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    善用制造信息揪出制程細節的魔鬼

    2021-06-08 10:56:56 來源:
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    導讀:

    中國臺灣的中小企業發展趨勢

    中小企業為中國臺灣省經濟發展的推手,2019年廠商家數為149.1萬家,占企業總數的97.65%,較2018年增加了2.5萬家,成長1.72%,特別是資本額小于500萬元的有124.4萬家,所占比重超過八成,指出中小企業的資源局限性;在就業人數方面,2019年中國臺灣省中小企業聘雇人員有905.4萬人,占就業總人數的78.73%,較2018年成長0.99%,也可知中小企業在就業市場的關鍵地位,詳見表1。

    目前,中國臺灣省中小企業多數面臨二代接班問題,既有經營知識及能力如何傳承,或資深老師傅將退休,年輕人如何掌握制程技能,或年輕人不愿待在工廠,只好聘外勞填補勞動力,又礙于外勞無法長期留任,導致制造人力的不穩定性,或業務人員面臨競爭者搶單壓力,卻無法弄清楚工廠產能,如何快速響應及接單,更不用說企業內部的物料采購、質量管理、人力安排、倉儲等相關管理功能,或跨企業合作的物流配送、通路鋪貨、營銷推廣等運作機制,在在是當今中小企業的經營痛點。


    自2011年起,德國提出工業4.0的新概念,強調智能制造、虛實合一、人機協作等,美國、日本、韓國及中國大陸也陸續推動相關方案,讓智能制造成為全球制造業的重要趨勢,也帶出數字轉型的新契機,不僅是自動化設備、機器人等軟硬件投資,更可能是生產現場的設備聯網及信息搜集,包括工廠內機器的聯網互通、流程整合與自動化、供應鏈信息透明及整合等,牽涉到大量信息的流通、分析及管理,利用數據找出生產現場的痛點,并在營銷、研發、采購、后勤支持等不同流程中,找到既有做法的缺陷,再進行優化,提升制造工廠的競爭力,如提升質量、附加價值、縮短生產周期等,并對應外部顧客要求及競爭者壓力。


    隨后,受到新冠疫情影響,隨著區域政治經濟不確定性的提高,進而衍生供應鏈重組、遠程監督及控制、非接觸式作業等制造方案,也有不少中國廠商積極評估及投入,但既有廠房的機臺設備與組織文化不易改變,特別是資源有限的中小企業,必須在既有資源與基礎上,找出一條務實可用的路,才有最適化解決方案。


    智慧機械及SMB政策

    中國臺灣省企業有九成以上為中小企業,受限于人力、物力等限制條件,推動智能制造及數字轉型等創新,經常面對信息人力不足、成本效益不彰等問題,無法像大型企業有豐富資源,嘗試失敗打掉重練即可,如何選擇關鍵制程加以推動,短期先建立有感戰果,再逐步擴散至其他流程,同時善用中國臺灣省地區的機械、自動化及系統整合、資通訊等產業基礎,加上產學研等單位資源及專業能量,將有助于最適化制造方案的快速落實。


    為建構智慧機械產業之生態體系,特別是資源有限的中小企業,生產數據多半采用紙本記錄,再仰賴人工輸入系統,不僅有幾小時或數天的時間落差,更可能因人員欺瞞或輸入錯誤而差異甚大,需要協助中小企業數字化,也是“智慧機頂盒(SmartMachineBox,簡稱SMB)輔導計劃”的推動主因,協助機械與制造業企業導入設備聯網、生產管理可視化與智能化應用,進而提升國際競爭力。


    國內制造業應用案例

    SMB可用來收集機器設備的加工信息,如控制器的操作指令,或I/O卡擷取的機臺電器訊號,或三色燈訊息的當機(紅燈),待料、換模、無人操作等(黃燈)及正常運作(綠燈),或加工機臺的生產周期、等,可掌握生產現場實時狀態,有效改善制程問題,同時做到防微杜漸,進而提升產出質量。


    本文探討兩家中小型制造廠的機臺聯網及生產信息加值案例,說明資源有限的中小企業,如何面對內外部顧客及競爭者挑戰,即使廠區內機齡不一的中古機臺,如金屬加工機的車床、銑床等,仍可發展智能制造及數位轉型方案。


    汽機車、手工具機、醫療器材等金屬零件制造業

    甲公司專精于各類工具機的制造技術,如車銑復合、精密車床等,特別是難切削材料及精密零件加工,已應用于汽車、機車、自行車等車輛零件,以及手工具機、光學、電子、軸心等金屬工件,也積極開發骨科及牙科植體、醫療器械等高附加價值產品,持續提升競爭力,并擴大獲利空間。


    生產痛點

    導入SMB系統之前,甲公司生產數據都是紙本抄寫,再用人工輸入系統,一定會有時間差,也可能輸入錯誤,管理階層很難掌握機臺的實時稼動信息。因此,業務人員面對顧客要求時,無法立刻弄清楚產能狀況,常讓急單拱手讓人,這種生管信息的時間差及錯誤問題,也會衍生很多有形、無形成本。除此之外,該公司想切入國際車廠的供應鏈,必須通過ISO/TS16949和IATF16949等車規認證,如何掌握生產制造的實時資訊,同時改善生產管理體系,也是持續精進的當務之急。


    解決方案

    本案進行15臺走心式車床的CNC控制器連線,首先布建工廠內的網絡系統,協助導入智能機頂盒,并建立智能聯網系統。具體功能有:設備聯機設定管理功能(工廠內生產設備無實體網絡線,導入之初先架設廠內網絡系統)。數據擷取與儲存管理功能:本案用一臺資料服務器及兩臺SMB搜集機臺資料,每臺SMB聯網上限為10臺。設備稼動管理功能:機器運作可區分為四種稼動狀態,OFF代表未開機,顯示灰色;RUN表示正在加工,顯示綠色;機器閑置(IDLE)時,顯示黃色;最后,機器故障時,以紅色表示,通知現場操作員或設備工程師前往排除警告(ALARM)狀態。透過機器圓餅圖之顏色占比,協助進行機器稼動率管理,改善IDLE或ALARM狀態,進而提升生產效率。


    稼動甘特圖:了解各設備24h稼動狀態,知道設備何時是無生產狀態,如IDLE或ALARM,以利于提升稼動率。


    稼動明細表:持續累積稼動信息,可查詢某機臺生產各產品的加工時間,提供精進生產管理的有用信息。


    完工計量管理功能:立即制作當日生產報表,不用人工抄寫紙本數據,大幅精簡時間和人力。另外,立即匯整當日生產料件和生產效率,提供簡易的機報工系統。


    故障主動通報功能:利用設備異常警告廣告牌,協助管理者掌握異常狀況,也有兩階段示警功能,當第一階段示警10min仍未處理,即會發出第二階段示警,有效改善異常處理能力,進而提升機臺稼動率。


    導入SMB第一階段的重點工作為搜集機臺信息,找出閑置生產設備,提升機臺稼動率。另外,提供客制化報表,協助管理生產進度,隨時掌握機臺料件狀況,減少每日生產報表的統計時間。


    透過TCP/IP網絡通訊技術,可以取得三菱控制器信息,如工件數、機臺運作狀態等。接著,統計各工具機的生產信息,以圖表方式呈現于廣告牌系統,達到目視管理功能;透過聯網平臺的實時信息,快速地掌握機臺稼動率及相關信息,再匯整成各機臺的當日產能、達標率及利潤。


    管理者利用客制化的機況廣告牌,可清楚掌握生產進度與每日產量,也能輸出EXCEL文件,顯示各機臺的當日產量、稼動率、利潤和生產起迄時間。


    應用效益及未來展望

    透過SMB輔導計劃,甲公司建立15臺走心式車床的機聯網系統,讓管理階層在第一時間掌握機臺稼動狀況,透過可視化系統,展示實時且詳實的生產信息,也會促進業務推廣,不必浪費時間追蹤生產進度,立即告訴顧客能否接單,有助于顧客關系的緊密鏈結。


    在量化指針部分,已導入SMB系統的15臺走心式車床,每日停機時間由120分鐘縮短至70min,每日產量增加560個,以全年不停機現況來看,每年產量增加20多萬個,相關投資在一年內回收,多數生產信息自動化輸出,也減省生產人員作業的九成,奠定了智能工廠的信息化基礎。


    展望未來,甲公司利用既有機聯網系統,再用I/O卡或CNC控制器,即可聯機至新設備,掌控整個工廠的機臺狀況,促進制造效益極大化,進而提升生管效率。


    自行車金屬零件制造業

    乙公司創始初期為機械、馬達及五金工具的制造商,隨著生產技術的持續進步,轉型成為自行車、汽車等零件的供貨商,特別是自行車零件的花鼓、踏桿及避震器輪組等,已擁有多個技術專利,成功推出自有品牌,并將產品推廣至國際市場,成為自行車大廠的主要供貨商,期望追隨整車廠的成長腳步,促使企業不斷精進,邁向永續經營之道。


    生產痛點

    導入SMB系統之前,乙公司生產狀況不清不楚,讓經營團隊很頭痛,主要原因為生產數據仰賴操作員填寫,可能謊報或書寫錯誤,再由生管人員輸入及統計,即使花費大量時間及精力,仍然無法有效掌握,也可能得到錯誤訊息,無法快速追蹤及改善。


    為解決老板們的頭痛問題,希望導入智慧設備聯網的可視化管理,正確呈現機臺狀況及生產信息,也提供每一機臺的生產日報表,包括當日產量、稼動率、利潤、生產起迄時間等,匯出EXCEL檔查存,有助于掌握實時生產狀況,并解決人工操作的生管問題。


    解決方案

    乙公司廠區內無實體網絡線,首先建構廠內基本網絡,再進行機臺聯網作業,包括12臺CNC立式銑床與8臺走心式車床,可依據管理者要求,提供每一機臺之生產日報表,精確地掌握每日生產狀況。


    同時,透過網絡交換器串接生產設備與SMB間之網絡通訊,并用SMB設備,實時擷取20臺設備之生產現場資料,匯整成稼動率的可視化信息,也有實時導出的生產報表,解決了生產資料難掌握問題,奠定下一階段升級智能制造信息化工廠的基礎。另外,借由以太網絡聯機各生產設備之控制器,只要勾選是否聯機、控制器廠牌、機臺名稱、控制器IP等,即可讀取與搜集各機臺實時狀態及相關信息。


    乙公司透過機聯網的生產現場監控系統,做到廠內生產狀態的可視化,實時掌握工廠機器狀況,進而監控及改善生產問題,擬定優化生產策略,促使生產效率極大化。具體內容如下。


    設備稼動管理功能:查看聯機各設備機臺之實時運作狀態、實時稼動率、當前加工程式,以及工件產量等信息,隨時掌握機臺稼動狀態與產量。


    稼動圓餅圖:了解某區間稼動狀態(OFF、RUN、IDLE、ALARM)之占比,協助改善IDLE或ALARM問題,有效提升生產效率。

    稼動甘特圖:了解各機臺24h稼動狀態,知道設備何時是無生產狀態,如IDLE或ALARM,以利于提升稼動率。


    稼動明細表:累積長期稼動信息,可查詢任一機臺生產各產品的加工時間,提供精進生產管理的有用信息。


    完工計量管理功能:立即制作當日生產報表,不用人工抄寫紙本數據,大幅精簡時間及人力。另外,立即匯整20臺CNC機臺的當日生產料件和生產效率信息,也提供簡易型的機報工系統。


    故障主動通報功能:利用設備異常警告廣告牌,協助管理者掌握異常狀況,也有兩階段示警功能,當第一階段示警10分鐘仍未處理,即會發出第二階段示警,改善異常處理能力,進而提升機臺稼動率。同時,配合客制化需求,提供生產日報表導出EXCEL文件,以便查看各機臺當日產量、稼動率、利潤和生產起迄時間等信息,減少統計生產日報表所花費的時間。


    應用效益及未來展望

    透過SMB系統的輔導,乙公司導入12臺CNC立式銑床與8臺走心式車床的智能聯網系統,促進五項智能化生產管理功能,不再仰賴人力追蹤生產進度,成功地解決管理階層的生管問題,也提供客制化的可視管理系統,包括各機臺實時稼動率、設備生產履歷查詢、設備日報表輸出等功能,并進行完整的教育訓練,讓管理階層熟悉操作網頁,所有智能聯網裝置采用獨立的局域網絡系統,避免有心人士竊取生產信息,也將推動下一階段生管升級,包括汰換老舊設備,逐步推廣至其他設備,推動所有設備的全面性聯網,以及橫向、縱向管理功能的串接。透過生產稼動狀況的可視化,國際顧客可實時掌控生產現場狀況,已跳脫傳統制造廠的刻板形象,有助于海外顧客的品牌認同度,進而推廣優質國產品。


    以量化效益來看,乙公司為三班制作業,每天運作24h,全年工作超過360天,導入前每部機臺、每天停機時間為580min,導入后縮短至500min,減少幅度達13.8%,以導入的20臺設備來看,每日產量增加1040個,每年產量增加近38萬個,投資經費大約半年回收,也奠定了智能工廠的信息化基礎,透過長期生產信息的累積與分析,可導入更多智能化功能,如大數據分析、產能預測、制程模擬、最適化機臺規劃等,有助于多樣化、批量產品的生產制造。


    善用SMB創造生產價值

    中國臺灣省企業多數為中小企業,向來有快速變化的經營彈性,也是國際大廠的重要供應商,具有競爭者難抗衡的性價比優勢。隨著后進廠商的快速崛起,中國臺灣省企業也面臨二代接班、制造技能傳承、勞動力欠缺等問題,如何鞏固既有競爭優勢,甚至創新專業能量,是當今制造廠必須思考課題,有效善用SMB方案,可以創造制程改善、生產效率提升、產品銷售增長、顧客關系鏈結等價值,值得審慎評估。


    不同于國際大廠,中國臺灣省中小企業的資源有限,難以用“打掉重練”的智慧聯網方案,有效串接不同產品、制程、機臺及應用系統,端賴供需雙方的共同合作,才能發展需求導向的最適化方案,再用將本求利方式復制擴散,也要組織文化的配套調整,以及專業技能的同步提升。


    以金屬加工業為例,每家工廠的機臺數量約20~50臺,更有10%左右為老舊機臺,多數機齡超過二、三十年,建置機臺稼動監控與管理平臺,必須修改機臺既有接口,如更換PLC、加裝I/O卡等,才能進行整廠設備的智慧聯網,部分業者礙于專業能力限制,或修改機臺的潛在風險高,可能索取高價費用,或僅串接有開通通訊界面(如控制器)的機臺,大幅限制了智能聯網的應用價值。此外,每家工廠的制程差異大,所強調的監視項目也不同,必須有定制化解決方案。


    例如,利用完工計量管理功能,實時制作當日生產報表,大幅減少生管時間及人力,自動匯整設備的當日產量及生產效率,提供簡易型的機報工系統(如圖八),也可透過Line推播方式,將“生產完成數量”與“當日設備稼動率”,主動通知生管人員及相關主管,協助客戶掌握最新生產狀況。


    或者是設備故障主動通報,利用Line推播方式,主動通知“停機過久無人處理”,讓現場主管及維修人員掌握實時狀況,也可發展設備異警廣告牌,顯示異常狀況的機臺,透過兩階段示警功能,提供異常機臺的處理順序。


    智能聯網以SMB與數據服務器建立信息平臺,整合工廠內部所有資源,包含機器與系統信息、工人技術與知識等,以及應用市場需求,透過網絡實時聯機至信息平臺,才能掌握生產現場狀況,有效改善工廠問題,擬定優化生產策略。


    為有效闡述SMB方案的建議,本文區分為供應端的設備制造廠、系統整合廠(SI),以及需求端的傳統制造廠,說明有效方案的必要條件。具體內容如下:


    以設備制造廠的角度來看,中國臺灣省機械制造廠多與國際代理商合作,并在全球市場有代表地位,如金屬工具機、塑料機械、紡織機械、木工機械等,對于終端顧客的制程需求所知有限,也凸顯出整合解決方案的局限性,面對智能制造及數字轉型趨勢,必須積極創新發展,強化制程know-how及定制化方案,同時結合工業物聯網技術(IIoT),以及機聯網功能、大數據分析、人工智能等新科技,利用自動化彈性制造單元,創造終端顧客需求的系統整合方案。


    對系統整合廠而言,為創造整廠機臺信息的聯網平臺,系統整合廠必須串接所有機器設備,同時提供顧客需求的客制化方案,才能發展一目了然的可視化功能,達到快速因應的實質效益,除了市售標準化的套裝模塊外,系統整合廠更應有能力串接老舊機臺,進行機械碼程序的轉譯,達到所有機臺信息擷取及應用,異常發生的第一時間即快速警示,甚至是用生產信息發現陳年問題,或是維護保養及防微杜漸,協助顧客精進制造技術,才能提高制造廠導入SMB意愿,協助生產信息的數字化轉型。


    而傳統制造廠的部分,機聯網的機臺數據搜集,主要是透過機臺的控制器,或加裝I/O卡及傳感器于機臺上,再與SMB連結,將廠內機器信息搜集起來,并進行機械碼程序的轉譯,將生產現況可視化,持續監控與改善生產問題,協助擬定優化生產策略。


    多數制造廠面臨日益激烈的競爭壓力,可借用整廠機臺信息的聯網平臺,協助優化生產效率,利用數字轉型創造新競爭力,也必須慎選優質服務商,同時培養廠內人員的數位化智能。具體內容概述如下:


    有效收集生產信息,創造可視化、透明化、數字化等應用價值。


    運用大數據分析、物聯網等新科技,發展制程模擬、預測等智能化功能,以利于最適化機臺規劃,如相同質量水平,但生產速度最快,或固定生產速度,但質量良率最高,進而精進相關管理制度及顧客關系。


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