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善用制造信息揪出制程细节的魔鬼

中国台湾的中小企业发展趋势

中小企业为中国台湾省经济发展的推手,2019年厂商家数为149.1万家,占企业总数的97.65%,较2018年增加了2.5万家,成长1.72%,特别是资本额小于500万元的有124.4万家,所占比重超过八成,指出中小企业的资源局限性;在就业人数方面,2019年中国台湾省中小企业聘雇人员有905.4万人,占就业总人数的78.73%,较2018年成长0.99%,也可知中小企业在就业市场的关键地位,详见表1。

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目前,中国台湾省中小企业多数面临二代接班问题,既有经营知识及能力如何传承,或资深老师傅将退休,年轻人如何掌握制程技能,或年轻人不愿待在工厂,只好聘外劳填补劳动力,又碍于外劳无法长期留任,导致制造人力的不稳定性,或业务人员面临竞争者抢单压力,却无法弄清楚工厂产能,如何快速响应及接单,更不用说企业内部的物料采购、质量管理、人力安排、仓储等相关管理功能,或跨企业合作的物流配送、通路铺货、营销推广等运作机制,在在是当今中小企业的经营痛点。

自2011年起,德国提出工业4.0的新概念,强调智能制造、虚实合一、人机协作等,美国、日本、韩国及中国大陆也陆续推动相关方案,让智能制造成为全球制造业的重要趋势,也带出数字转型的新契机,不仅是自动化设备、机器人等软硬件投资,更可能是生产现场的设备联网及信息搜集,包括工厂内机器的联网互通、流程整合与自动化、供应链信息透明及整合等,牵涉到大量信息的流通、分析及管理,利用数据找出生产现场的痛点,并在营销、研发、采购、后勤支持等不同流程中,找到既有做法的缺陷,再进行优化,提升制造工厂的竞争力,如提升质量、附加价值、缩短生产周期等,并对应外部顾客要求及竞争者压力。

随后,受到新冠疫情影响,随着区域政治经济不确定性的提高,进而衍生供应链重组、远程监督及控制、非接触式作业等制造方案,也有不少中国厂商积极评估及投入,但既有厂房的机台设备与组织文化不易改变,特别是资源有限的中小企业,必须在既有资源与基础上,找出一条务实可用的路,才有最适化解决方案。

智慧机械及SMB政策

中国台湾省企业有九成以上为中小企业,受限于人力、物力等限制条件,推动智能制造及数字转型等创新,经常面对信息人力不足、成本效益不彰等问题,无法像大型企业有丰富资源,尝试失败打掉重练即可,如何选择关键制程加以推动,短期先建立有感战果,再逐步扩散至其他流程,同时善用中国台湾省地区的机械、自动化及系统整合、资通讯等产业基础,加上产学研等单位资源及专业能量,将有助于最适化制造方案的快速落实。

为建构智慧机械产业之生态体系,特别是资源有限的中小企业,生产数据多半采用纸本记录,再仰赖人工输入系统,不仅有几小时或数天的时间落差,更可能因人员欺瞒或输入错误而差异甚大,需要协助中小企业数字化,也是“智慧机顶盒(SmartMachineBox,简称SMB)辅导计划”的推动主因,协助机械与制造业企业导入设备联网、生产管理可视化与智能化应用,进而提升国际竞争力。

国内制造业应用案例

SMB可用来收集机器设备的加工信息,如控制器的操作指令,或I/O卡撷取的机台电器讯号,或三色灯讯息的当机(红灯),待料、换模、无人操作等(黄灯)及正常运作(绿灯),或加工机台的生产周期、等,可掌握生产现场实时状态,有效改善制程问题,同时做到防微杜渐,进而提升产出质量。

本文探讨两家中小型制造厂的机台联网及生产信息加值案例,说明资源有限的中小企业,如何面对内外部顾客及竞争者挑战,即使厂区内机龄不一的中古机台,如金属加工机的车床、铣床等,仍可发展智能制造及数位转型方案。

汽机车、手工具机、医疗器材等金属零件制造业

甲公司专精于各类工具机的制造技术,如车铣复合、精密车床等,特别是难切削材料及精密零件加工,已应用于汽车、机车、自行车等车辆零件,以及手工具机、光学、电子、轴心等金属工件,也积极开发骨科及牙科植体、医疗器械等高附加价值产品,持续提升竞争力,并扩大获利空间。

生产痛点

导入SMB系统之前,甲公司生产数据都是纸本抄写,再用人工输入系统,一定会有时间差,也可能输入错误,管理阶层很难掌握机台的实时稼动信息。因此,业务人员面对顾客要求时,无法立刻弄清楚产能状况,常让急单拱手让人,这种生管信息的时间差及错误问题,也会衍生很多有形、无形成本。除此之外,该公司想切入国际车厂的供应链,必须通过ISO/TS16949和IATF16949等车规认证,如何掌握生产制造的实时资讯,同时改善生产管理体系,也是持续精进的当务之急。

解决方案

本案进行15台走心式车床的CNC控制器连线,首先布建工厂内的网络系统,协助导入智能机顶盒,并建立智能联网系统。具体功能有:设备联机设定管理功能(工厂内生产设备无实体网络线,导入之初先架设厂内网络系统)。数据撷取与储存管理功能:本案用一台资料服务器及两台SMB搜集机台资料,每台SMB联网上限为10台。设备稼动管理功能:机器运作可区分为四种稼动状态,OFF代表未开机,显示灰色;RUN表示正在加工,显示绿色;机器闲置(IDLE)时,显示黄色;最后,机器故障时,以红色表示,通知现场操作员或设备工程师前往排除警告(ALARM)状态。透过机器圆饼图之颜色占比,协助进行机器稼动率管理,改善IDLE或ALARM状态,进而提升生产效率。

稼动甘特图:了解各设备24h稼动状态,知道设备何时是无生产状态,如IDLE或ALARM,以利于提升稼动率。

稼动明细表:持续累积稼动信息,可查询某机台生产各产品的加工时间,提供精进生产管理的有用信息。

完工计量管理功能:立即制作当日生产报表,不用人工抄写纸本数据,大幅精简时间和人力。另外,立即汇整当日生产料件和生产效率,提供简易的机报工系统。

故障主动通报功能:利用设备异常警告广告牌,协助管理者掌握异常状况,也有两阶段示警功能,当第一阶段示警10min仍未处理,即会发出第二阶段示警,有效改善异常处理能力,进而提升机台稼动率。

导入SMB第一阶段的重点工作为搜集机台信息,找出闲置生产设备,提升机台稼动率。另外,提供客制化报表,协助管理生产进度,随时掌握机台料件状况,减少每日生产报表的统计时间。

透过TCP/IP网络通讯技术,可以取得三菱控制器信息,如工件数、机台运作状态等。接着,统计各工具机的生产信息,以图表方式呈现于广告牌系统,达到目视管理功能;透过联网平台的实时信息,快速地掌握机台稼动率及相关信息,再汇整成各机台的当日产能、达标率及利润。

管理者利用客制化的机况广告牌,可清楚掌握生产进度与每日产量,也能输出EXCEL文件,显示各机台的当日产量、稼动率、利润和生产起迄时间。

应用效益及未来展望

透过SMB辅导计划,甲公司建立15台走心式车床的机联网系统,让管理阶层在第一时间掌握机台稼动状况,透过可视化系统,展示实时且详实的生产信息,也会促进业务推广,不必浪费时间追踪生产进度,立即告诉顾客能否接单,有助于顾客关系的紧密链结。

在量化指针部分,已导入SMB系统的15台走心式车床,每日停机时间由120分钟缩短至70min,每日产量增加560个,以全年不停机现况来看,每年产量增加20多万个,相关投资在一年内回收,多数生产信息自动化输出,也减省生产人员作业的九成,奠定了智能工厂的信息化基础。

展望未来,甲公司利用既有机联网系统,再用I/O卡或CNC控制器,即可联机至新设备,掌控整个工厂的机台状况,促进制造效益极大化,进而提升生管效率。

自行车金属零件制造业

乙公司创始初期为机械、马达及五金工具的制造商,随着生产技术的持续进步,转型成为自行车、汽车等零件的供货商,特别是自行车零件的花鼓、踏杆及避震器轮组等,已拥有多个技术专利,成功推出自有品牌,并将产品推广至国际市场,成为自行车大厂的主要供货商,期望追随整车厂的成长脚步,促使企业不断精进,迈向永续经营之道。

生产痛点

导入SMB系统之前,乙公司生产状况不清不楚,让经营团队很头痛,主要原因为生产数据仰赖操作员填写,可能谎报或书写错误,再由生管人员输入及统计,即使花费大量时间及精力,仍然无法有效掌握,也可能得到错误讯息,无法快速追踪及改善。

为解决老板们的头痛问题,希望导入智慧设备联网的可视化管理,正确呈现机台状况及生产信息,也提供每一机台的生产日报表,包括当日产量、稼动率、利润、生产起迄时间等,汇出EXCEL檔查存,有助于掌握实时生产状况,并解决人工操作的生管问题。

解决方案

乙公司厂区内无实体网络线,首先建构厂内基本网络,再进行机台联网作业,包括12台CNC立式铣床与8台走心式车床,可依据管理者要求,提供每一机台之生产日报表,精确地掌握每日生产状况。

同时,透过网络交换器串接生产设备与SMB间之网络通讯,并用SMB设备,实时撷取20台设备之生产现场资料,汇整成稼动率的可视化信息,也有实时导出的生产报表,解决了生产资料难掌握问题,奠定下一阶段升级智能制造信息化工厂的基础。另外,借由以太网络联机各生产设备之控制器,只要勾选是否联机、控制器厂牌、机台名称、控制器IP等,即可读取与搜集各机台实时状态及相关信息。

乙公司透过机联网的生产现场监控系统,做到厂内生产状态的可视化,实时掌握工厂机器状况,进而监控及改善生产问题,拟定优化生产策略,促使生产效率极大化。具体内容如下。

设备稼动管理功能:查看联机各设备机台之实时运作状态、实时稼动率、当前加工程式,以及工件产量等信息,随时掌握机台稼动状态与产量。

稼动圆饼图:了解某区间稼动状态(OFF、RUN、IDLE、ALARM)之占比,协助改善IDLE或ALARM问题,有效提升生产效率。

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稼动甘特图:了解各机台24h稼动状态,知道设备何时是无生产状态,如IDLE或ALARM,以利于提升稼动率。

稼动明细表:累积长期稼动信息,可查询任一机台生产各产品的加工时间,提供精进生产管理的有用信息。

完工计量管理功能:立即制作当日生产报表,不用人工抄写纸本数据,大幅精简时间及人力。另外,立即汇整20台CNC机台的当日生产料件和生产效率信息,也提供简易型的机报工系统。

故障主动通报功能:利用设备异常警告广告牌,协助管理者掌握异常状况,也有两阶段示警功能,当第一阶段示警10分钟仍未处理,即会发出第二阶段示警,改善异常处理能力,进而提升机台稼动率。同时,配合客制化需求,提供生产日报表导出EXCEL文件,以便查看各机台当日产量、稼动率、利润和生产起迄时间等信息,减少统计生产日报表所花费的时间。

应用效益及未来展望

透过SMB系统的辅导,乙公司导入12台CNC立式铣床与8台走心式车床的智能联网系统,促进五项智能化生产管理功能,不再仰赖人力追踪生产进度,成功地解决管理阶层的生管问题,也提供客制化的可视管理系统,包括各机台实时稼动率、设备生产履历查询、设备日报表输出等功能,并进行完整的教育训练,让管理阶层熟悉操作网页,所有智能联网装置采用独立的局域网络系统,避免有心人士窃取生产信息,也将推动下一阶段生管升级,包括汰换老旧设备,逐步推广至其他设备,推动所有设备的全面性联网,以及横向、纵向管理功能的串接。透过生产稼动状况的可视化,国际顾客可实时掌控生产现场状况,已跳脱传统制造厂的刻板形象,有助于海外顾客的品牌认同度,进而推广优质国产品。

以量化效益来看,乙公司为三班制作业,每天运作24h,全年工作超过360天,导入前每部机台、每天停机时间为580min,导入后缩短至500min,减少幅度达13.8%,以导入的20台设备来看,每日产量增加1040个,每年产量增加近38万个,投资经费大约半年回收,也奠定了智能工厂的信息化基础,透过长期生产信息的累积与分析,可导入更多智能化功能,如大数据分析、产能预测、制程模拟、最适化机台规划等,有助于多样化、批量产品的生产制造。

善用SMB创造生产价值

中国台湾省企业多数为中小企业,向来有快速变化的经营弹性,也是国际大厂的重要供应商,具有竞争者难抗衡的性价比优势。随着后进厂商的快速崛起,中国台湾省企业也面临二代接班、制造技能传承、劳动力欠缺等问题,如何巩固既有竞争优势,甚至创新专业能量,是当今制造厂必须思考课题,有效善用SMB方案,可以创造制程改善、生产效率提升、产品销售增长、顾客关系链结等价值,值得审慎评估。

不同于国际大厂,中国台湾省中小企业的资源有限,难以用“打掉重练”的智慧联网方案,有效串接不同产品、制程、机台及应用系统,端赖供需双方的共同合作,才能发展需求导向的最适化方案,再用将本求利方式复制扩散,也要组织文化的配套调整,以及专业技能的同步提升。

以金属加工业为例,每家工厂的机台数量约20~50台,更有10%左右为老旧机台,多数机龄超过二、三十年,建置机台稼动监控与管理平台,必须修改机台既有接口,如更换PLC、加装I/O卡等,才能进行整厂设备的智慧联网,部分业者碍于专业能力限制,或修改机台的潜在风险高,可能索取高价费用,或仅串接有开通通讯界面(如控制器)的机台,大幅限制了智能联网的应用价值。此外,每家工厂的制程差异大,所强调的监视项目也不同,必须有定制化解决方案。

例如,利用完工计量管理功能,实时制作当日生产报表,大幅减少生管时间及人力,自动汇整设备的当日产量及生产效率,提供简易型的机报工系统(如图八),也可透过Line推播方式,将“生产完成数量”与“当日设备稼动率”,主动通知生管人员及相关主管,协助客户掌握最新生产状况。

或者是设备故障主动通报,利用Line推播方式,主动通知“停机过久无人处理”,让现场主管及维修人员掌握实时状况,也可发展设备异警广告牌,显示异常状况的机台,透过两阶段示警功能,提供异常机台的处理顺序。

智能联网以SMB与数据服务器建立信息平台,整合工厂内部所有资源,包含机器与系统信息、工人技术与知识等,以及应用市场需求,透过网络实时联机至信息平台,才能掌握生产现场状况,有效改善工厂问题,拟定优化生产策略。

为有效阐述SMB方案的建议,本文区分为供应端的设备制造厂、系统整合厂(SI),以及需求端的传统制造厂,说明有效方案的必要条件。具体内容如下:

以设备制造厂的角度来看,中国台湾省机械制造厂多与国际代理商合作,并在全球市场有代表地位,如金属工具机、塑料机械、纺织机械、木工机械等,对于终端顾客的制程需求所知有限,也凸显出整合解决方案的局限性,面对智能制造及数字转型趋势,必须积极创新发展,强化制程know-how及定制化方案,同时结合工业物联网技术(IIoT),以及机联网功能、大数据分析、人工智能等新科技,利用自动化弹性制造单元,创造终端顾客需求的系统整合方案。

对系统整合厂而言,为创造整厂机台信息的联网平台,系统整合厂必须串接所有机器设备,同时提供顾客需求的客制化方案,才能发展一目了然的可视化功能,达到快速因应的实质效益,除了市售标准化的套装模块外,系统整合厂更应有能力串接老旧机台,进行机械码程序的转译,达到所有机台信息撷取及应用,异常发生的第一时间即快速警示,甚至是用生产信息发现陈年问题,或是维护保养及防微杜渐,协助顾客精进制造技术,才能提高制造厂导入SMB意愿,协助生产信息的数字化转型。

而传统制造厂的部分,机联网的机台数据搜集,主要是透过机台的控制器,或加装I/O卡及传感器于机台上,再与SMB连结,将厂内机器信息搜集起来,并进行机械码程序的转译,将生产现况可视化,持续监控与改善生产问题,协助拟定优化生产策略。

多数制造厂面临日益激烈的竞争压力,可借用整厂机台信息的联网平台,协助优化生产效率,利用数字转型创造新竞争力,也必须慎选优质服务商,同时培养厂内人员的数位化智能。具体内容概述如下:

有效收集生产信息,创造可视化、透明化、数字化等应用价值。

运用大数据分析、物联网等新科技,发展制程模拟、预测等智能化功能,以利于最适化机台规划,如相同质量水平,但生产速度最快,或固定生产速度,但质量良率最高,进而精进相关管理制度及顾客关系。

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