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  • 工業 4.0

智慧工廠規劃與應用 - 整合式設備管理與智慧刀具規劃實戰篇

author by 曾文光

本期工業 4.0 的自動化製造管理趨勢,將著墨在金屬加工製造業如何結合 MES 進行「整合式設備管理與智慧刀具規劃」建構智慧製造平臺上,並以 ciMes 合作與實戰經驗進行分析。讓大家更清楚工業 4.0 的虛實化整合、物聯網、智慧設備與機器人的相關應用,以及如何妥善運用物聯網(IoT;Internet of Things)技術串聯與整合各項自動化設備,達到智動化生產,與構建虛擬工廠管理應用。

智慧工廠整合式設備管理實戰分析

在工業 4.0 智慧工廠的規畫與應用中,透過與資訊整合打造的整合式智能設備管理平台,可突破工廠以往單機台或是單區域管理模式;將以整個廠為出發點,無論是在設備、生產、品質或能耗,都能依據各工廠管理關鍵績效指標 KPI(Key Performance Indicators)為起點,讓管理者層層分析,找出問題的癥結點,下達正確的工廠管理指令。

以設備狀態為例,當稼動資訊出現異常時,就能從該整合資訊進入分析,檢視造成生產流程異常的區域,再進一步檢視是哪台設備所造成的問題;當然,具備工廠管理權限人員可以直接從機台或各元角度,操作該元件狀態達到即時控制的效果。同理,在品質、能耗或生產進度上,皆能以相同的模式快速找到問題與原因,全面提升管理階層在生產管理上的效率。

以下則將以 ciMes 合作夥伴研華 WebAccess 為整合式智能設備管理平台範例,提供相關規劃及設計應用作為參考(以下圖表參考來源為研華科技):

規劃策略的執行

  • 智能監控管理總表:如下圖所示,可以看出各廠的基本管理信息,(包括:入庫數量、產值、人數、DOA(Dead on Arrival;新品故障換貨)、異常工時、生產力等),可讓主管根據即時訊息採取正確管理決策。

    管理者與作業人員可以從螢幕上清楚知道生產效率數據(例如各廠的設備工作時間、異常時間、有效及標準工作時間),根据這些資料可即時計算生產效率及生產力。資訊亦可即時反映到自動排程系統(APS),以提供更有彈性的排產規劃。

    智能監控管理總表
    智能監控管理總表
    智能監控管理總表示意圖
    智能監控管理總表示意圖
  • 機台即時狀態監控:包含機台運作狀態、稼動率及週期時間(Cycle Time),可視化資訊不僅能讓管理者改善產線的管理工作,還可以提供精準的數據以進行效益分析及優化。

    機台稼動率則可監控現場生產線的狀況,包含生產線每個機台的作業時間、異常時間、等待時間及稼動率。

    機台即時狀態監控示意圖
    機台即時狀態監控示意圖
    溫濕度即時狀態監控示意圖
    溫濕度即時狀態監控示意圖
  • 機台健康狀態監控:能夠查看到所有即時的資訊,一旦偵測到作業異常,即會發出操作預警通知,降低維護成本。

    機台健康狀態監控示意圖
    機台健康狀態監控示意圖

    透過上述的規劃應用範例,可以清楚的看到經過智慧設備整合式管理的應用,將各廠設備狀態與回饋資訊集中在智慧設備管理平台下,經由整合管理介面就可一目了然智慧工廠的實際運作情況。各製程線與機台裝設的智慧感測元件、Robot 機器人所偵測數據,透過 MES 系統平台整合資料與圖控軟體,進行集中式管理資訊,即時呈現各應用面向,如:RMS(Recipe Management System;製程配方管理系統)參數、設備稼動維護監控、能源監控等,若加以整合在製生產資訊、現有圖控軟體、製程參數,一樣透過即時呈現集中式管理資訊與監控,虛擬工廠數位化管理應用的實現即不遠矣。

智慧工廠智慧刀具規劃實戰分析

金屬製品在機械加工過程中,刀具是指切削工具,亦是整體金屬加工工藝系統內影響製程能力的關鍵因素。而如何充分發揮刀具的優勢,讓刀具使用智能化;改善因欠缺更換保養刀具發生的不良現象,進而降低加工成本,則是智能刀具管理的重要一環。智能刀具管理方向包含以下項目:

  • 金屬加工刀具選用:智能化系統驅動載具(例如:自動化機械手臂),依據產品、料號、型號或規格選用正確對應的刀具;若更換生產其它規格之工令產品,系統則驅動載具更換對應之正確刀具。刀具選用之正確性將影響生產製造之良率、生產效率與刀具使用壽命。
  • 金屬加工刀具使用紀錄與保養管理:智能刀具管理可避免不良損耗發生,亦可達到降低成本的效益。包含刀具生產使用紀錄、計次或週期性之保養調整、刃磨、修理、使用壽命控制,完善的智能刀具管理體系,以確保生產過程品質穩定。
  • 金屬加工智慧刀具管理:涵蓋刀具切削時間自動統計、顯示和報警,並將相關數據上傳到伺服器,由系統平台積累數據與管理。利用刀具壽命管理功能掌握刀具使用次數和使用狀態,使得設定值在到達使用狀態後更換為備用刀具,由此可事先預防刀具破損而損壞工件等故障損耗。

金屬加工刀具 MES 應用規劃我們則從應用架構、功能平台與設計範例說明提供給大家參考。

  • 應用架構規劃

    以 CNC 工具機(Computer Numerical Control;電腦數值控制)加工製程為範例。應用架構規劃流程及重點項目說明如下:

    1. 智能刀具選用:透過半自動方式,例如:人員刷入工單批號、產品、機台、刀具條碼,或自動化方式,例如:透過 RFID(Radio Frequency Identification;無線射頻辨識)感測元件自動收集資訊系統,系統驅動機械手臂自動選用正確刀具。
    2. 智能提醒刀具保養更換:藉由半自動/自動積累各產品所使用之刀具次數,系統平台負責比對設定的保養週期與耗損邏輯,適時發出維護或更換提醒或警示,避免刀具不良造成損耗並提升生產效率。
    3. 完善生產履歷:系統平台記錄並勾稽各產品及其使用之機台與刀具各項資訊,智能追溯成品之物料與生產歷程。
    MES 智能化刀具管理示意圖
    MES 智能化刀具管理示意圖
  • 功能平台

    資通電腦 ciMes 製造執行系統零配件管理模組(Tooling),提供各機台所使用之零配件管理,範圍包含刀具、模具等零配件。支援各刀具的屬性、型態、狀態、資料、刀具群組及對應之工作站設定。系統依照設定對應屬性與邏輯,並與自動化機械手臂、下位機台設備整合,確保各金屬加工製程使用正確且健康的刀具。

  • 規劃及設計範例

    刀具(配件)狀態維護
    虛擬智能工廠建模時,於系統設定刀具管理的設計範例
    1. 刀具(配件)資料維護:定義基本資料之前,必須先規劃好型態及狀態這兩項基本資訊,定義好之後,就能開始進行資料建立。而系統將有關於刀具資料需要紀錄的項目以分頁籤方式呈現,才能讓使用者在操作上更加簡便。
      圖刀具(配件)資料維護
      圖刀具(配件)資料維護
    2. 刀具與對應工作站設定:工作站與刀具使用的關聯,需同時將產品和型號加以連結,以求生產流程中的最正確使用,設定時畫面會依照工作站的順序顯示配件資料,使用者可利用下列各功能的操作步驟作所需的執行動作。
      刀具(配件)對應工作站設定
      刀具(配件)對應工作站設定
      刀具(配件)對應工作站設定

智慧製造的應用其實是藉由物聯網 IoT 的概念與機制不斷的連接、整合與應用,智慧刀具的管理及應用,在金屬製品製造加工過程中,如果能有效的數位化管理,對於製程能力與良率的提升是能有顯著的效益。