监控和量化自动化生产设备性能的系统和方法

专利名称：监控和量化自动化生产设备性能的系统和方法
技术领域：
本发明总的涉及监控生产设备性能的领域。具体来讲，本发明涉及一种用于监控 和管理自动化生产设备性能的系统和方法。
背景技术：
在自动化生产设备中，设备的最优操作取决于以各自期望的生产速度对部件或工 件进行处理的单个生产单元或位置(生产单元或工位)。不以期望的生产速度运转的工位 通常会约束产品流，并影响整个生产工艺的整体生产能力。通常认为设备的生产能力由它 的约束，即，对设备的生产或工作流程产生相对最大扰乱的工位来限制。如果不能确定自动 化生产设备中的约束，可能会制约做出连续改善的努力。不过，确定约束的位置可不是一件容易的事情。在具有连续的生产线的设备中尤 其如此。众所周知，自动化生产设备通常由大量的顺序生产线或处理线所组成。每个顺序生 产线由几个以顺序方式链接的自动化工位所组成。在生产线上，随着工件顺序地从一个工 位移动到下一个工位，每个自动化工位以固定的速度对工件进行处理。在顺序生产线上，任 何一个工位上的减速通常会导致从源向上游和下游传播的波纹效应。减速可能是由多种不 同原因造成的。“慢周期”或由于工位以比期望的速度低的速度运行所导致的损耗可以是一 种对生产线的减速起作用的因素。这还可以是质量缺陷，质量缺陷导致处理的工件被丢弃， 从而在工作流程中产生间隙。当然，在每个工位总是会有停机损耗，这不但影响被讨论的工 位的性能，还在下游产生了空闲状态以及在上游产生了堵塞状态。因此，这些瓶颈和质量问 题会波及到顺序生产线，而且它们会掩盖约束的源头。例如，工位可以处于空闲状态，好像 导致了性能问题，但这只是因为由于上游或下游的问题而使它处于空闲或堵塞状态。通常 在工位或生产线之间提供了缓冲区，来使工作流程处于同一水平，以实现连续的处理或生 产。缓冲可能进一步掩盖了这些约束的真正源头。度量通常被用来测量生产设备的生产率以及测量对工位或生产环境进行改变的 效率。解决生产环境中的性能或生产率改善问题的通常方法通常不采用确定约束的方法。 相反，这些方法集中于采集不同的数据组合，例如机器故障、整体装置效率(OEE)、空闲时间 和废品率。提供了工厂整体性能指标的这些度量通常不能针对问题源自何处提供令人满意 的指导，也无法提供对需要正确测量的特定工位进行定位的辅助管理。为了调和这个难题，采集越来越多的数据，尝试改善被选量度的预测能力。这种信 息是从生产设备中的所有工位采集的。不幸的是，通常用户需要解释这数量不断增大的数 据，来尝试确定哪里存在生产工艺中的约束。由于数据的复杂性和信息的并发性，这通常很 困难。另外，还存在通常与采集和解释大量数据相关的缺点，这在采集比必要数据更多的数 据时才会恶化。实施需要大量数据的解决方案势必很耗时而且很昂贵。所采用的任何解决 方案还需要正确地反映所采集的数据的实质。这需要额外的时间和精力来理解所有的数据 以及所采集的数据类型之间的相互关系，这是很重要的工作。从而，希望只采集最小量的必 须数据，这些数据仍然可以正确地确定约束。
5
从而，需要一种用于采集最小量的数据(即，只有那些与正确地确定限制生产能 力的约束相关的数据)和对采集的数据进行处理来确定这些约束，以及用于提供约束所在 位置的简明清楚视图的系统和方法。本发明的目的是减轻或排除上述不利因素中的至少一 个。

发明内容
本发明涉及一种用于确定和量化自动化生产或处理设备中的约束的系统和方法。 该设备具有大量的自动化工位。数据处理系统连续地从该设备中的自动化装置接收基本事 件和状态信号，并对这些信号进行评估和处理，来在这个过程中导出每个给定生产工位的 生产能力测量(约束的测量)。通过人工输入的与工位性能相关的信息，可以进一步地增强 信号的自动化采集。生产能力测量被表示为理想周期时间与累加时间的比值，该累加时间 包括工位上的任何延迟或过周期(overcycle)，但排除了工位上的任何加速。如果工位以比 理想周期时间短的时间对工件进行处理，它经历了加速。对所有工位的生产能力测量进行 分析，来确定设备中的约束。在一个实施例中，约束被确定为具有最低生产能力的工位。优选地，以图形方式向 用户呈现所有工位的生产能力测量。这向用户清楚地显示了生产流程中的约束，表示了通 过该设备的物流。可以提供其他的深入了解，以得到关于约束和产能损失的更详细的信息， 并且可以输入关于约束的信息，例如，停机或减速。在一个实施例中，通过生产能力和平衡图向用户呈现了生产能力测量。用图上的 图标表示每个工位。在每个图标中示出的是计算出的生产能力测量以及可选的由于每个被 监控类别(诸如空闲状态或堵塞状态)而导致的产能损失的百分比。每个图标是用颜色表 示的，其中，用唯一可识别的颜色显示约束。将每个图标提供为可激活的，用于请求和提供 进一步的信息。例如，采用计算机指示装置点击图标，产生与所呈现工位的性能相关的其他 细节，或允许输入其他信息。在本发明的第一方面，提供了一种用于量化和确定自动化生产设备中的约束的系 统，该自动化生产设备具有多个用于对工件进行自动化处理的自动化工位。该系统包括多 个信号转换器，该多个信号转换器中的每一个连续地接收在各个自动化工位上采集的事件 和状态信号，并将这些事件和状态信号转换为时间和计数数据，这些时间和计数数据包括 各个自动化工位在处理工件的每个处理周期中所消耗的过周期时间以及工件计数；数据建 模引擎与多个信号转换器进行通信；每个信号转换器包括计算单元，该计算单元在各个工 位上完成每个处理周期时计算各个自动化工位的生产能力测量，根据期望的处理时间和在 累加时段上累加的累加过周期处理时间，计算生产能力测量；以及，数据建模引擎从多个信 号转换器接收生产能力测量，并将约束确定为生产能力测量符合了预先选定标准的工位， 其中，过周期时间是从每个处理周期的周期时间与理想周期时间之间的差中导出的一个非 负的量，该过周期时间排除了各个工位在每个处理周期中的空闲状态和堵塞状态所消耗的 时间，其中，分别根据累加时段上的理想周期时间和过周期处理时间，累加期望的处理时间 和累加的过周期时间，以及其中，过周期处理时间是过周期时间和理想周期时间的和。在本发明的这个方面的一个特征中，该系统还包括历史数据数据库和队列管理 器，该队列管理器安排了转换的时间和计数数据在历史数据数据库中的存储。
在本发明的这个方面的另一个特征中，该系统还包括图形用户界面，用于向用户 显示工位的生产能力测量的图形表示，该图形表示包括工位图标，每个工位图标对应于一 个工位，并示出了生产能力测量的数字值。在本发明的这个方面的又一个特征中，该图形表 示包括一个或多个邻近这些工位图标的每一个工位定位的状态图标，该一个或多个状态图 标每一个均示出了每个工位在所表示的状态上消耗的时间百分比。在第二方面，提供了用于量化和确定自动化生产设备中的约束的系统，该自动化 生产设备具有顺序链接的用于对工件进行自动化处理的自动化工位。该系统包括多个信号 转换器、数据累加器、历史数据数据库以及数据建模引擎，该多个信号转换器中的每一个连 续地接收在各个自动化工位上采集的空闲信号、堵塞信号和EOC信号，并将空闲信号、堵塞 信号和EOC信号转换为时间和计数数据，该时间和计数数据包括各个自动化工位在每个处 理周期中对工件进行处理所消耗的测量周期时间、各个自动化工位在每个处理周期中消耗 的过周期时间、以及工件计数；该数据累加器用于累加从每个信号转换器接收到的时间和 计数数据，该累加的时间和计数数据包括累加时段上的累加过周期时间、累加理想处理时 间以及总工件计数；该历史数据数据库用于存储时间和计数数据以及累加的时间和计数数 据；该数据建模引擎与多个信号转换器以及历史数据数据库进行通信；每个信号转换器包 括计算单元，该计算单元在各个工位的每个处理周期完成时计算各个自动化工位的生产能 力测量，该生产能力测量是根据累加的理想处理时间与累加的过周期处理时间的比值；以 及，该数据建模引擎从多个信号转换器接收生产能力测量，并将具有最小生产能力测量的 工位确定为约束，其中，过周期时间是从测得的周期时间与理想周期时间之间的差导出的 非负的量，其中，累加的理想处理时间是理想周期时间与总工件计数的乘积，以及其中，累 加的过周期处理时间是累加的理想处理时间和累加的过周期时间的和。在本发明的另一个方面，提供了监控和管理自动化处理设备性能的方法。该方法 包括下列步骤连续地接收从自动化处理设备上的多个工位自动采集的状态和事件信号；将这些 状态和事件信号转换为时间和计数数据，每个工位的时间和计数数据包括至少一个过周期 时间，该过周期时间是根据测得的周期时间与理想的周期时间之间的差导出的一个非负的 量；在一个累加时段上对这些工位累加这些时间和计数数据，累加的时间和计数数据至少 包括每个工位在累加时段上处理的总工件计数以及根据过周期时间累加的累加过周期时 间；在每个工位完成对工件的处理时，连续地计算每个工位的生产能力测量，根据工件总 量、累加的过周期时间和理想周期时间计算该生产能力测量；以及根据这些工位的生产能 力测量，确定自动化生产设备中的约束，该约束是具有最小生产能力测量的工位。在本发明的这个方面的一个特征中，每个工位的时间和计数数据包括每个工位在 空闲状态消耗的第一时间量和每个工位在堵塞状态消耗的第二时间量，该方法还包括在每 个工位相关的图标上显示生产能力测量、从第一时间量导出的信息以及从第二时间量导出 的信息的步骤。在其他的特征中，该方法还包括根据所述生产能力测量的数字值用颜色标 示与所述每个工位相关的图标的步骤。在本发明的其他方面中，提供了上述上面的各种组合和子集。


为了说明的目的(但不是限制性的)，参照附图对本发明的上述方面和其他方面 进行了详细的解释，其中图1示意地使出了一种自动化处理设备，该自动化处理设备与根据本发明实施例 的计算机实施的性能管理系统交互，并被该计算机实施的性能管理系统监控；图2是示出了用于确定和量化图1所示的自动化处理设备中的约束的性能管理系 统的框图；图3A示意地示出了工位周期和周期结束信号、堵塞信号和空闲信号的产生；图3B沿时间轴示出了与各种状态和时间信号相关的时间标记以及这些信号到基 本时间和计数数据的转换；图4沿时间轴示意地示出了在工位处的损耗种类；图5是示出了用于确定和量化自动化处理设备中的约束的工艺步骤的流程图；图5B沿时间轴描绘了与各种状态和时间信号相关的时间标记，来示出这些信号 到时间和计数数据的转换以及转换后的时间和计数数据的累加；图6是图示了两个连续生产线上的工位的生产能力测量的视图；图7示出了生产能力和平衡图，用于图示多个以连续方式和并行方式链接的生产 线的生产能力测量和其他性能指标；图8是示出了与不同种类的损耗相关的详细信息的示范性屏幕显示；图9是示出了涉及0EE的详细信息的另一个示范性屏幕显示；图10是用户人工输入信息的示范性屏幕显示，其提供了与工位上的质量损耗的 原因相关的信息；以及图11是示出了给定监控周期上的质量损耗统计的示范性屏幕显示。
具体实施例方式通过说明本发明的原理的一些特定实施例的一个或一些示例，提供了下文的说明 和其中说明的实施例。提供这些示例是为了解释的目的，在说明书和附图中用各自相同的 参考标号来标示类似的部件。本发明涉及用于确定和量化自动化生产或处理设备中的约束的系统和方法。该设 备具有多个自动化工位。在一个实施例中，该系统采用自动地从每个工位采集到的事件和状 态信号，对这些信号进行处理，以导出每个工位的生产能力测量。通过提供允许用户人工输入 涉及工位性能的信息的输入装置，进一步增强了信号的自动采集。该系统不采集大量信号，而 采集少量的核心事件和状态信号(在一个实施例中为三个)，将这些信号与它们的时间数据 关联，来导出生产能力测量。提供了一种数据建模引擎，用于分析所有工位的生产能力测量， 来确定设备中的约束。包括该设备中的所有被监控的工位的生产能力测量的生产能力度量被 图示给用户，以提供对约束的清楚指示。还对结果进行分析，来提供关于性能损耗的统计或性 能损耗的原因，使得对用户提供关于应当在什么地方进行何种类型的改进的指导。图1示意地示出了自动化处理设备100。该自动化处理设备可以是任何生产设备、 处理设备或测试设备、或任何包括多个自动化或可被自动化的处理单元的设备。例如，该设 备可以是汽车自动化生产线、半导体自动化生产设备或包括多个饮料的自动化灌装生产线的灌装设备。该设备100具有多个本质上是工位、工作单元或工艺位置的自动装置102。装 置102是一个能够独立于其他装置独立运行的装置。装置102通常可以对应于一台机器、 一组机器或者甚至机器的部件。这些自动化装置通常被组织成连续的生产线或处理线，例 如，生产线A(104)、生产线B(106)和生产线C(108)。每个连续的生产或处理线104、406、108具有线入口点110和线出口点112。在线 的入口点和线的出口点之间顺序地链接了几个自动化装置102。工件114在生产线的入口 点110进入生产线。在每个工位对工件进行处理，工件可以是在汽车自动化组装线上部分 组装了的汽车、在灌装设备中的空瓶或半导体生产设备中的半导体晶片以及其他。在自动 化测试设备中，工件可以是要经过一系列自动化测试的成品，或者是在每个自动数据采集 和分析工位上分析的样本。在生产线的每个装置102处对该工件顺序地进行处理，直到它 到达了生产线的出口点112。可以在线的入口点或出口点提供缓冲区114。在连续生产中，生产线处理的工件只 有一个流程可以选择，也就是顺序链接的装置所定义的路径。在这种顺序生产线中，工件必 须去的下一个工位是固定的。不过，取决于在每个工位已经完成的单个处理，工件从一个工 位移动到另一个工位的时序不是固定的。由于这种独立的时序，在每个生产线的入口点或 出口点提供的缓冲区114有助于保持生产线之间的工作流程的一致水平。优选地，还可以 在工位之间提供缓冲区，有助于进一步使工作流程相同，使得可以实现连续的处理或生产。 缓冲区经常提供一些关于工位是否已经以设计的生产或处理速度工作的指示。生产线出口点112可以被链接至另一个生产线的入口点110，来进一步处理已经 部分处理过的工件。在迭代处理中，生产线的出口点可以被链接回它自己的入口点，来在工 件被移交给下一条生产线以做其他处理之前对工件进行多次处理。其他的结构也是可行 的。图1示出了一种示范性结构，其中，生产线A(104)和生产线(C)的出口点被链接至生 产线B(106)的入口点。生产线A处理的第一工件116和生产线C处理的第二工件118被 生产线B进一步处理，来在生产线B的出口点生产组合产品120。每个自动化装置102可以具有可编程逻辑控制器122 (PLC)或安装在其上的类似 控制装置。PLC是负责以预定的方式操作装置102的计算机硬件的部件。通常，它包括传感 器或具有用于从检测状态和触发事件或测量监控条件的传感器接收输入的接口。PLC包括 一个或多个存储器寄存器，来从它相关的装置102采集数据。PLC 122的内部逻辑用关于装 置102的监控状态的数据填入它的存储器寄存器。每个存储器寄存器存储与装置102的单 个监控状态相关的数据。例如，一个存储器寄存器中的值追踪装置102的空闲状况，而另一 个存储器寄存器中的值追踪该装置的堵塞状况。可以用多个逻辑条件或使PLC响应于变化 的输入并相应地操作该装置的“梯形图”对PLC进行编程。PLC执行的一些功能包括质量监 控(例如，保证部件被正确加载)、工艺监控(例如，确保在可接受的指标内完成给定的工 艺，例如，铆压压力、钻进深度等)、安全监控(例如，监控安全门、光幕、紧急制动按钮等)。 虽然图1所示的PLC 122通过数据链路连接至装置102，但应当理解的是，PLC 122可以与 装置102 —体，提供存储器寄存器和采集存储在其中的数据的装置之间的直接连接。诸如有线或无线数据链接之类的通信链路124将所有的PLC连接在一起，来形成 监控网络126。信号由PLC连续采集，还被通过监控网络发送到计算机128或几个计算机， 在这些计算机上执行本质上是软件系统130的数据处理系统。任何合适的数据传输协议可以被用来传输采集的信号。为用户提供了一个或几个诸如计算机监视器和键盘或触摸屏之 类的显示和输入装置132，并将其连接至软件系统130，来显示被监控的装置102的显示状 态，并输入与这些装置相关的任何信息。将在下文详细说明的是，该软件系统130处理PLC 122采集的信号数据，并根据本文说明的方法计算每个装置102的生产能力测量。优选地， 以图形方式向用户呈现该生产能力测量。该软件系统130还可以方便地提供用户接口，例 如，显示在计算机监视器132上的图形用户接口，用于接受与任何一个装置102相关的输 入。图2是示出了根据本发明的一个实施例与PLC交互的软件系统130。软件系统130 包括多个本质上是RTLE 204 (real-time logicengine，实时逻辑引擎)的信号转换器202、 数据累加器206以及数据建模引擎208。该数据建模引擎208包括历史数据数据库210或 是与历史数据数据库210交互的、报告模块212、视觉表示模块214以及人工数据输入工具 216，历史数据数据库210可以是独立的，也可以作为软件系统130的一部分。可选地，在PLC 122和信号转换器202之间提供了工艺控制OLE (OLE for Process Control)服务器218。 优选在数据累加器206和数据建模引擎208之间提供队列管理器220。软件系统130连续地从PLC 122的采集中接收数据输入，每个PLC安装在每个工 厂的工位102上。箭头222表示原始信号数据流，该原始信号数据流从每个工位的传感器 传送到PLC 122、被0PC服务器218预处理或格式化、被RTLE 204和数据累加器206处理、 可能在队列管理器220处被缓存、并被队列管理器220写入历史数据数据库210，所得数据 被数据建模引擎208操作和分析。在每个工位102，PLC 122与工位进行交互，以连续地从工位采集事件和状态信 号。参照图3A，PLC被编程来采集三个状态事件信号的最小组空闲位302、堵塞位304和 E0C(end of cycle，周期结束)位306。空闲位302被用来指示“空闲”状态，S卩，何时工位 空闲并等待下一个工件到来。这是在工位已经完成上一个完成的周期的卸载(即，已经将 它完成的部件传递到下一个工位)，但在给定的延迟之后并没有在这个工位上出现新的部 件，或者新的工件在上一个工位没有完成的时刻。例如，当入口点的缓冲区(“入口缓冲”) 和工位都为空时会出现这种状况，这是由于上游工位的减速造成的。或者，也可能由于原料 使得工位无法完成其处理周期而使工位处于空闲状态。当工位已经完成了一个周期，而下 游工位无法接收这个完成的部件时，堵塞位304出现。例如，在由于在下游工位上出现了减 速，下游工位没有准备好来接收更多的部件时，会出现这种情况。可以对E0C位306进行编 程，使之出现在每个周期的同一点。通常，它被用来指示“周期完成”或“周期结束”状况。例 如，每当工位完成了对工件的处理，打开E0C位306。便利地，E0C位对短周期(例如3秒) 保持开的状态来保证它被RTLE或0PC服务器检测到。只要E0C位在足够长的时间内保持 开的状态，以保证它可以被检测到，就可以采用任何取决于巡检速度或其他这种参数的其 他合适的周期(例如，从1秒到3秒)。还可以采集诸如错误状态、质量损耗、与产品或生产工艺相关的识别符之类的其 他信号。采集其他的信号可以增加系统可以报告的信息量。例如，通过向PLC的存储器寄存 器(未示出)添加质量位，PLC可以采集“质量”信号。质量位与“E0C”信号一起出现。如 果在一个周期的结束，“质量”信号为“0N”，那么，对弃用件或抛弃件进行计数。PLC还可以 采集一个或几个识别符信号。这种识别符可以包括产品代码、产品型号、部件类型、处理批次类型、选件内容等，或任何类型的期望识别符。例如，可以采集“型号ID”信号。型号ID 表示当前运行的型号，通常是作为用于识别产品线配置或被处理的工件的字母数字值而给 出的。系统可以采用型号ID来调整或恢复基于型号的参数。下文将要说明的是，理想周期 时间的值随型号变化，可以基于型号ID的值来方便地调整或回复理想周期时间。报告和视 觉表示还可以采用“型号ID”作为一种过滤，允许采用型号对各种测量进行显示和分类。工位自身可以具有其他状态位，工位采用这些状态位来确定它处于周期中的哪个 阶段。PLC监控的一些通常条件包括“加载延迟”、“部件出现”、“部件完成”和“卸载延迟”。 在很多情况下，工位在它释放一个完成的工件的时刻和它加载一个新的工件的时刻之间具 有固有的延迟。“加载延迟”表示工件被加载的给定延迟。“加载延迟”位308在加载过程中 打开，但由于这是正常周期的一部分，工位不处于堵塞状态或空闲状态。类似地，工位可以 在它卸载一个完成的工件时具有固有的延迟。“卸载延迟”位310在卸载过程中出现，在这 个位被关闭时，准备再次开始一个新的周期。在加载延迟之后打开“部件出现”位312。认 为已经加载了一个新的工件，新的处理周期开始。在处理周期的结束，打开“部件完成”位 314。在这个点可以打开E0C位306，并保持预定的周期(例如3秒)或任何其他的足够长 到让RTLE或0PC服务器检测到的周期(例如，1秒到3秒)。图3A示意地示出了通常的机器周期，该机器周期从“加载延迟”(步骤320)开始， 通过“部件出现”或处理周期的开始(步骤330)、“部件完成”或E0C (步骤340)、“卸载延 迟”(步骤350)，并再次回到“加载延迟”。实心或填充的圆或小长方形表示位打开，未填充 的圆或小长方形表示位关闭。参照图3B，图3A中所示的事件也被标记在时间轴316上。时 刻L表示周期的开始，此时，“加载延迟”位308首先被打开。在固有的延迟之后，“加载延 迟”位308在时刻1\被关闭。当工件位于工位时，打开“部件出现”位312。此时，工位开 始对工件进行处理。在工位在时刻T2完成了对工件的处理之后，打开“部件完成”位314。 时刻和时刻T2之间的持续时间通常被称为“P2PSA”时间，或部件到部件独立时间。下文 将详细说明的是，如果P2PSA时间比理想的周期时间(Takt时间)长，则认为工位过周期， 并采集P2PSA时间和Takt时间之间的时间差为单位过周期时间。E0C位306在时刻T2被 打开3秒，这提供了周期结束信号318或E0C信号。最后，“卸载延迟”位310在时刻T3被 打开，并在直到T4的固有卸载延迟的持续时间内保持开的状态。时刻T4还与下一个周期的 T0'重合。相邻周期中的E0C的开始时刻之间的时间通常被称为“P2P”时间，或部件到部件 时间。再次参照图3A。在上一个工件已经退出之后，现在工位在等待另一个工件进入。 在预计加载新的工件时打开“加载延迟”位。不过，在给定的时间延迟(可能为0)之后，工 位可能发现它没有新的工件(步骤360)，“部件出现”位312保持关的状态(步骤370)。当 出现这种情况时，工位将它的状态报告为“空闲”，空闲位302被打开。工位将保持在这种状 态，即，空闲位302保持开的状态，直到新的工件进入工位。类似地，在周期结束时，E0C位 306被打开，并保持3秒。如果在固有的卸载延迟之后，即，在“卸载延迟”位被清空之后，完 成的工件没有退出(步骤380)，仍然出现在工位上，工位将它的状态报告为“堵塞”，堵塞位 304被打开(步骤390)。堵塞位304会保持开的状态，直到工件退出工位，即直到“部件出 现”位312被清空。PLC采集的信号明确地或隐含地与时间信息相关。PLC可以被编程来利用时间信息，并对工位消耗在空闲状态或堵塞状态的时间量、工位在连续E0C信号之间消耗的时间 量进行累加，或每当接收到E0C信号时可以累加(即增大)总的单位计数，来对处理的工件 的总量进行跟踪。PLC还可以被编程来执行更复杂的计算。不过，虽然PLC是可编程的，并 不鼓励在已经运转的PLC中改变PLC逻辑来采集附加的信号或执行附加的计算，这是因为 这种改变很耗时，而且需要大量的“验证”来保证常规的操作不受到任何形式的影响。优选 地，将任何计算和累加留给信号转换器202，以改善性能和降低实施成本。在下文中会进一 步说明时间和计数数据的计算和累加。应当理解的是，尽管在本文中将PLC描述为用于采集信号的装置，这仅仅是因为 通常PLC已经被安装在自动化设备上来在每个工位采集信号。在大部分装置中，PLC可能 已经采集了系统所需要的最小必须信号。不要求一定采用PLC。作为对PLC的补充或替换， 可以采用能够采集软件系统130所采用的状态和事件信号的任何传感器。0PC服务器从PLC接收数据。0PC是用于在控制流程和它的功能性之间进行数据 通信的标准化协议。0PC服务器218对连接到其上的每个PLC 122的存储器寄存器中存储 的数据进行采集和格式化，并将标准化数据提供给信号转换器202或RTLE 204。通常，0PC 服务器218通过周期性地读取存储器寄存器来采集这种数据。0PC服务器218在它的内部 存储器以标准化方式将读取的数据和表示从哪个存储器寄存器和装置采集数据的源信息 存储在一起。以标准化方式向信号转换器202提供数据和源信息，允许它对采集的数据进 行适当的解释和处理。从而，0PC服务器218向数据信号转换器202提供了从PLC的存储器 寄存器请求和接收数据的标准化数据访问接口。对本领域技术人员而言，对存储在0PC服 务器218的内部存储器中的数据进行采集和格式化是已知的。可以配置PLC 122和/或0PC服务器218，使得特定存储器寄存器的值使0PC服 务器218将标准化的数据转发到信号转换器和数据采集器。这种数据采集被称为触发或主 动提出的数据采集。RTLE或数据累加可以对这样采集的数据进行进一步的分析和格式化， 以存储在数据库210中。这表示数据“推”模式。信号转换器还可以从0PC服务器218中 “拉”数据。这种请求通常被转发到0PC服务器218，0PC服务器218从它的内部存储器中 采集合适的数据，并再次以标准化形式将这些采集的数据返回信号转换器202。信号转换器 所进行的这种数据采集被称为非触发的或请求的数据采集。再次，信号转换器和数据采集 器对数据进一步分析和格式化，以存储在数据库210中。在美国专利No. 6，862，486中提供 了 0PC服务器、信号转换器和数据采集一起工作来从PLC中采集数据以及将这些数据存储 在数据库中的实例，通过引用将这篇专利文献并入本文。信号转换器202从传感器或0PC服务器接收诸如事件和状态信号之类的“原始” 数据项，并将它们转换成计数和时间数据。每个数据项包括从存储器寄存器恢复的表示PLC 122的监控状态值的数据和关于该数据项的源(即装置102)的信息，还可能包括与0PC服 务器218提供的数据相关的时间信息。每个采集的数据或从中导出的信息在数据库210中 被存储为一个或多个表中的记录。采集的数据可以是诸如装置在一个时间间隔中所处理的 部件的数量之类的数据(计数)或在时间间隔中机器中的闲置时间(时间)，或者采集数据 可能是通常具有开始时间、结束时间和持续时间的事件数据。这种数据通常在装置102的 监控状态从开状态切换到关状态时或从关状态切换到开状态时产生的。在PLC处采集的并 被信号转换器进一步处理的数据通常明确地或隐含地与时间标记相关。时间标记将数据项的每个记录与时间间隔或记录时间关联起来。使独立的记录具有相关的时间标记在对这些 记录进行处理和操作时提供了灵活性。诸如机器在特定状态所消耗的时间的百分比之类的 其他信息还可以被导出，即信号转换器根据基本时间和计数数据计算出。PLC采集的信号被转发到多个RTLE 204以进行处理。通常，RTLE 204是可以编 程的，可以被用来执行各种计算和逻辑操作。它的存储器或寄存器可以被编程为计时器或 计数器。RTLE通常比PLC更易于编程，提供RTLE来从连接到其上的PLC或一组PLC中卸 载任何所需的程序。如上文所述，PLC至少采集空闲位302、堵塞位304和E0C位306，这些 位均与它们各自的时间信息相关。通过追踪空闲(或堵塞)位打开和关闭的时间，即，将时 间信息和状态信号自身关联起来，可以测量(或导出)被监控装置102消耗在空闲状态或 堵塞状态的时间量。类似地，E0C位306的打开或关闭还允许RTLE204追踪部件到部件周 期时间和产生用于累加部件计数的信号。测量或计算连续周期的相继结束之间经过的时 间，来获得部件到部件周期时间。每当工位在周期结束时，被处理工件的总数也递增。还可 以追踪和计算诸如缓冲区计数、工件进入和退出工位的时间之类的其他计数数据和计时信 号。RTLE 204还追踪测量的周期时间，在工位完成对工件的处理之后立即或很短时间之后 来评估每个工件的过周期时间。测得的周期时间是工位处理工件实际所消耗的时间。通过 计算、累加或追踪工位开始处理工件的时刻和工件完成对工件的处理的时刻之间的持续时 间来测量这个周期时间。加载延迟、卸载延迟和在空闲状态或堵塞状态所消耗的时间不包 括在测得的周期时间中。计算和累加过周期时间，也就是测得的周期时间与理想的周期时 间之间的差。过周期时间是工位处理工件所消耗的额外时间的亮度，测得的周期时间表示 超过周期的处理时间。理想周期时间不是一个测得的量。确切地讲，它是一个设计参数，表示设计的生产 或处理速度或期望的速度，通常已知为Takt时间。Takt时间表示希望生产线上的每个工位 完成处理周期的一种节奏或固定的速度。为了能够流畅连续地进行处理，希望生产线的每 个工位以这种速度处理，因此，Takt时间真实地表示了生产线而不仅仅是单独的工位的“节 奏”。希望每个工位处理工件精确地、不多也不少地消耗它的Takt时间。如果工位完成对 工件的处理消耗了比理想周期时间长的时间，称之为过周期。当一个工位过周期时，它使顺 序生产线的速度降低。那么，该生产线最好以过周期的工位的速度对工件进行处理。当一 个工位过周期时，它还可以使下一个空位产生空闲状态，对上一个工位产生堵塞状态，这会 使整个生产线或设备的速度发生起伏。另一方面，当工位完成对工件的处理消耗了比理想 周期时间短的时间，存在工位的加速。由于其他的工位仍然以期望的速度或较低的速度运 转，即，至少消耗Takt时间来完成工件，加速并不必然会促进设备的整体生产率。由于工位 的加速可能将下游的堵塞状态引入到顺序生产线，它实际上可能使性能降低。对Takt时间的选择可能考虑工位的最大处理能力、在工位要完成的任务、要处理 的部件以及生产线的整个生产或处理速度以及其他因素。具体地讲，Takt时间是一个随产 品不同或随型号不同而改变的参数。对应于不同产品、型号、部件或任务的Takt时间数据 可能通常被存储在数据库210或其他存储装置中，以被RTLE 204取出。当还采集型号ID 信号时，可以自动地调整或恢复Takt时间值。通过比较工位的周期时间和理想的周期时间，可以测量工位的性能或生产能力。 当工位处理工件消耗了额外的时间时，即，当有一个非零的过周期时间时，生产能力降低。不明显的是，任何工位的加速通常不会促进生产线的生产能力，生产能力计算的结论可能 会掩盖约束的出处。为了排除加速，将过周期时间设为零，而不是计算出的负值。根据下述 公式可以计算生产能力测量Throughput capability =-expected--( 1)
"^exp ected + 丁overcycle式中，总的过周期时间T。VCT。y。le是在一个给定的累加时段上根据工位处理单个工 件所消耗的过周期时间所累加的时间。Texpected是在累加期间所期望的用于处理总的工 件的时间总量。T6xp6。t6d+T。V6rcy。l6的和表示累加的过周期处理时间。在一个实施例中，可以采 用简单的公式Texpe。ted = NmitsX (Takt Time)，其中，Takt Time是理想周期时间，Nunits是处 理的工件的总量。简单公式(等式(1))的其他变型也是可行的，其中，任何非零Tovercycle 减小了生产能力测量的值。通常，对多个RTLE 204进行编程，来为每个工位102计算生产 能力。多个RTLE 204还分析时间和计数数据，而且还执行其他性能相关的参数的计算。 例如，可以根据被处理工件的总量和工位可用的总时间(即，经历的总时间减去累加的停 机时间)计算工位(或每个生产线或整个设备)的总体完成量。根据采集的数据可以计算 出的其他量包括每小时工作量(jobs per hour，HPH)、平均故障间隔时间(MTBF)、或平均修 复时间(MTTR)。另外，可以对从工位接收的数据进行分析，来获得工位消耗在诸如堵塞状 态、空闲状态或停机状态之类的损耗状态上的累加时间的整体百分比，或者按照分类，例如 正常运转时间损耗、停机损耗或速度损耗或任何其他导出的性能指标。数据累加器206从RTLE 204采集数据，并将采集到的数据传送到队列管理器220， 以插入数据库220。数据累加器可以简单地将采集到的数据传送到队列管理器，在这种情 况下，数据累加器本质上是用于保持和缓存采集到的数据的临时存储器。这种缓存有助于 减少在任何网络减速或延迟情况下当数据不能被立即写入数据库时的数据丢失。数据累加 器206还可以执行其他的计算和操作。例如，数据累加器206可以执行时间或计数的累加。 原理上，数据累加器206也可以执行百分比的计算和其他更复杂的计算。通常，在0PC服务器和RTLE是一一对应时，数据累加器通常可以从几个RTLE接收 数据，如图2中的虚线所示。类似地，每个队列管理器可以从几个数据累加器采集数据。一 个数据累加器可以服务的RTLE的数量通常由负载所确定。通常负载还确定一个队列管理 器可以服务的数据累加器的数量。队列管理器220处理数据队列，并将数据插入数据库中。队列管理器对从数据累 加器206采集的数据项进行格式化，创建处理消息、对这些消息进行排队、用包含在这些消 息中的数据更新服务器210。每个处理(例如SQL处理)在数据库210中创建或更新记录。数据建模引擎208提供了对从信号转换器202和数据累加器206接收到的它们采 集的数据进行建模和操作的平台。数据建模引擎208还作为基于网页的应用程序的平台以 及作为从数据库210恢复数据的服务器。报告模块212主要是一种报告工具，这种报告工具是数据建模引擎208的部件或 连接到数据建模引擎208。报告模块212采用存储在数据库210中的数据执行必要的计算， 并提供(例如)工厂配置的关于约束的报告、测量和性能指标。视觉表示模块214主要负责产生用于使采集的和计算的信息显现的显示屏幕。它可以对信息和数据的视觉呈现提供门户网站(未示出)或其他的视觉或图形显示工具。人工数据输入工具216是软件模块或软件工具，它允许从车间对有约束的装置进 行人工数据采集，尽管它还可以提供用于输入其他信息的用户界面。人工数据输入工具还 可以被用来协助在设备或工艺的单个部件进行故障定位约束问题。应当理解的是，尽管图2所示的性能监控和管理软件系统130包括0PC服务器、 RTLE、数据累加器、队列管理器和数据建模引擎以及其他，这些部件并不存在于单个的对象 或可执行的计算机文件中，它们也不必在单个计算机硬件上执行。例如，可能存在大量的计 算机，每个均具有大量在其上执行的RTLE，但只有一个单独的附加计算机作为数据建模引 擎部件的主机。当然，其他的硬件和软件架构也是可行的。如何选择合适的硬件和软件架 构更多的是一个工程选择。如上文所述，可以在机器层面采集与工位的诸如“质量”信号之类的损耗相关的信 号，以进行其他的处理和分析。可以以不同的方式对损耗进行分类。通常，一种对损耗进行 分类的方式是将它们分成运行时间、停机时间、速度和质量损耗中的一个。这四种类别中的 每一个均强调了机器层面的生产能力的潜在损耗或第一时间质量性能。根据诸如空闲位、 堵塞位之类的其他信号可以估计这些损耗，或者用机器层面的数据，即PLC或安装在每个 工位的传感器采集的数据，对这些损耗进行测量或者进行确认，或者在每个工位人工地采 集这些损耗。下文要说明的是，可以提供人工输入屏幕，来接收用户输入和捕捉相关信息。 方便地，出于这个目的，可以采用通过显示和输入装置132呈现给用户的图形用户界面。“运行时间损耗”通常指的是装置在运转时装置上的损耗，S卩，不是由于装置的停 机时间而导致的损耗。空闲和堵塞状态在工位运转时均产生损耗，从而也是“运转时间损 耗”。其他的例子包括在工艺的试运行阶段消耗的时间(从而没有产出产品)、操作员的午 饭时间、产品类型的转换、或没有需求时的空闲时间。工位从工件进入工位时刻到理想周期时间结束所消耗的时间被称为周期时间 406。长于takt时间但仍小于阈值的消耗时间被认为是速度损耗408，即，装置的停机所导 致的损耗。诸如takt时间的110%的阈值可以大到任意程度。通常，用户基于用户的经验 和该装置的过去的性能来选择这个阈值。装置消耗比该阈值长的时间来完成对工件的处理 被认为是经历了停机。由停机引起的损耗被称为是“停机损耗”，即由装置的停机所引起的 损耗。不过，当计算停机损耗时，在这个计算中包括了整个过周期时间410，即，100% takt 时间和周期结束之间的时间。对稍后会被抛弃掉的工件或由于质量问题需要再次处理的工 件进行处理所消耗的时间被分类为质量损耗。下表示出了根据在PLC采集的信号导出损耗数据和用人工输入的数据放大导出 的数据的示例。可以理解的是，这些阈值级别只是用来说明，用户可以根据每种机器的功能 和周期时间来进行完全调整。
损耗损耗数据速度损耗-将理想周期时间的100%至110%的所有周期时 间分类为速度损耗
1权利要求
一种用来量化和确定自动化生产设备中的约束的系统，所述自动化生产设备具有用于对工件进行自动化处理的自动化工位，所述系统包括多个信号转换器，每个信号转换器连续地接收在各个自动化工位采集的事件和状态信号，并将所述事件和状态信号转换成时间和计数数据，所述时间和计数数据包括所述各个自动化工位在每个对工件进行处理的处理周期中所消耗的过周期时间以及工件计数；数据建模引擎，其与所述多个信号转换器进行通信；所述每个信号转换器包括计算单元，在所述各个自动化工位完成每个处理周期时，所述计算单元计算所述各个自动化工位的生产能力测量，所述生产能力测量是根据累加时段上的期望的处理时间和累加的过周期处理时间计算的；以及所述数据建模引擎从所述多个信号转换器接收所述生产能力测量，将约束确定为生产能力测量符合预先选定标准的工位；其中，所述过周期时间是根据所述每个处理周期的周期时间与理想周期时间之间的差导出的一个非负的量，所述过周期时间排除了所述各个自动化工位在所述每个处理周期中在空闲状态和堵塞状态所消耗的时间，其中，所述期望的处理时间和所述累加的过周期处理时间是在所述累加时段上分别根据所述理想周期时间和过周期处理时间累加出来的，以及其中，所述过周期处理时间是所述过周期时间和所述理想周期时间的和。
2.根据权利要求1所述的系统，其还包括历史数据数据库以及队列管理器，所述队列 管理器对所述时间和计数数据在历史数据数据库中的存储进行安排。
3.根据权利要求2所述的系统，其还包括用于从用户接收与所述工位中的一个工位相 关的性能信息的人工输入界面，其中，所述数据建模引擎将所述性能信息包括在所述设备 的性能分析中。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述数据建模引擎包括统计分析模块，所述统计 分析模块从所述历史数据数据库接收数据，并根据对所述工位的性能降低起作用的原因的 统计数据生成报告。
5.根据权利要求4所述的系统，其还包括图形用户界面，用于以文本格式和图形格式 中的至少一种显示所述报告。
6.根据权利要求1所述的系统，其还包括图形用户界面，用于向用户显示所述工位的 所述生产能力测量的图形表示，所述图形表示包括多个工位图标，所述工位图标的每一个 对应与所述工位中的一个，并示出所述生产能力测量的数字值。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述图形表示包括位于邻近所述工位图标的每 个工位图标的一个或多个状态图标，所述一个或多个状态图标均示出了每个工位在所呈现 的各个状态中所消耗的时间百分比。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述一个或多个状态图标包括空闲状态图标和 堵塞状态图标，相对于所述每个工位图标，所述空闲状态图标布置在上游位置，所述堵塞状 态图标布置在下游位置。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述一个或多个状态图标和所述每个工位图标 是可激活的，用于显示与所述每个工位相关的其他信息。
10.一种用于量化和确定自动化生产设备中的约束的系统，所述自动化生产设备具有 顺序链接的用于对工件进行自动化处理的自动化工位，所述系统包括多个信号转换器，每个信号转换器连续地接收在各个自动化工位采集的空闲信号、堵 塞信号和EOC信号，并将所述空闲信号、堵塞信号和EOC信号转换成时间和计数数据，所述 时间和技术数据包括所述各个自动化工位在每个处理周期中对工件进行处理所消耗的测 量周期时间、所述各个自动化工位在所述每个处理周期中所消耗的过周期时间以及工件计 数；数据累加器，其用于对从所述每个信号转换器接收到的所述时间和计数数据进行累 力口，所述累加的时间和计数数据包括在累加时段上累加的过周期时间、累加的理想处理时 间和总工件计数；历史数据数据库，其用于存储所述时间和计数数据以及所述累加的时间和计数数据；数据建模引擎，其与所述多个信号转换器以及所述历史数据数据库进行通信；所述每个信号转换器包括计算单元，在所述各个自动化工位完成各个处理周期时，所 述计算单元计算所述各个自动化工位的生产能力测量，所述生产能力测量是根据所述累加 的理想处理时间与累加的过周期处理时间的比值计算的；以及，所述数据建模引擎从所述多个信号转换器接收所述生产能力测量，并将具有最小生产 能力测量的工位确定为约束，其中，所述过周期时间是根据所述测量周期时间与理想周期时间的差导出的非负的 量，其中，所述累加的理想处理时间是所述理想周期时间与所述总工件计数的乘积，以及其 中，所述累加的过周期处理时间是所述累加的理想处理时间与所述累加的过周期时间的 禾口。
11.根据权利要求10所述的系统，其还包括队列管理器，所述队列管理器对所述时间 和计数数据和所述累加的时间和计数数据在历史数据数据库中的存储进行安排。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述数据累加器的每一个都包括存储缓存器， 所述存储缓存器用于在将所述时间和计数数据以及所述累加的时间和计数数据存储在所 述历史数据数据库之前对所述时间和计数数据以及所述累加的时间和计数数据进行临时 存储。
13.根据权利要求10所述的系统，其还包括图形用户界面，用于向用户显示所述工位 的所述生产能力测量的图形表示，所述图形表示包括工位图标，所述工位图标的每一个对 应于所述工位中的一个，并示出所述生产能力测量的数字值。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述图形表示包括位置邻近所述工位图标的 每个工位图标的一个或多个状态图标，所述一个或多个状态图标均示出所述每个工位在所 呈现的各个状态所消耗的时间百分比。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个状态图标包括空闲状态图标 和堵塞状态图标，相对于所述每个工位图标，所述空闲状态图标布置在上游位置，所述堵塞 状态图标布置在下游位置。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述图形表示包括一个或多个统计图标，所述 一个或多个统计图标提供了从所述历史数据数据库取得的与所述工位相关的关于性能的 统计数据。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述一个或多个统计图标包括邻近两个工位 的至少一个缓冲区图标。
18.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个状态图标和所述每个工位均 是可激活的，用于显示关于所述每个工位的其他信息。
19.根据权利要求10所述的系统，其还包括用于从用户接收与所述工位中的一个工位 相关的性能信息的人工输入界面，其中，所述数据建模引擎将所述性能信息包括在所述设 备的性能分析中。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述数据建模引擎包括统计分析模块，所述统 计分析模块用于根据对所述工位的性能降低产生作用的原因的统计数据生成报告。
21.根据权利要求20所述的系统，其还包括用于以文本格式和图形格式中的至少一个 显示所述报告的图形用户界面。
22.—种监控和管理自动化处理设备的性能的方法，所述方法包括下列步骤连续地接收从自动化处理设备上的多个工位自动采集的状态和事件信号；将所述状态和事件信号转换为时间和计数数据，所述工位每一个的所述时间和计数数 据包括至少一个过周期时间，所述过周期时间是从测量周期时间与理想周期时间之间的差 导出的一个非负的量；在一个累加时段上对所述工位累加所述时间和计数数据，所述累加的时间和计数数据 至少包括所述每个工位在所述累加时段上处理的总工件计数以及根据所述过周期时间累 加出的累加的过周期时间；在所述每个工位完成对工件的处理时，连续地计算每个工位的生产能力测量，根据所 述总工件计数、所述累加的过周期时间和所述理想周期时间计算所述生产能力测量；以及根据所述工位的生产能力测量，确定自动化生产设备中的约束，所述约束是具有最小 生产能力测量的工位。
23.根据权利要求22所述的方法，其还包括监控所述约束工位的所述累加的过周期时 间的减少。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述每个工位的所述时间与计数数据包括所 述每个工位在空闲状态消耗的第一时间量和所述每个工位在堵塞状态消耗的第二时间量， 而且，所述方法还包括在所述每个工位相关的图标中显示生产能力测量、从所述第一时间 量导出的信息以及从第二时间量导出的信息的步骤。
25.根据权利要求24所述的方法，其还包括根据所述生产能力测量的数字值用颜色标 示与所述每个工位相关的图标的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定、量化和向用户呈现自动化生产或处理设备中的约束的系统和方法。数据处理系统连续地从该设备的自动化装置接收基本状态信号和状态信号，并对这些信号进行评估和处理，以导出工艺中的每个给定生产工位的生产能力测量(约束测量)。生产能力测量被表示为理想周期时间对累加的过周期时间的比值。累加的过周期时间只包括延迟，排除了工位中的任何加速。约束被确定为与生产线上的所有其他工位相比具有最低生产能力测量的工位。优选地，以图形方式向用户呈现所有工位的生产能力测量。可以提供其他的深入了解，以得到关于约束和产能损失的详细信息，以及输入与约束相关的信息，例如停机或减速。
文档编号G05B19/4063GK101939766SQ200780052395
公开日2011年1月5日 申请日期2007年4月10日 优先权日2007年3月26日
发明者丹尼斯·P·科科 申请人:艾克蒂夫普朗特公司