吳小超,張怡,沈軍,馬勝軍,石炬,陳曉波,余重庭
1 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,生產(chǎn)制造中心,武漢市 430040;2 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,廣水卷煙廠,湖北省隨州廣水市 432721
隨著卷煙市場趨于飽和,各煙草企業(yè)間的競爭越發(fā)激烈,產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的控制成為了各煙草工業(yè)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。卷接和包裝作為卷煙生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序,將煙絲卷制成煙支、煙支包裝成小盒煙包、小盒煙包包裝成條煙和件煙。目前,在卷包生產(chǎn)過程中,跑條、過輕、過重、空頭、外觀缺陷等產(chǎn)品質(zhì)量問題頻繁出現(xiàn)[2],因質(zhì)量問題而引發(fā)的機(jī)組停機(jī)和成本損失時(shí)有發(fā)生,當(dāng)質(zhì)量問題發(fā)生時(shí),操作、維修和管理人員希望能夠定量地評價(jià)機(jī)組過程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大小、劃分質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)等級、建立分等級的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制,科學(xué)合理地推進(jìn)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)防控,提升卷煙生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)態(tài)控制水平。
過程失效模式及影響分析(Process Failure Modes and Effects Analysis,PFMEA),作為一種綜合分析技術(shù),主要用來對生產(chǎn)制造過程中可能出現(xiàn)的失效模式進(jìn)行識別并分析其對產(chǎn)品質(zhì)量的影響,從而有針對性地制定出控制措施以有效地減少質(zhì)量問題[3-4]。目前,PFMEA 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車制造、衛(wèi)生、航天等多個(gè)領(lǐng)域[5-11],在煙草行業(yè)也有一些應(yīng)用。例如,黃雯華[12]將FMEA 用于卷包工序產(chǎn)品品質(zhì)管理,有效降低了產(chǎn)品品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),減少了生產(chǎn)成本;方銀水[13]等人對整個(gè)卷煙生產(chǎn)過程使用PFMEA 方法進(jìn)行分析,并實(shí)施針對性的優(yōu)化措施,使卷煙生產(chǎn)過程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管控水平得到提升。以上文獻(xiàn)中提出的應(yīng)用都是基于經(jīng)典的離線PFMEA 分析方法,能夠在工藝設(shè)計(jì)階段對構(gòu)成過程的各個(gè)工序逐一進(jìn)行分析,找出所有潛在的失效模式、歸納其產(chǎn)生的原因并分析其可能的后果。但在生產(chǎn)過程中,如何使用PFMEA 方法對過程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的診斷和識別,尚無相關(guān)文獻(xiàn)給出。為此,本文對傳統(tǒng)的PFMEA 方法進(jìn)行了改進(jìn),使用實(shí)時(shí)剔除率計(jì)算發(fā)生度,設(shè)計(jì)嚴(yán)重度和不可探測度的評分準(zhǔn)則,為卷包機(jī)組質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)水平實(shí)時(shí)識別和評估提出了一種新思路、新方法。
經(jīng)典的PFMEA 方法的實(shí)施過程,首先對工藝工序進(jìn)行分析,識別工藝過程中的各個(gè)失效模式,而后對每個(gè)失效模式的發(fā)生度(Occurrence,O)、嚴(yán)重度(Severity,S)和不可探測度(Detectability,D)進(jìn)行判定,最后由三者的乘積計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(Risk Priority Number,RPN),即
風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)是對工藝潛在失效模式風(fēng)險(xiǎn)等級的評價(jià),它反映了對工藝失效模式發(fā)生的可能性及其后果嚴(yán)重性的綜合度量,RPN 值越大,即該工藝失效模式的危害性越大。但是傳統(tǒng)的PFMEA方法論中,發(fā)生度、嚴(yán)重度和不可探測度三者都是根據(jù)專家組的知識和經(jīng)驗(yàn)判定而來,在一段時(shí)間內(nèi)相對固定。當(dāng)工藝過程發(fā)生變化時(shí),需要對受到影響的失效模式進(jìn)行重新評估和判定,并對S、O、D 的取值進(jìn)行手動(dòng)更新,然后才能獲得新的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù),從而刷新對工藝過程中存在的各種失效風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知。這意味著對風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的更新需要專家群體的共同參與,當(dāng)工藝過程本身變化較快或現(xiàn)場人員對工藝過程變化反映較慢時(shí),經(jīng)典的PFMEA 方法就無法客觀反映工序的風(fēng)險(xiǎn)狀況,而這正是在生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用PFMEA 時(shí)常常發(fā)生的一種現(xiàn)象。
為使用PFMEA 方法對卷包車間中工藝過程變化較快的卷接包裝環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo),對發(fā)生度、嚴(yán)重度和不可探測度的賦值方法進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化,思路如下。
首先,對發(fā)生度O 而言,將其定義為失效模式(如空頭、過重過輕、缺支)等情況的發(fā)生概率。而卷包機(jī)組具有將這些概率實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄的能力(記錄為剔除率),從而使發(fā)生度可以由失效模式所對應(yīng)的剔除率實(shí)時(shí)更新。
同時(shí),對于嚴(yán)重度S 的判定,基于煙草行業(yè)的特點(diǎn),應(yīng)從以下幾個(gè)方面對失效的后果進(jìn)行評估:1)是否會(huì)引起消費(fèi)者投訴;2)是否符合行業(yè)與內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求;3)是否會(huì)造成不期望的生產(chǎn)過程質(zhì)量成本增加;而以上三者隨時(shí)間變化較慢,所以在一段時(shí)間內(nèi)可以使用定值,按需由專家組進(jìn)行評估更新。
最后,不可探測度D 的賦值主要受卷包設(shè)備上識別缺陷的傳感器所影響。例如機(jī)器視覺設(shè)備、微波探測設(shè)備、光電開關(guān)等。所以不可探測度的賦值在設(shè)備的配置和性能沒有明顯變化時(shí),無需頻繁變更,所以也可以在一段時(shí)間內(nèi)使用定值,按需由專家組進(jìn)行評估更新。
在卷接和包裝過程中會(huì)出現(xiàn)如煙支過輕、煙支過重、軟點(diǎn)、硬點(diǎn)、煙支缺嘴、空頭、模盒缺支、小盒外觀缺陷等諸多質(zhì)量缺陷,卷接機(jī)和包裝機(jī)會(huì)自動(dòng)識別存在質(zhì)量缺陷的煙支或煙包,對其進(jìn)行剔除并記錄剔除的數(shù)目。包含所有質(zhì)量缺陷剔除信息的卷包工序生產(chǎn)流程如圖1 所示。
根據(jù)圖1 所示卷包工序生產(chǎn)流程,整理出卷包機(jī)組的失效模式共17 個(gè),分別為:過輕過重、軟點(diǎn)硬點(diǎn)、輕煙端、煙支缺嘴、卷接空頭、煙支漏氣、包裝空頭、模盒缺支、模盒反支、殘壞錫包、殘壞小盒、小盒外觀、小盒拉線、小透散包、條缺盒、條盒拉線、條透外觀。
繪制生產(chǎn)流程中各個(gè)工序的功能和要求,是PFMEA 分析失效模式、失效原因和失效影響的工作基礎(chǔ)。對圖1 所示卷包工序生產(chǎn)流程各個(gè)工序的輸入和輸出進(jìn)行梳理,繪制出卷包工藝流程見表1。
表1 卷包工藝流程表Tab. 1 Process sheet for cigarette rolling and packing
圖1 卷包工序生產(chǎn)流程圖Fig. 1 Process flow chart of cigarette rolling and packing
為了更好的分析工序發(fā)生失效后的影響,需要清楚工藝流程中每一道工序與煙支特性之間的關(guān)系,因此繪制出工藝&特性相關(guān)性矩陣,見表2。
結(jié)合表1 和表2,即可得到各個(gè)失效模式的相關(guān)工序,并根據(jù)工序的輸入和輸出制定有效的改進(jìn)措施,從而降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
表2 工藝&特性相關(guān)性矩陣Tab. 2 Process and characteristic matrix
經(jīng)典的PFMEA 發(fā)生度表示各個(gè)失效模式發(fā)生的可能性,當(dāng)PFMEA 評估完成時(shí),各個(gè)失效模式的發(fā)生度就固定了,不會(huì)跟隨生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化。而在卷包生產(chǎn)過程中,當(dāng)某一失效模式發(fā)生時(shí),機(jī)組會(huì)實(shí)時(shí)識別缺陷煙支并予以剔除。因此,可以使用最近一段時(shí)間內(nèi)缺陷煙支與好煙產(chǎn)量的比例來實(shí)時(shí)計(jì)算失效模式發(fā)生的概率,從而實(shí)時(shí)更新該失效模式的發(fā)生度。
2.2.1 實(shí)時(shí)剔除率的計(jì)算
實(shí)時(shí)剔除率的計(jì)算需使用過去t 分鐘作為采樣時(shí)長,使用這期間的剔除數(shù)量除以產(chǎn)品總數(shù)來計(jì)算實(shí)時(shí)剔除率,公式如下:
式中,X 為實(shí)時(shí)剔除率,n 為不合格產(chǎn)品剔除數(shù),N 是產(chǎn)品總數(shù)。
由于剔除不是時(shí)刻發(fā)生的,并且各時(shí)間段內(nèi)的剔除數(shù)差異較大,所以選擇不同的采樣時(shí)長計(jì)算出的剔除率差異很大。為了分析采樣時(shí)長對剔除率計(jì)算的影響,本文使用卷包機(jī)組生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),選取多種不同的采樣時(shí)長來分別計(jì)算過輕剔除率。其中,使用60 s、300 s、600 s、900 s 作為采樣時(shí)長計(jì)算的實(shí)時(shí)剔除率的結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出,隨著選取的采樣時(shí)長選由小變大,計(jì)算出的剔除率曲線變得越來越平滑,短期波動(dòng)逐漸變小,長期趨勢得以顯現(xiàn)。
圖2 選取不同采樣時(shí)長計(jì)算出的過輕剔除率趨勢圖Fig. 2 Trend chart of cigarette underweight elimination rate calculated based on different sampling time intervals
具體分析從6000 秒時(shí)刻開始半小時(shí)內(nèi)過輕剔除率變動(dòng)趨勢,如圖3 所示。對比60 s 采樣時(shí)長和600 s采樣時(shí)長,可以看出,采樣時(shí)長較短時(shí)實(shí)時(shí)剔除率波動(dòng)劇烈,有利于判斷短期內(nèi)剔除率的上升和下降,但難以從大局上直觀地看出剔除率的長期變動(dòng)趨勢;采樣時(shí)長較長時(shí),適合觀察剔除率整體變化趨勢。為方便卷包機(jī)臺操作工和車間管理人員觀察過去一段時(shí)間廢品剔除的狀態(tài)及趨勢,選取采樣時(shí)長600 s 來計(jì)算發(fā)生度,而在其他項(xiàng)目中可以視具體應(yīng)用靈活調(diào)整采樣時(shí)長。
圖3 不同采樣時(shí)長下的剔除率計(jì)算結(jié)果對比Fig. 3 Comparison of elimination rate under different sampling time intervals
2.2.2 實(shí)時(shí)剔除率與發(fā)生度的對應(yīng)關(guān)系
為將剔除率(百分比)轉(zhuǎn)換為發(fā)生度(1 到10之間的整數(shù)),制定如下規(guī)則:
1)如果實(shí)際觀測到的剔除率X 高于或等于Xmax,則發(fā)生度等于10;
2)如果觀測到的剔除率X 小于Xmax,則將其根據(jù)線性規(guī)則轉(zhuǎn)換為1 到10 之間的發(fā)生度整數(shù)值。
規(guī)則可寫成如下公式的形式:
式中X 為計(jì)算出的實(shí)時(shí)剔除率,Xmax為某失效模式發(fā)生度為10 時(shí)的剔除率。
根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和專家知識定義卷包機(jī)組各個(gè)失效模式發(fā)生度為10 時(shí)的剔除率Xmax。在分析了機(jī)組的歷史剔除數(shù)據(jù)后,暫時(shí)將各失效模式的Xmax值統(tǒng)一設(shè)置為1.0%,從而得到發(fā)生度O 的評分準(zhǔn)則,如表3所示。
2.2.3 設(shè)備運(yùn)行工況判定
卷包設(shè)備生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)啟動(dòng)、停機(jī)和調(diào)試的情況,這些工況下剔除多、產(chǎn)量低,會(huì)造成異常高的實(shí)時(shí)剔除率以及RPN 值。因此需對設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行判定,只在穩(wěn)態(tài)工況時(shí)計(jì)算各失效模式的實(shí)時(shí)剔除率,以保證PFMEA 方法的準(zhǔn)確性。
為了驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)工況判定的必要性,現(xiàn)使用包裝機(jī)的第三輪煙包剔除數(shù)據(jù)比較進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判定和不進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判定所計(jì)算出的剔除率曲線的區(qū)別,如圖4,圖5 所示。
表3 發(fā)生度O 評分準(zhǔn)則Tab. 3 Occurrence degree O scoring criteria
圖4 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判定與不進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判定下的剔除率對比Fig. 4 Comparison of rejection rate between steady state and unsteady state
圖5 計(jì)算剔除率所用的產(chǎn)量和剔除數(shù)Fig. 5 Rejection number and yield used to calculate rejection rate
圖4 中的紅線代表“全局模式”,意味著在所有時(shí)刻都計(jì)算剔除率,藍(lán)線則代表“純穩(wěn)態(tài)模式”,意味著只有在穩(wěn)態(tài)時(shí)才計(jì)算剔除率。圖5 可以看出,在紅圈所示區(qū)域,設(shè)備持續(xù)剔除煙包,但產(chǎn)量增速很低,處于非穩(wěn)態(tài)階段。此時(shí)計(jì)算出的剔除率會(huì)變得異常之高,以至于與其他穩(wěn)態(tài)時(shí)的剔除率不具有可比性。而如果進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判定,在機(jī)器停機(jī)時(shí)就會(huì)維持之前計(jì)算出的剔除率,不會(huì)計(jì)算出超高的剔除率。
設(shè)備是否處于穩(wěn)態(tài)工況與設(shè)備的當(dāng)前車速和連續(xù)運(yùn)行時(shí)間顯著相關(guān),本文采集了多個(gè)班次卷接機(jī)、包裝主機(jī)、包裝輔機(jī)生產(chǎn)過程的車速和運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確判定設(shè)備的運(yùn)行工況,需對車速的波動(dòng)率進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為:
式中a 為車速波動(dòng)率,t 為計(jì)算車速變化率所用的時(shí)間長度,Vmax為時(shí)間長度t 內(nèi)車速的最大值,Vmin為時(shí)間長度t 內(nèi)車速的最小值。
采用k-means 聚類算法,將各設(shè)備的車速、車速波動(dòng)率和連續(xù)運(yùn)行時(shí)間作為輸入,訓(xùn)練聚類模型,聚類模型訓(xùn)練完成后即可用于判定設(shè)備運(yùn)行工況:將設(shè)備當(dāng)前時(shí)刻的車速、車速波動(dòng)率和運(yùn)行時(shí)間作為輸入,代入聚類模型,模型輸出設(shè)備當(dāng)前時(shí)刻是否處于穩(wěn)態(tài)工況作為計(jì)算結(jié)果。
根據(jù)項(xiàng)目組成員多年煙草行業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),質(zhì)量缺陷項(xiàng)目的嚴(yán)重度S 評價(jià),可以從消費(fèi)者關(guān)注程度T、《卷煙》國標(biāo)賦分大小B、質(zhì)量成本損失C 等三個(gè)因素進(jìn)行綜合評價(jià)。為計(jì)算嚴(yán)重度,首先對T、B、C進(jìn)行專家評分,評分準(zhǔn)則如表4 所示。
根據(jù)表4 所示的評分準(zhǔn)則對各失效模式的T、B、C 進(jìn)行評分后,計(jì)算嚴(yán)重度系數(shù)SC。嚴(yán)重度系數(shù)SC的計(jì)算需結(jié)合行業(yè)質(zhì)量管控特點(diǎn)和專家經(jīng)驗(yàn),相較于消費(fèi)者投訴T 和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)B,生產(chǎn)過程質(zhì)量成本C 對嚴(yán)重度的影響權(quán)重相對較小,故采用T與B 相乘,再與C 相加的形式計(jì)算嚴(yán)重度系數(shù)SC,該方案得到了行業(yè)質(zhì)量管理專家的認(rèn)可,其計(jì)算公式如下:
由式(5)可知嚴(yán)重度系數(shù)SC 的打分最高值為64,最低值為2,為了使嚴(yán)重度S 的范圍調(diào)整為[1,10],將嚴(yán)重度系數(shù)從1 開始,每7 分一個(gè)等級,即1~7 為1 分,8~14 為2 分,以此類推,高于63 為10 分。嚴(yán)重度系數(shù)SC 與嚴(yán)重度S 的轉(zhuǎn)化可由下式表示:
由此可得失效模式的嚴(yán)重度S。
表4 嚴(yán)重度S 的判定Tab. 4 Evaluation of severity score S
由于卷包機(jī)組設(shè)計(jì)了較為完善的監(jiān)測手段,在權(quán)衡考慮之下,本文將不采用標(biāo)準(zhǔn)PFMEA 方法中的10級準(zhǔn)則(即1 分~10 分),而是酌情考慮降低不可探測度D 的權(quán)重,將D 的分值范圍設(shè)置為1 分到4 分四個(gè)等級。具體的做法是,將不可探測度D 的影響因素歸為兩部分:本工序檢出率和后工序檢出率,檢出率越低,則評分越高。不可探測度D 的評分準(zhǔn)則見表5。
表5 不可探測度D 評分準(zhǔn)則Tab. 5 Evaluation of detection score D
綜合使用上述PFMEA 分析方法,根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評分準(zhǔn)則對卷包機(jī)組存在的17 個(gè)失效模式評分,各失效模式嚴(yán)重度S 和不可探測度D 的評分見表6。
在卷包生產(chǎn)過程中,各失效模式的剔除率隨時(shí)間變化,發(fā)生度O 也隨之變化。使用實(shí)時(shí)的發(fā)生度O,乘以表6 所示各失效模式的嚴(yán)重度S 和不可探測度D的評分,得到實(shí)時(shí)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN,RPN 的大小表示該失效模式的風(fēng)險(xiǎn)高低。取卷包機(jī)組某時(shí)刻各個(gè)失效模式的剔除率數(shù)據(jù),計(jì)算發(fā)生度O,完成PFMEA 分析,見表7。
為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的分級管控,根據(jù)RPN 值的大小將其分為4 個(gè)級別,對應(yīng)4 個(gè)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)級別,考慮到車間內(nèi)各失效模式的實(shí)際剔除情況以及質(zhì)量管控的要求,制定合理的分級標(biāo)準(zhǔn),如表8 所示。操作人員通過觀察各失效模式的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)級別,掌握機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài),針對質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)級別為中或高的失效模式,可及時(shí)做出調(diào)整,從而降低剔除率。由表7 可知,該時(shí)刻機(jī)組卷接空頭的RPN 值為192,遠(yuǎn)高于其它失效模式,此時(shí)操作人員需采取相應(yīng)措施以降低卷接空頭的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
表6 S-D 評分表Tab. 6 Evaluation results of severity score and detection score
表7 某時(shí)刻卷包機(jī)組失效模式PFMEA 分析結(jié)果Tab. 7 PFMEA analysis results of failure mode of cigarette rolling package unit at a certain time
表8 RPN 分級標(biāo)準(zhǔn)Tab. 8 RPN classification standard
完成質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)評價(jià)后,即可快速感知各個(gè)失效模式的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。為了能夠在某個(gè)或多個(gè)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)超出正常范圍時(shí),快速尋找質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的原因并制定解決辦法,項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了基于案例推理(Case-Based Reasoning,CBR)的專家系統(tǒng)。基于CBR 的專家系統(tǒng)收集卷包機(jī)組已發(fā)生過的所有質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)事件,記錄相應(yīng)的維修方案及維修結(jié)果,通過案例表示、案例檢索、案例重用和修正、案例庫維護(hù)與更新等步驟,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的閉環(huán)改進(jìn)。
本研究對經(jīng)典的PFEMA 方法進(jìn)行了改進(jìn),并將其應(yīng)用于卷包機(jī)組質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)評價(jià)。首先識別卷包過程各質(zhì)量失效模式并對嚴(yán)重度和不可探測度進(jìn)行評分,而后設(shè)計(jì)發(fā)生度的計(jì)算邏輯和機(jī)組工況的判定標(biāo)準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)評價(jià)并促進(jìn)質(zhì)量車間問題的閉環(huán)改進(jìn)。項(xiàng)目實(shí)施后,卷包過程中的質(zhì)量有明顯提升,按照企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)評價(jià),細(xì)支煙卷包綜合質(zhì)量得分由95.2 分上升到96.7 分,上升1.5 分。單箱卷煙生產(chǎn)的廢品量由0.41 kg 下降到0.23 kg,下降率為44%;物料消耗取得了明顯降低,單箱卷煙煙葉消耗從21.34 kg 下降到20.04 kg,單箱卷煙紙消耗下降18 m,單箱嘴棒消耗減少64 支。有效提升了卷包機(jī)組的異常處理效率,降低了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和成本,為卷煙生產(chǎn)乃至生產(chǎn)制造行業(yè)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管控提供了行之有效的新思路。