时间A－计划检修时间B－计划换辊时间C），因此
可利用率=D/A*100%=(A-B-C)/A---- --- --- (1)
运行效率是有效运行时间相对可用时间的速率，即性能开动率；
有效运行时间G＝可用时间D-非计划停机时间E-单机单炉时间造成的速度损失时间F
运行效率=G/D*100% = (D-E-F)/D*100%-------(2)
(说明：运行时间＝D- E，有效运行时间G＝D-E-F)
生产合格品的时间比率是生产满足质量规范要求的产品时间（净生产时间H）相对有效运行时间G的比例，计算方法为将生产废品（a吨）和返修产品(b吨)的数量按照实际小时产量（c小时/吨）倒推出损失的时间t小时，即t=(a+b)/c。
净生产时间H＝有效运行时间G－损失时间t，该情况下的合格品率不能直接用来生产合格品的时间比率，因为增加了将返修产品折算的作业时间损失，在热轧工序计算合格品率时不包括返修情况。
生产成品的时间比率＝H/G*100%=(G-t)/G*100%-- (3)
则设备综合效率的公式为：
OEE=(2)×(3)＝G/D×(G-t)/G*100%=(G-t)/D
＝(A-B-C-E-F-t)/(A-B-C) *100%----------(4)
产能利用率＝(1)×(2)×(3)＝(A-B-C)/A× (G-t)/D*100%
＝(A-B-C)/A×(A-B-C-E-F-t)/(A-B-C) *100%
＝ (A-B-C-E-F-t)/A *100%------------ (5)
其中 t=(a+b)/c
应用实例：1580主轧线某月份产能利用率和OEE的计算情况，见表2
4.3、运用两种方法进行计算设备综合效率结果
采用方法Ⅰ，04年2050设备综合效率比03年增幅达4.5％，而采用方法Ⅱ，则增幅仅1.62％；采用方法Ⅰ，1580设备综合效率比2050大10－15％，而采用方法Ⅱ，则1580设备综合效率比2050比较接近，差异不大，均为世界领先水平，表明方法Ⅰ不同时适用于热轧厂两条主轧线，而方法Ⅱ相对适用。
4.4、结果分析
4.4.1、通过对全年1－12月的方法Ⅰ下设备综合效率、方法Ⅱ下设备综合效率、性能开动率、超产比例（12×4＝48个数据）进行标准偏差分析，方法Ⅰ下计算的设备综合效率方差为5.71，与性能开动率的方差为6.394，两者非常接近、且规律一致、紧密相关。因此性能开动率对设备综合效率的影响作用高于超产因素。性能开动率的大小又直接决定是否会超产，在设计小时产量一定的情况下，性能开动率反映的恰好就是轧线实际小时产量水平，因此对能否超产影响很大。
4.4.2、在方法Ⅰ下，性能开动率的大小决定了最终设备综合效率大小，掩盖了时间开动率上的不足，可能模糊设备、生产人员对减少计划停机、非计划停机重要性的认识。方法Ⅱ下计算设备综合效率的方差为0.9，性能开动率的大小对设备综合效率影响不大，如表4所示。
4.4.3、笔者运用方法Ⅰ对设备综合效率在历时间、检修模式、轧线小时产量、非计划停机时间多种条件下模拟计算，发现：
方法Ⅰ中在设计小时产量作为计算公式中的分母、是影响设备综合效率的固定因素外，日历时间、检修模式（定、年修的时间和频度）、轧线小时产量（受单重、加热炉停炉停装、卷取2台或一台卷取等因素影响较大）、非计划停机时间均是影响设备综合效率的主要的、可变的因素，需要我们加以关注、分析和利用，建议采取如下对策：
（1）：在不超产情况下，非计划停机时间或检修、换辊时间每减少1小时，设备综合效率至少可提高0.13％，如果月度定修只有2次，减少定修至少10－16小时，则设备综合效率至少可提高1.3％－2.08％；这样定修模型可由目前按两周组织调整为按半月调整一次，就可以减少定修的影响，并有效提高设备综合效率。
（2）：在非计划停机时间不变的情况下，小时产量每提高7.4吨（单重提高0.1吨），相当于每超产1％，设备综合效率可提高0.8－0.84％，提高1％单重与减少1小时的检修或非计划停机时间相比，对设备综合效率的影响呈8倍的放大效应，提高单重比降低非计划停机时间对设备综合效率影响更大，更直接。
对策（2）也从侧面说明了方法Ⅰ计算公式具有矛盾性，一方面公司不希望生产厂拼设备，避免提高性能开动率来提高设备综合效率；但一方面又不得不依靠生产厂大大超过设计能力的生产来提高设备综合效率，以完成公司整体的设备综合效率目标。
4.4.4、经对1580单元和2050单元的03年、04年两种设备综合效率计算方法（方法Ⅰ和方法Ⅱ）结果对比分析，发现：除公式不同外，最大的差异在于对性能开动率的不同理解和计算方法，对生产和设备管理的导向作用也就不同。
5、对其他几种设备综合效率计算方法的比较分析
（1）方法Ⅱ将生产效率和速率效率的乘积直接简化为运行效率，因此方法Ⅱ计算的产能利用率与方法Ⅲ半导体行业中的OEE是一个内容，与方法Ⅰ提出的OEE计算方法和结果不一致。
（2）方法Ⅱ应用的产能利用率公式和方法Ⅲ半导体组织的全面设备效率公式组成类似，有相互借鉴比较之处，但存在差异：
（3）当运用方法Ⅳ设备完全有效生产率（TEEP）的定义和计算方法，同时对OEE计算方法的修正时，可以发现方法Ⅱ对产能利用率的定义及计算方法与方法Ⅳ设备完全有效生产率（TEEP）的定义和计算方法有异曲同工之妙，实现了统一。
（4）因此同行业之间（例如制造型企业尤其是钢铁企业）采用设备完全有效生产率（TEEP）或产能利用率、时间开动率（日历作业率）、OEE等设备管理效率指标更能迅速消除统计口径不一致造成的对标上的困难。而不同行业之间：比较方法Ⅱ所推荐的设备综合效率以及运行效率计算公式更为合适。
6.结束语
TPM模式的推广促进了设备综合效率在全世界的推广和运用，近几年预防性维修、预测性维修以及以可靠性为中心的维修（RCM）等维修理论的方兴未艾大大丰富了以设备综合效率为核心的TPM理论，提升了设备综合效率作为设备管理指标在利润效益为型制造业企业中的指导地位。设备综合效率的分析、研究、运用以及持续改善对于着力打造世界级的企业具有指导意义，为同一行业甚至不同行业企业之间在达成理论共识的基础上提供了有效的相互比较、借鉴的方法。
