制造设备关键性能指标的基准设定_沈清泓

竞争优势的难点和重点 。 ［１］ 随着信息和集成技 术 的 发 展， 流 程 行 业 已 经 形 成 了 以 企 业 资 源 计 划 （ＥＲＰ）、制 造 执 行 系 统 （ＭＥＳ） 和 过 程 控 制 系 统 （ＰＣＳ） 为代表的 三 层 结 构 体 系， 提 升 了 流 程 行 业 的信息化水平。制造执行系统作为连接顶层业务管 理和底层实际生产的纽带，解决了流程行业系统信 息冗余和信息孤岛的问题，是流程行业信息系统的 关键组成部分。
人员、设备和物料是流程行业的基础性元素和
２０１２－０６－０９ 收 到 初 稿 ，２０１２－０６－１９ 收 到 修 改 稿 。 联系人：苏宏 业。 第 一 作 者： 沈 清 泓 （１９８５—）， 男， 博 士 研
究生。 基金项目：国家创新研究群体科学基金项目 （６０７２１０６２）。
Fra Baidu bibliotek
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２０１２－０６－０９． Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＳＵ Ｈｏｎｇｙｅ，ｈｙｓｕ＠ｉｉｐｃ．ｚｊｕ．ｅｄｕ．
ｄｅｔａｉｌ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｕｓｅｒ ｇｒｏｕｐｓ ｔｈａｔ ｕｔｉｌｉｚｅ ＫＰＩ
析结果的有关质量和绩效数据信息，同时将统计信 息反馈给绩效分析模块，来修正和改进 ＫＰＩ计算。
绩效分析模块为业务系统分析和汇报绩效信 息，这些分 析 可 以 用 于 完 善 ＫＰＩ报 告， 并 进 行 生 产和资源利用的 最 优 化， 它 与 ＭＥＳ 系 统 的 其 他 相 关模块进行信息交换，为生产管理提供支撑。基于 ＫＰＩ的绩效分析 包 含 静 态 分 析 和 动 态 分 析 两 部 分， 静态分析是根据目标对象和来自于资源管理与产品 定义管理的相关信息，提炼定义 ＫＰＩ，并确定 ＫＰＩ 的属性，即如何将预期的目标量化为可进行评定的 指标，从 而 形 成 评 估 的 指 标 集 合。 动 态 部 分 包 括 ＫＰＩ的计算 和 ＫＰＩ基 准 的 设 定， 根 据 定 义 的 ＫＰＩ 计算公式，通过对数据收集、生产跟踪以及生产统 计 得 到 的 数 据 进 行 数 据 处 理 后， 进 行 ＫＰＩ计 算， 并将计算得到 的 ＫＰＩ值 与 设 定 的 ＫＰＩ基 准 值 进 行 比较，评估 是 否 达 到 预 期 目 标。 本 文 将 ＫＰＩ体 系 结构应用于流程行业制造设备的评估，建立制造设 备的 ＫＰＩ集 合， 并 基 于 稳 态 优 化 理 论 实 现 了 该 体 系结构中动态分析部分的 ＫＰＩ基准设定。
摘要：详细分析流程行业制造执行系统关键性能指标评估体系，建立了关于制造设备的关键性能指标集合。针
对该评估体系的动态分析部分，提出了基于稳态优化理论的制造设备关键性能指标的基准设定方法，最后以二
元精馏塔为例分析了其生产率的计算以及基准的确定。
关键词：制造执行系统；关键性能指标；基准；稳态优化
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１２．０９．０４６
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｋｅｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ；ｂｅｎｃｈｍａｒｋ；ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｏｐｔｉ－ ｍｉｚａｔｉｏｎ
引 言
流程行业，如炼油、化工、冶金、制药、造纸 等是制造业的重要组成部分，也是国民经济的支柱 产业。经济 全 球 化 和 信 息 化 使 流 程 行 业 的 竞 争 环 境、发展模式及运行效率与活动空间发生了巨大的 变化。企 业 活 动 势 必 从 单 项、 局 部 的 改 善 向 着 综 合、集成的优化转变，尤其是计划、组织和控制三 大功能的整体优化，更是企业实现经营目标和获得
图 １ ＫＰＩ评 估 体 系 结 构 Ｆｉｇ．１ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ＫＰＩ
·２９６０ ·
化 工 学 报
第 ６３ 卷
Ｎａｍｅ／Ｔｉｔｌｅ ｏｆ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｉｍｉｎｇ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｕｎｉｔ／ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｒａｔｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ／ｄｒｉｌｌ ｄｏｗｎ ｒｅｍａｒｋｓ ｎｏｔｅｓ／ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ｕｓｅｒ ｇｒｏｕｐ
第 ６３ 卷 第 ９ 期 ２０１２年９月
化 工 学 报 ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ
Ｖｏｌ．６３ Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１２
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研究论文
制造设备关键性能指标的基准设定
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沈清泓，苏宏业，朱 理，卢 山
（浙江大学智能系统与控制研究所，浙江 杭州 ３１００２７）
２ 制 造 设 备 的 关 键 性 能 指 标 集 合
制造设备是流程行业生产运行的执行者，企业 中机器设备占企业 设 备 资 产 总 值 的 ６０％ 以 上， 所 以设备管理的优劣直接影响企业的安全等级和生产 效率 。 ［４］ 流程行业制造设备的有效评估不仅可 以 保 证生产的安全运行，还可以为调度提供有力的决策 依据，提升企业的经济效益。
表 １ ＫＰＩ通 用 模 型 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＫＰＩ
Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｒ ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＫＰＩ
ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ＫＰＩ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｔｓ ｕｓｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＫＰＩ ｃａｎ ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｅｉｔｈｅｒ ｉｎ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ｏｎ ｄｅｍａｎｄ，ｏｒ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ
图１中，资源管理模块用于管理有关生产运行 所必需的信息，并将资源的可用性信息提供给绩效 分析模块， 满 足 ＫＰＩ定 义 所 需 获 取 的 条 件。 资 源 产品定义模块用于定义生产所需的资源产品，并将 生产 ＫＰＩ 定 义 信 息 传 递 给 绩 效 分 析 模 块， 完 善 ＫＰＩ定义。数据收集模块是一系列为特定工作过 程 或特定生 产 要 求 收 集、 编 辑 和 管 理 生 产 数 据 的 活 动，如收集 ＭＥＳ系统 主 要 处 理 的 数 量 和 有 关 参 数 的过程信息。生产和资源的历史数据通过数据收集 模块传递给 绩 效 分 析 模 块， 为 ＫＰＩ的 动 态 分 析 提 供有效的数据支撑。生产跟踪模块是根据生产和资 源的历史数 据 跟 踪 生 产 过 程， 为 ＫＰＩ动 态 分 析 提 供详细的质量和绩效数据，并使数据根据当前情况 进行实时更新。生产统计模块为企业的业务计划层 做出生产响应准备，总结和统计生产过程中绩效分
中 图 分 类 号 ：ＴＰ ３１１ 文 献 标 志 码 ：Ａ
文章编号：０４３８－１１５７ （２０１２）０９－２９５８－０７
Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｋｅｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
ｃｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｒｅａｔｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｇｒｏｕｐｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （６０７２１０６２）．
第９期
沈清泓等：制造设备关键性能指标的基准设定
·２９５９ ·
信息系统的数据来源，支撑着整个制造执行系统的 运行。其中设备的设计、投运、运行和维护贯穿整 个制造活动，直接影响流程企业的产量和效益。流 程行业制 造 设 备 运 行 具 有 安 全 性 要 求 高、 生 产 连 续、对环境的影响大等特点，目前国内外针对制造 设备评估的研究主要服务于维护活动，且以离散制 造业为主。陈孝国 引 ［２］ 用模糊数学的方法，对 机 械 设备的新旧程度进行了综合评判；朱明杰等 对 ［３］ 比 了机器设备评估的比较法、收益法和评估法３种方 法，将重置成本法应用在贬值率的计算中；马黎明 等 运 ［４］ 用模 糊 算 法 评 估 出 化 工 企 业 的 关 键 制 造 设 备，根据关键性的不同等级采取不同的维修模式； 张成文等 研 ［５］ 究了制造设备贬值率的计算，重 新 组 合了３种贬值因 素 从 而 得 到 新 的 贬 值 率；Ａｌｉ等［６］ 建立了全面质量模型 （ＴＱＭ），同时考虑生产率和 质量两个指标 进 行 生 产 控 制；Ａｎｄｒａｄｅ［７］采 用 主 元 分析和聚类分析提取熔体造粒工艺应用固体床熔炼 过程中的 信 息， 以 药 品 性 质 为 指 标 评 估 了 生 产 过 程。然而，这些研究只是针对制造设备评估的某一 个指标，如贬值率，未形成完整的评估体系。而且 大多采用分类的定性方法，缺少定量的规范性计算 和评估，不足以支撑信息爆炸时代的决策活动。
ＳＨＥＮ Ｑｉｎｇｈｏｎｇ，ＳＵ Ｈｏｎｇｙｅ，ＺＨＵ Ｌｉ，ＬＵ Ｓｈａｎ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｙｂｅｒ－Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００２７，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｋｅｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ （ＫＰＩ）ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ （ＭＥＳ）ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｎｄ ａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＫＰＩ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｂｅｎｃｈｍａｒｋ ｆｏｒ ＫＰＩ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｅｎｃｈｍａｒｋ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｒａｔｉｏ ｏｆ ａ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｃｏｌｕｍｎ ａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａｓ ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃａｓｅ．
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ＫＰＩ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｔｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｂａｓｉｃ ｕｎｉｔ ｏｒ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ＫＰＩ ｉｓ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｌｏｇｉｃａｌ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ＫＰＩ ａｎｄ ｔｒｅｎｄ ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ＫＰＩ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ｄｒｉｌｌ ｄｏｗｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｒｏｏｔ ｃａｕｓｅ ｏｆ ＫＰＩ ｒｅｓｕｌｔｓ
作者在 参 与 制 定 国 际 标 准ＩＳＯ ２２４００［８］的 基 础 上，分析了制造执行系统关键性能指标评估体系， 建立了流程行业制造设备的关键性能指标集合，运 用稳态优化理论确定关键性能指标的基准，对制造 设备进行定量的系统评估。
１ 制 造 执 行 系 统 关 键 性 能 指 标 评 估 体系
关键性能指标 （ＫＰＩ） 是 评 价 过 程 和 绩 效 的 技 术经济指标，关注的是一个过程中的重要目标或关 键成功因素，它是衡量企业战略实施效果的关键指 标，可作为制造过程的基准和参考，用于对生产过 程的评估 和 优 化， 其 目 的 是 不 断 完 善 企 业 生 产 过 程，增强企业的核心竞争力和可持续发展的动力， 使企业 取 得 高 效 益 。 ［９］ 基 于 关 键 性 能 指 标 评 估 ＭＥＳ系统是实现 ＭＥＳ系统中绩效分析模块功能的 一种方法，图１给出了该体系的结构。