Chapter 7 短期生產運籌管理－現場控制系統

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1 Chapter 7 短期生產運籌管理－現場控制系統
祝天雄 博士 97年04月 日

2 大綱 7.1 短期生產運籌管理的角色 7.2 現場控制的功能與系統架構 7.3 現場控制系統簡介 7.4 現場控制網路架構 7.5 結論

3 7.1 短期生產運籌管理的角色 短期生產運籌管理的功能: 承接長期生產運籌管理與中期生產運籌管理的規劃結果，根據現場所收集的資料，進行生產現場的製造規劃與控制活動，並將需要外包的訂單轉交採購運籌管理，以處理外包事宜；此外，短期運籌管理亦提供相關製令資訊 (生產進度、品質) 給配銷運籌管理，以回覆顧客對訂單進度的查詢 (如圖7.1所示)

4 7.1 短期生產運籌管理的角色

5 7.2 現場控制的功能與系統架構 主要任務 指定每一製令的生產優先次序 (priority)
掌握製造現場在製品 (Work-In-Process; WIP) 數量 傳遞製令的生產狀態 (status) 給生產規劃單位 提供實際產出資料以作為控制產能 (capacity) 之依據 提供每一製令的生產數量與生產進度 (含所在位置) 以利在製品存貨數量的估算與會計作業的進行 提供生產規劃單位有關製造現場人力、機器設備的使用效率 (efficiency)、利用率 (utilization) 與生產力等衡量指標。

6 7.2 現場控制的功能與系統架構 工單的檢閱與發放 現場作業排程 五大功能 控制與回饋 資料的收集與監督 製令完工處理

7 7.2 現場控制的功能與系統架構 工單的檢閱與發放(order review / release) 執行重點:
工單檢閱與發放的主要目的: 防止可能產生問題的製令被發放至現場。 (如圖7.2所示)。 執行重點: 確定加工原物料的充足。 決定工單所需要的產能。 決定工單所需要的加工機台及相關輔助工具。 取得製造現場的最新生產狀況資訊，以便輔助決定工單的適當開工時間

8 7.2 現場控制的功能與系統架構

9 7.2 現場控制的功能與系統架構 2. 現場作業排程(detailed shop floor operations scheduling)
現場作業排程的功能: 「藉著分配與協調，來妥善有效的利用製造現場有限的資源 ，以滿足生產策略的要求。」 (dispatching) 整體目標: 確定已發放現場的生產工單能如期完成。 維持與增進生產現場的績效。 充分利用生產現場的瓶頸或關鍵資源。

10 7.2 現場控制的功能與系統架構 3. 資料的收集與監督(data collection / monitoring)
資訊的收集: 利用各種不同的資料收集設備或人員輸入的方式，來收集生產現場的各種資訊。 現行常用的現場資料自動收集的技術有: 條碼 (barcode) 磁條 (magnetic stripe) 語言辨識 (voice recognition) 光學字元辨識 (Optical Character Recognition; OCR) 無線射頻辨識 (Radio Frequency IDentification; RFID) 以及機器視覺 (Machine Vision System; MVS) 資料的監督: 藉由比較由現場所收集的資訊與規劃的資訊 (可能是過去的歷史資料)，來分析實際與計畫之間的差異，並找出造成這些差異大到需管理者重視的原因。

11 7.2 現場控制的功能與系統架構 4. 控制與回饋 (control / feedback)
控制: 當現場的生產進度告一段落或資源使用狀況與既定計畫偏差至一定程度時，現場控制系統或人員必須立即協調現場資源。 回饋: 若現場出現了現場控制系統或人員無法即時解決的問題，則應立即「回饋」給相關的生產規劃系統或單位。 生產現場的問題通常分為兩類 關於製令 關於現場資源

12 7.2 現場控制的功能與系統架構 5. 製令完工處理(order disposition) 製令完工處理的主要目的
製令的解除。 解除分配給該製令的所有資源。 評估該製令的生產績效。 定義及解釋該製令的一些非預期狀況發生。 根據上述分析結果，定義及解決相關的現場問題。 下列情形都會造成製令的結束 製造按計畫完成。 由於顧客取消訂單或其他原因，因而立刻終止該製令的生產。 該製令因原物料不足，必須結束。

13 7.2 現場控制的功能與系統架構

14 7.3 現場控制系統簡介 7.3.1 製造執行系統 7.3.2 製造控制系統 7.3.3 設備控制器 7.3.4 OPC伺服器

15 7.3 現場控制系統簡介 由整體生產運籌管理的角度 ，現場控制系統與生產運籌管理的物料需求規劃系統、外包規劃與控制系統及配銷運籌管理的銷售與訂單管理系統和倉儲 / 存貨管理系統均有直接的關聯。 現場控制系統包含了四個部分: 製造執行系統 (Manufacturing Execution System; MES) 製造控制系統 (Manufacturing Control System; MCS) 設備控制器 (equipment controller) 現場機器設備 (equipment)

16 7.3 現場控制系統簡介

17 7.3.1 製造執行系統(MES) APICS對製造執行系統的定義為: 「製造執行系統是將加工現場中的原物料、半成品、成品、機器、時間、成本等資訊以動態即時的方式來收集、彙整與表達，並追蹤與管制目前正在進行中的各項製造作業的一個資訊系統。」 MES的四個管理面 工單與作業管理 (Order & Operations Management; OOM) 物料與資源管理 (Material & Resource Management; MRM) 品質管理 (Quality Management; QM) 報表及文件管理 (Reporting & Documents Management; RDM)

18 7.3.1 製造執行系統(MES)

19 7.3.1 製造執行系統(MES) 1. 工單與作業管理 途程安排 WIP 追蹤 生產進度查詢 工單與途程單發放 批量分割與合併
緊急批量強制先佔 WIP 追蹤 WIP進站登錄 (check in) WIP上機登錄 (load/move in) WIP加工完成登錄 (unload/move out) WIP暫停 / 放行 (hold/release) WIP離站登錄 (check out) 生產進度查詢 查詢訂單交期 查詢工作站在製品狀態 查詢工單狀態 查詢工作站設備狀態

20 7.3.1 製造執行系統(MES) 2. 物料與資源管理 3. 品質管理 設備狀態監控 設備派工 設備連線資料收集 設備維修保養
目的: 主要在對現場收集的資料作即時 (real-time) 分析，以確保產品的品質。 品質資訊來源 外部: 對供應商及外包廠商原物料與零組件代工品質控制。 內部: 為監督生產現場設備製程中的品管紀錄。

21 7.3.1 製造執行系統(MES) 4. 報表及文件管理 在製造現場的生產活動中，隨時都有大量的資料與文件在傳遞，這些資料文件包含了作業指示單、品質管制分析報告、標準作業程序等，製造執行系統必須確保現場所有報告或文件資料均能被妥善且完整地儲存保管。

22 7.3.2 製造控制系統(MCS) MCS主要的功能: 控制現場機器設備的加工、監督加工過程，回饋給製造執行系統作整合與統計分析用。
在自動化程度較高的生產工廠，常會使用圖控軟體來發展其製造控制系統。並將工廠的現場佈置圖或程序流程圖顯示在電腦螢幕上 物件: 提供給系統一種獨立且可組合的元件，讓使用者可以選擇不同的物件來建立現場控制面板。 TAG: 是圖控系統中用來承載數據資料的一種載具，它提供數據資料一個暫時儲存的空間，並提供外界一個標準的存取格式。

23 7.3.3 設備控制器 功能: 掌控現場設備加工動作的實體設備，先接受上層製造控制系統 (MCS) 的加工指令，並據以控制下層的機器設備之加工行為。 設備控制器可能控制單獨一台機器設備，也可能控制數個或一個加工單元(cell)內的所有機器。依網路架構的不同，設備控制器內儲存的控制運作邏輯亦不同，目前工業界最常應用的為可程式邏輯控制器 (Programmable Logic Controller; PLC)。

24 7.3.3 設備控制器 可程式邏輯控制器(PLC) 是一種以微處理器為控制中心的自動控制系統，PLC中的編碼指令亦可稱之為程式 (program)，因為可隨意的修正與調整，所以又稱之為可程式化系統。 可程式控制器可分為三個主要部份 輸入 / 輸出模組: 提供處理器與外界之間的聯緊。 處理器: 指揮與支配整個系統執行工作。 程式書寫器: 提供使用者進行應用程式輸入、儲存與監視，作為使用者與可程式控制器進行溝通的管道。

25 7.3.3 設備控制器

26 7.3.3 設備控制器 可程式邏輯控制器的種類 微型可程式邏輯控制器: 輸出入點數在32點以下。
小型可程式邏輯控制器: 輸出入點數介於33點與128點之間。 中型可程式邏輯控制器: 輸出入點數介於129點與1024點之間。 大型可程式邏輯控制器: 輸出入點數介於1025點與2048點之間。 超大型可程式邏輯控制器: 輸出入點數介於2049點與8192點之間。

27 7.3.3 設備控制器 可程式邏輯控制器使用的語言 電路圖方式
階梯圖 (ladder diagram) : 為繼電器電路圖的另一種表達方式。由於撰寫方便及清楚容易了解，目前已成為PLC常用的撰寫程式。 布林邏輯圖 (boolean logic diagram): 將電路圖或順序圖轉換成邏輯運算式，再輸入至PLC中。 指令語言: 將電路圖的控制邏輯轉換為控制指令，再輸入至PLC中。

28 7.3.3 設備控制器 可程式邏輯控制器使用的語言 動作圖方式 流程圖 工程步進圖 (亦稱順序圖)
將控制對象的動作製成動作圖表再直接輸入，對於慣用電腦程式設計或機械技術的工程人員而言，此種方式較為便利，主要可分為兩類: 流程圖 工程步進圖 (亦稱順序圖)

29 7.3.3 設備控制器 以下舉一簡單電路圖為例，來說明上述五種語言的表達方式，圖7.8所示的簡單電路圖中有三個機械動作:
按下PB1 (X101) 開始動作 (Y300)。 按下PB2 (X100) 則動作停止。 按下PB1之前仍保持停止狀態。

30 7.3.3 設備控制器

31 7.3.3 設備控制器 可程式邏輯控制器的缺點 裝置時間長 設備擴充不易 維修成本高 現場佈線複雜 一旦故障，則影響整體系統之運作

32 7.3.4 OPC伺服器 OPC 伺服器概述 OPC 伺服器 / 用戶端的運作方式 OPC 伺服器架構
OPC伺服器透過一組一組的介面提供服務；每一個OPC群組則包含了許多的OPC項目，而每一個OPC伺服器則包含若干個OPC群組，同時提供操作這些OPC群組的介面。

33 7.3.4 OPC伺服器

34 7.3.4 OPC伺服器

35 7.4 現場控制網路架構 由於產業型態、生產方式的不同，使得生產現場的控制網路架構亦不盡相同，現場控制系統的網路結構可概分為三類:
集中式控制網路 (圖7.12) 階層式控制網路 (圖7.13) 分散式控制網路 (圖7.14)

36 7.4 現場控制網路架構(集中式)

37 7.4 現場控制網路架構(階層式)

38 7.4 現場控制網路架構(分散式)

39 7.5 結論 現場控制 (SFC): 先承接長期生產運籌管理中的主排程規劃及中期生產運籌管理的物料需求規劃所產生的預排生產工單，將生產現場作最有效益的作業規劃與控制。 由功能面來看: 現場控制系統會先將物料需求規劃所產生的生產工單存放在「工單暫存庫」(order pool) 中，工單檢閱與發放功能模組會對工單暫存庫內的工單作篩選，並將合適的預排工單發放至現場。 從系統的組成來看: 製造執行系統提供資料的彙整及統計分析，製造控制系統則具人機介面 (HMI)，除了直接控制現場的設備控制器外，亦隨時將資源使用狀況反應給製造執行系統。