仿真在自动化工厂的应用分析报告

仿真在自动化工厂的应用分析报告

虽然在数量化分析生产现场时，可以使用作业研究学门中的数量分析模型如

线性规划方法)，但这些方法只有符合其假设条件下才可用；但实务上的生产系统，其复杂性往往远超过这些数学模型所依据的假设，例如异步输送生产线即很难建立解析式数学模型分析。模拟恰可补足此缺失，特别是复杂生产系统的绩效评估或如流程设计等问题，都可用计算机仿真来解决。

以下列出部份计算机仿真可以应用的LCD生产领域及其应用方法：

一、工厂布置分析

工厂布置对于新产品的上线占了极重要的角色，若工厂布置无法确定则机器

设备的采购及产品上市的时间大幅的落后，所造成的损失将无法估计。工厂布置可分为三个重要的部分：

1. 粗略规划：以群组或其他手法找出设备的配置状况，因限制条件甚多，无法

以数学方式去完全解决。

2. 设施位置规划：大部份以2D的CAD来绘制，若能以3D和考虑人机接口的

方式为最佳。

3. 物料流分析：在Layout分析的过程，物料流的分析占了非常重要的部分，因

为以前二项分析经验占了很重要的因素，但物料流的分析因为

没有工厂或者是无法把工厂停机来做分析，模拟扮演了很好的

角色，如产出量的分析，机器MTBF对生产线的影响和动线规

划均可以用模拟来分析。

效益分析：1.正确的设备采购数量及设备参数如MTBF提供。

2.缩短上市时程，每提早一天产生的效益超过百万。

3.提供管理阶层做好决策分析。

4. 规划出单位面积高产能的系统。

二、AMHS系统规划仿真

自动搬运系统的仿真分析，可事先了解搬运车的速度、数量及验证派车法则，不会受制于供货商，通常供货商会加大安全系数，期望客户买越多的AGV越好，但对制造商而言这是一大的成本负担，另外对AMHS系统负荷量的分析也是非常重要，因为一旦系统建立，若要重新Re-layout，其所付出的成本相当可观。例如应为单循环成双循环系统，要有多少部AGV才可造成搬运时间最短，诸如此类的问题，均可透过模拟提供一个很好的解答。

效益分析：1.采购决策。

三、瓶颈分析

所谓生产瓶颈(bottleneck)乃是整体生产物流中某处，因受限于资源容量不

足(机器数量不够或缓冲储存设定过小等因素)，导致生产线该处物料流量比较其前后制程相对较小称之。由于瓶颈将限制系统之整体产出，因此近代生产管理中之TOC限制理论，即将生产瓶颈的改善视为第一要务，甚至不惜牺牲其它非瓶颈站别的效率，以期扩大瓶颈的产出；瓶颈站之前将导致物料积压，而其后制程将因为无物料可供生产导致效率降低，因此如何扩展瓶颈资源便成为改善整体生产绩效的关键。

欲改善瓶颈首先必须确认瓶颈所在，瓶颈资源的特征在于其利用率

(Utilization)相对于其前后之制程站较高；因此欲从仿真的输出报告中找出瓶颈，可观察资源之之使用率报表(Utilization Report)，由其输出直方图中很容易观察到系统瓶颈所在。

效益分析：1.确认瓶颈站。

2.设备投资参考：若瓶颈的设备非常昂贵，就必须谨慎评估，节省

一台机器有时就好几千万。

3.确保生产线之顺畅。

2.派工分析。 3.Layout分析。

四、生产线平衡

生产线平衡问题的目的为安排个别制程或装配作业给各工作站，使每一工作

站的所需时间几近相等，以平滑生产流程。生产线平衡过程中必需考虑到前序作业限制及最小合理工作单元，其方法很多但多属于启发式算法，如最大需时法则、Kilbridge-Wester法、相对位置加权值顺位法等，若问题规模过大亦可使用现成用以解生产线平衡的软件工具。但不管使用这些算法或计算机求解同样面临无法考虑作业时间变异的问题，亦即上述方法都是假设作业时间是确定性的

(deterministic)而非随机的(stochastic)，但现实状况作业时间却都是随机的，

因此需仰赖模拟工具验证所求得的解答之有效性。

模拟工具可用以确认平衡解的有效性并微调出较佳解，但基本的平衡解仍然必需仰赖前述方法在确定性的假设下求得。将基本平衡解考虑作业时间的变异，建构成仿真模式，由输出报告的使用率中确认平衡的效果，若不满意再作有方向性的微调，即可得比传统方法更佳的平衡解。

效益分析：1.避免人员浪费，工资人力成本的节省。

2.避免瓶颈的产生。

3.提高机器使用率。

五、缓冲区大小设定

在制程站或装配站之间，为了避免物流阻塞(Block)，通常会设定在制品缓冲区(WIP Buffer)，其目的是为了处理制程时间的变异或生产线平衡的不完美。缓冲区的设立除了会占用厂房面积，亦会产生过多的在制品库存及衍生的储存成本、资金积压成本等，可说是一”必要之恶”。基于此，JIT生产观念即希望将缓冲区的需求减至最低，但到底需要多大的缓冲区才够呢？仿真软件可用于分析缓冲区的空间需求，及不同缓冲区可能造成的影响。

欲使用仿真软件分析缓冲区的实际需求，其方法为在建构仿真模式时先将缓冲区规模设为无限大，再由模拟结果报告中观察缓冲区资源(Location)的时序(Time Series)变化，若不希望缓冲区造成阻塞则直接将其容量(Capacity)设为时间过程的最大量即可；若希望适度阻塞以节省空间及限制WIP水平，则模拟亦可辅助了解其可能的影响。此外，若模拟环境的整体库存空间是固定的，模拟亦可用于决定缓冲区空间的配置量(以各缓冲区的平均库存量分配即为一法)；进一步可分析缓冲区共享与否的决策。

效益分析：1.大量节省土地成本。

六、产出分析

到底制造系统(可能是一工厂、生产线或工作中心)在一段时间内(每天、每月或每年…)对不同产品或产品组合的产出量多少，即为一产出分析的问题。当然对单一产品，批量设定大小亦会影响产出，而对不同产品组合除了考虑批量大小外，组合方式与投入顺序也会造成产出量的差异。因此产出分析不能单单凭借设备产能计算得知。

比较可靠的产出分析方法为透过制造现场仿真模式的建立，直接将不同产品 2.选择正确的缓冲区位置。 3.缓冲区的缩减亦可大量降低库存成本。

令单以指定顺序输入仿真模式中，再由输出报告中观察各产品输出量的时序变化即可。使用仿真模式分析产出的好处是透过其内模块参数的调整，很容易的的分析不同期间、不同批量、不同产品组合、不同投入顺序的产出，且可以考虑到制程统计变异或如当机、设备排程、机器设置时间因前后批产品而不同等等传统分析方式难以考虑的现实状况。

效益分析：1.正确的预估产能，不必无端的扩产投资。

2.设计出符合需求的生产系统降低投资成本。

七、接单决策

当业务员承接客户订单时，如何定价及允诺交期是主要的两大决策。以订价而言，过高则失去竞争力，过低又担心没有利润；至于交期允诺亦然，所承诺交期过长，可能因此失去客户，过短又担心订单逾期造成商誉损失。因此如何得知所接订单的准确交期及生产成本以支持接单决策，成了商品营销的关键。不幸的，由于制造现场在不同时间有不同程度的负荷，因此希望以MRP展开推算产品制造前置时间变成不切实际的事，欲由成本分析加总总成本亦难克服非正常班次时间的成本率波动问题。而使用模拟工具可解决此类问题。

透过仿真模式的建立，可以实验在现有负荷下投入新订单可能造成的影响，及该订单从投入到产出的精确时间等。

效益分析：1.提升竞争力。

2.掌握客户，提高服务水平。

3.提供准确的交期。

八、排程、派工模拟

排程方法定义成“对一个要执行的工作组合，考虑时间的因素作资源的分配”，其除了安排工作排序外，更要对批量及资源(机器、时间等)作一合理的安排用于整体现场监控架构的排程与派工功能上。大体而言，排程方法可概分为较传统的以及较近代的整合式排程技术两大类。前者为针对问题的特殊性质寻找排程解，寻找的方法可能使用算法(algorithm)、探适法、线性规画模式、仿真等；后者则强调不同方法的整合，希望能发展出因应不同现实状况的弹性排程系统，例如使用专家系统作实时现场排程。由于传统的排程技术是把目标定在寻找最佳解(或可行解)，然其过多的假设条件造成在现实作业环境实施的困难，而失去有效性。而近代对排程问题所发展的方法则使用计算机软硬件技术为基础，特别是数据的表示和使用人工智能技术，以提供现实环境排程问题的可行解。 由于排程为制造现场重要的活动，此方面技术在学术界已研究达三十年之久，且发展出许多有创意的排程方法，然尽管这些排程技术为数众多，业界普遍的看法却认为在现场监控的现实问题的解决上有困难，往往特定方法只能用于特

定环境。近年来，以计算机技术为基础所发展出来的排程技术渐能补足这方面的缺憾，特别是以模拟方法进行排程解的试验。

仿真法排程乃是希望在计算机环境建立所欲分析的制造模型，并藉以实验不同排程，再由仿真结果所显示之各项排程指标，选取一适当排程方式。模拟的过程包含以下五个步骤：(1)系统定义和问题模式化；(2)现场资料收集；(3)仿真模式建立；(4)模式确认(5)实验不同排程方案。

在动态排程问题中，外部订单到达乃是随机性的(无法像静态排程般一开始即固定不变)，模拟法由于可以任意定义订单输入的随机性，为解决动态排程最主要的工具。其以数学和逻辑的方法，使用计算机为工具仿真真实或假设性的制造环境于连续时间的生产状况。

随者计算器运算功能的增长以及仿真软件环境的改善，模拟法排程使用愈广。

效益分析：1.建立公司专属的派工策略，提升制造技术。

2.排程验证，提升交期准确性。

九、及时生产(JIT)系统

及时生产系统之观念始于希望藉由排除多余库存与过剩劳动力以降低成本(创造利益)，兼能提高(资本)周转率，提高质量。此生产方式源于日本，因1973石油危机而推广运用。在JIT生产方法，透过现场改善活动在降低成本的同时，又能达成数量控制、质量保证与人性尊重等目标，可说是创意之根源。作业员透过称为品管圈的集团活动提出改善建议提案：藉由调整标准作业流程以适应周期时间的变化而改善“数量管理”；藉由防止不良品和机器故障之重复发生以达成质量保证；藉由作业员参与生产过程而达成人性尊重。

在JIT生产方法中，广告牌制度是辅助JIT运作方式而设计的方法，是“对各制程的生产量进行控制的信息系统”。其中的广告牌，即为记录领取量(若为提料广告牌)或生产量(若为生产/订购广告牌)讯息的卡片。

直接导入JIT生产方式可能会造成生产线的混乱或因为缺料停工造成损失，因此JIT生产方法之引进，可使用渐进的方式进行，例如逐步降低库存至零库存，毕竟，JIT的很多核心活动，如现场改善活动，需要一段时间蕴育，而非一踀可几。

在JIT生产方式导入过程中，模拟工具可作为评估工具，评估降低库存所可能的连锁反应，不同改善活动是否可以避免这些可能的混乱。另一方面，仿真工具亦可以信息流控制物料流的方式，模拟出广告牌管理制度。

效益分析：1.降低库存。

2.避免造成生产线极大的冲击。

结论：

1. 根据德国FHG Simulation机构调查，模拟的ROI (Return on investment)为6:1

(Benefit/Cost)时间为低于一年

2. 根据Tecnomatix针对Simple++仿真软件用户调查产生的效益： a. Due Date Perfermance：增加20~45%

b. Production Cycle time：降低10~40%

c. Equipment Utilization：提高5~20%

d. Order Lead Time：降低10~40%

e. Inventory leuel：降低10~25%

f. Operational Cost：降低10~30%

3. 系统仿真能在计算机上建立出本公司的LCD厂，可做为管理阶层作为决策辅助

之用。

4. 运用仿真技术能大量缩短产品上市时程，强化竞争力。

5. 模拟能大量减少投资浪费，提高机器使用率，找出瓶颈资源站，适合的人力资源分析，提高客户满意度，增加公司的利润。

6. 仿真也是良好训练工具，藉由仿真模型的建立可以训练员工去了解公司的相关制程，除此之外也是一个很好的训练model。

7. 模拟能培养员工勇于下决策的能力：每个人均害怕下决策，更怕做错决策，模拟工具允许员工在事前做What-if的分析，提供一个比较可靠的量化分析不易出错。

8. 经由模拟项目的进行，可以把公司内部流程及缺乏的信息建立完整，对下一 次项目的规划更能事半功倍。