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[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)的機組停機和成本損失時有發(fā)生，當(dāng)質(zhì)量問題發(fā)生時，操作、維修和管理人員希望能夠定量地評價機組過程質(zhì)量風(fēng)險大小、劃分質(zhì)量風(fēng)險等級、建立分等級的質(zhì)量風(fēng)險管控機制，科學(xué)合理地推進(jìn)質(zhì)量風(fēng)險防控，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，減少了生產(chǎn)成本；方銀水[13]等人對整個卷煙生產(chǎn)過程使用PFMEA 方法進(jìn)行分析，并實施針對性的優(yōu)化措施，使卷煙生產(chǎn)過程質(zhì)量風(fēng)險管控水平得到提升。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)計階段對構(gòu)成過程的各個工序逐一進(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)險進(jìn)行實時的診斷和識別，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)，使用實時剔除率計算發(fā)生度，設(shè)計嚴(yán)重度和不可探測度的評分準(zhǔn)則，為卷包機組質(zhì)量風(fēng)險水平實時識別和評估提出了一種新思路、新方法。

1 基于PFMEA 原理的實時質(zhì)量風(fēng)險識別方法

1.1 問題分析

經(jīng)典的PFMEA 方法的實施過程，首先對工藝工序進(jìn)行分析，識別工藝過程中的各個失效模式，而后對每個失效模式的發(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算出風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（Risk Priority Number，RPN），即

風(fēng)險優(yōu)先數(shù)是對工藝潛在失效模式風(fēng)險等級的評價，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)驗判定而來，在一段時間內(nèi)相對固定。當(dāng)工藝過程發(fā)生變化時，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)行手動更新，然后才能獲得新的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)，從而刷新對工藝過程中存在的各種失效風(fēng)險的認(rèn)知。這意味著對風(fēng)險優(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，經(jīng)典的PFMEA 方法就無法客觀反映工序的風(fēng)險狀況，而這正是在生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用PFMEA 時常常發(fā)生的一種現(xiàn)象。

1.2 改進(jìn)思路

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)行實時指導(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。而卷包機組具有將這些概率實時監(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)的剔除率實時更新。

同時，對于嚴(yán)重度S 的判定，基于煙草行業(yè)的特點，應(yīng)從以下幾個方面對失效的后果進(jìn)行評估：1）是否會引起消費者投訴；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；而以上三者隨時間變化較慢，所以在一段時間內(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，無需頻繁變更，所以也可以在一段時間內(nèi)使用定值，按需由專家組進(jìn)行評估更新。

2 實時PFMEA 在卷包車間的實現(xiàn)

2.1 失效模式的識別

在卷接和包裝過程中會出現(xiàn)如煙支過輕、煙支過重、軟點、硬點、煙支缺嘴、空頭、模盒缺支、小盒外觀缺陷等諸多質(zhì)量缺陷，卷接機和包裝機會自動識別存在質(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，整理出卷包機組的失效模式共17 個，分別為：過輕過重、軟點硬點、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。

表2 工藝&特性相關(guān)性矩陣Tab. 2 Process and characteristic matrix

2.2 發(fā)生度O 的判定

經(jīng)典的PFMEA 發(fā)生度表示各個失效模式發(fā)生的可能性，當(dāng)PFMEA 評估完成時，各個失效模式的發(fā)生度就固定了，不會跟隨生產(chǎn)的實時數(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，機組會實時識別缺陷煙支并予以剔除。因此，可以使用最近一段時間內(nèi)缺陷煙支與好煙產(chǎn)量的比例來實時計算失效模式發(fā)生的概率，從而實時更新該失效模式的發(fā)生度。

2.2.1 實時剔除率的計算

實時剔除率的計算需使用過去t 分鐘作為采樣時長，使用這期間的剔除數(shù)量除以產(chǎn)品總數(shù)來計算實時剔除率，公式如下：

式中，X 為實時剔除率，n 為不合格產(chǎn)品剔除數(shù)，N 是產(chǎn)品總數(shù)。

由于剔除不是時刻發(fā)生的，并且各時間段內(nèi)的剔除數(shù)差異較大，所以選擇不同的采樣時長計算出的剔除率差異很大。為了分析采樣時長對剔除率計算的影響，本文使用卷包機組生產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)，選取多種不同的采樣時長來分別計算過輕剔除率。其中，使用60 s、300 s、600 s、900 s 作為采樣時長計算的實時剔除率的結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出，隨著選取的采樣時長選由小變大，計算出的剔除率曲線變得越來越平滑，短期波動逐漸變小，長期趨勢得以顯現(xiàn)。

圖2 選取不同采樣時長計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 秒時刻開始半小時內(nèi)過輕剔除率變動趨勢，如圖3 所示。對比60 s 采樣時長和600 s采樣時長，可以看出，采樣時長較短時實時剔除率波動劇烈，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趨勢；采樣時長較長時，適合觀察剔除率整體變化趨勢。為方便卷包機臺操作工和車間管理人員觀察過去一段時間廢品剔除的狀態(tài)及趨勢，選取采樣時長600 s 來計算發(fā)生度，而在其他項目中可以視具體應(yīng)用靈活調(diào)整采樣時長。

圖3 不同采樣時長下的剔除率計算結(jié)果對比Fig. 3 Comparison of elimination rate under different sampling time intervals

2.2.2 實時剔除率與發(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 為計算出的實時剔除率，Xmax為某失效模式發(fā)生度為10 時的剔除率。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和專家知識定義卷包機組各個失效模式發(fā)生度為10 時的剔除率Xmax。在分析了機組的歷史剔除數(shù)據(jù)后，暫時將各失效模式的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)備運行工況判定

卷包設(shè)備生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)啟動、停機和調(diào)試的情況，這些工況下剔除多、產(chǎn)量低，會造成異常高的實時剔除率以及RPN 值。因此需對設(shè)備的運行工況進(jìn)行判定，只在穩(wěn)態(tài)工況時計算各失效模式的實時剔除率，以保證PFMEA 方法的準(zhǔn)確性。

為了驗證穩(wěn)態(tài)工況判定的必要性，現(xiàn)使用包裝機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”，意味著在所有時刻都計算剔除率，藍(lán)線則代表“純穩(wěn)態(tài)模式”，意味著只有在穩(wěn)態(tài)時才計算剔除率。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。此時計算出的剔除率會變得異常之高，以至于與其他穩(wěn)態(tài)時的剔除率不具有可比性。而如果進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判定，在機器停機時就會維持之前計算出的剔除率，不會計算出超高的剔除率。

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)運行時間顯著相關(guān)，本文采集了多個班次卷接機、包裝主機、包裝輔機生產(chǎn)過程的車速和運行時間數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確判定設(shè)備的運行工況，需對車速的波動率進(jìn)行計算，計算公式為：

式中a 為車速波動率，t 為計算車速變化率所用的時間長度，Vmax為時間長度t 內(nèi)車速的最大值，Vmin為時間長度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、車速波動率和連續(xù)運行時間作為輸入，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)備運行工況：將設(shè)備當(dāng)前時刻的車速、車速波動率和運行時間作為輸入，代入聚類模型，模型輸出設(shè)備當(dāng)前時刻是否處于穩(wěn)態(tài)工況作為計算結(jié)果。

2.3 嚴(yán)重度S 的判定

根據(jù)項目組成員多年煙草行業(yè)的實踐經(jīng)驗，質(zhì)量缺陷項目的嚴(yán)重度S 評價，可以從消費者關(guān)注程度T、《卷煙》國標(biāo)賦分大小B、質(zhì)量成本損失C 等三個因素進(jìn)行綜合評價。為計算嚴(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，計算嚴(yán)重度系數(shù)SC。嚴(yán)重度系數(shù)SC的計算需結(jié)合行業(yè)質(zhì)量管控特點和專家經(jīng)驗，相較于消費者投訴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

2.4 不可探測度D 的判定

由于卷包機組設(shè)計了較為完善的監(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

2.5 質(zhì)量風(fēng)險的實時評價

綜合使用上述PFMEA 分析方法，根據(jù)風(fēng)險評分準(zhǔn)則對卷包機組存在的17 個失效模式評分，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間變化，發(fā)生度O 也隨之變化。使用實時的發(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，得到實時的質(zhì)量風(fēng)險優(yōu)先數(shù)RPN，RPN 的大小表示該失效模式的風(fēng)險高低。取卷包機組某時刻各個失效模式的剔除率數(shù)據(jù)，計算發(fā)生度O，完成PFMEA 分析，見表7。

為實現(xiàn)質(zhì)量風(fēng)險的分級管控，根據(jù)RPN 值的大小將其分為4 個級別，對應(yīng)4 個質(zhì)量風(fēng)險級別，考慮到車間內(nèi)各失效模式的實際剔除情況以及質(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)險級別，掌握機組當(dāng)前的運行狀態(tài)，針對質(zhì)量風(fēng)險級別為中或高的失效模式，可及時做出調(diào)整，從而降低剔除率。由表7 可知，該時刻機組卷接空頭的RPN 值為192，遠(yuǎn)高于其它失效模式，此時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。

表6 S-D 評分表Tab. 6 Evaluation results of severity score and detection score

表7 某時刻卷包機組失效模式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

2.6 質(zhì)量風(fēng)險的閉環(huán)改進(jìn)

完成質(zhì)量風(fēng)險的實時評價后，即可快速感知各個失效模式的質(zhì)量風(fēng)險。為了能夠在某個或多個質(zhì)量風(fēng)險超出正常范圍時，快速尋找質(zhì)量風(fēng)險發(fā)生的原因并制定解決辦法，項目中設(shè)計了基于案例推理（Case-Based Reasoning，CBR）的專家系統(tǒng)?；贑BR 的專家系統(tǒng)收集卷包機組已發(fā)生過的所有質(zhì)量風(fēng)險事件，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，實現(xiàn)質(zhì)量風(fēng)險的閉環(huán)改進(jìn)。

3 結(jié)論

本研究對經(jīng)典的PFEMA 方法進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用于卷包機組質(zhì)量風(fēng)險的實時評價。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)計發(fā)生度的計算邏輯和機組工況的判定標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行質(zhì)量風(fēng)險實時評價并促進(jìn)質(zhì)量車間問題的閉環(huán)改進(jìn)。項目實施后，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，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。有效提升了卷包機組的異常處理效率，降低了質(zhì)量風(fēng)險和成本，為卷煙生產(chǎn)乃至生產(chǎn)制造行業(yè)的質(zhì)量風(fēng)險管控提供了行之有效的新思路。