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智機專欄
產線整合-智慧製造執行系統
2021.12.01∣瀏覽數:162

產線整合-智慧製造執行系統


工研院智機中心 智慧製造技術組 蓋震宇、郭晨暉、廖益昌、林啟正

近年來由於中美貿易戰和新冠肺炎的影響,製造產業面臨許多挑戰,包括工廠設備缺乏標準化的通訊介面、既有設備智慧化程度低,以及既有系統資訊化程度不足等問題,因此提升工具機於聯網平台應用的多樣性及獨特性,以滿足多元產業不同類型的客戶需求,並且將設備智慧化、資訊數位化、智能可視化,成為產業首先面臨及處理的關鍵議題。製造系統必須擁有高效整合IT(資訊科技)、OT (操作科技)、CT (通訊科技)的垂直整合建置能力,透過設備監控、預測修護、製程最佳化等應用,提高製造體系運作效益與生產彈性,減少整體生產成本,進而實現創新商業模式。本文提出產線整合—智慧製造執行系統的可能架構,用以監控自動化產線與資料擷取,內容包括設備監控管理系統、人員電子化報工系統、整體設備效率(OEE)可視化模組、自動化產線監控模組以及員工帳號權限管理模組。
 

智慧製造執行系統之架構


可能的智慧製造執行系統架構,如圖1所示,系統內各單元之介紹如下:

製造單元管理系統(MES),包含以下功能:(1)與製造單元外部其他中控FA進行數據、業務、需求、信息等交互的接口。(2)基於生產工單,調度單元內資源按照製程安排生產。(3)對人工工站的管控(如:人工工序操作確認、操作數據的記錄、資料數據的查詢等) 。(4)對整體設備效率(OEE)指標進行統計分析。

製造單元控制系統(FMC) ,包含以下作用:(1)在邏輯控制層面,執行生產流程,協調PLC層面(設備與設備、設備與主PLC)的交握數據(如邏輯互鎖信號、到位信號)。(2)承接製造單元管理系統與具體生產設備之間的通訊交握(如設備啟停、製程參數等)。(3)對用於輔助生產的其他終端、輸入輸出設備(如:RFID讀寫器、異常呼叫終端等)進行直接控制。(4)產生異常時的緊急響應及處理(急停、設備故障等)。(5)根據生產調度指令,將物料、在製品運送至各個生產設備,並輔助完成各工站的進出料。




(6)與倉儲物流系統進行交互,實現單元內、外的物流交接工作。

生產工站,包含以下任務:(1)管理終端可對於生產設備,需根據生產指令,自主完成製程工序的生產任務。(2)對於人工工站,需有操作終端輔助操作員按照規定流程完成製程工序生產、報工任務。

基於彈性製造單元(FMC)的架構下,可以開發一具備自動產線監控與資料擷取功能的製造執行系統(MES),其中包含了設備監控管理系統、人員電子化報工系統、整體設備效率(OEE)模組、自動化監控模組及帳號權限管理模組。而企業資源規劃(ERP)主要是在負責機台設備狀態、異常警報及參數資料之蒐集,彙整於資料庫中,供MES存取相關資料。合作工廠負責提供與規劃所有機具設備、中控系統與SCADA系統間的所有佈線連接,並提供與設備資料介接的通訊協定,供ERP取得設備聯網相關資料,其中的中控系統負責接收MES工單資訊後,分派製程工序予機台及提供製程結束後之報工資訊回報。MES與FMC資料傳遞流程如圖2所示。




以下就一整合產線的智慧製造執行系統內容分項說明:

設備監控管理系統:具備機台即時狀態監控、設備狀態履歷、異常警報分析、設備狀態推移及設備稼動狀態統計等功能,詳見圖3~圖5示意。

人員電子化報工系統:可即時記錄人員操作各項作業之時間點(包含工單號、開工、完工時間、數量等);除外異常工時報工,可即時記錄人員除外工時之狀況;工單資訊、生產履歷查詢等均可透過該系統顯示,詳見圖6示意。

整體設備效率(OEE)模組:即時顯示產線內所有設備之時間稼動率及顯示當日執行工單報工之良率,詳見圖4~圖5示意。

自動化監控模組:依據提供之產線規劃呈現可視化介面位置佈局設計,可即時顯示線上各設備狀態及計算產線生產稼動率,詳見圖3~圖4示意。

帳號權限管理:此功能提供系統登錄設定及人員操作之權限管理設定等。



 

適應性加工時間預估技術


自動化產線中,為了改善效率,需在規劃生產排程時,將工件加工時間納入計算,然而實際進行加工以紀錄加工時間,不僅耗時,且不同機台參數的影響程度不容忽略。若以模擬方式預估加工時間,不但大幅縮短測試所需時間,且可以隨不同需求任意改變加工程式及參數,使生產排程具有很大的彈性。

此技術可以針對工具機的控制器,進行程式命令的模擬與工時預估,作法是:首先將G碼中組合指令(如循環指令)拆解為基本指令(G00、G01、G02、G03)組成的多節路徑,紀錄每節路徑的進給速度、路徑長,並依據轉角減速、圓弧加速度等限制,計算單節間進給速度需降低至多少。依計算出的速度作為初速及末速,與該節進給速度間依最大加速度及補間前加減速時間等參數做補間前加減速插補。插補完成後的路徑速度依該節路徑的單位向量進行分軸,並分別對三軸速度依補間後加減速時間做補間後加減速差補。至此可完整模擬各軸加工路徑並預估出準確加工時間。

如圖7所示的應用流程:工件加工從輸入CAD圖面開始,而後生成CAM規劃路徑,使用者只要輸入加工路徑至此控制器命令模擬器,就可以模擬加減速參數如補間前、補間後加減速、轉角減速與圓弧加速度限制等設定後的結果,進一步預估程式執行所需花費的時間,表1是幾個案例預估結果,此工時預測方法有90%以上的準確率,可應用在工件加工成本的估算、工廠自動化的排程等。



 

優化製程管理以提升效率


智慧製造一直是熱門的議題,為了因應企業本身的生產管理特性,製造執行系統的規劃上應該著重在創建最適合企業所使用的系統。因此,針對企業製造管理瓶頸,建構並優化管理架構,搭配一些產線製程的智慧化技術,便能真正將資訊力轉化成智慧力。另外,時間成本的掌握度會影響整個產線的流暢度與生產效率,臺灣有許多企業正面臨產線自動化的課題,以模擬方式預估關鍵加工製程的時間成本,可令決策者更有彈性去規劃不同的產線,減低設備作業的等待時間,達到更高的稼動率。