JP6629698B2 - セルコントロールシステム - Google Patents
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Description
本発明は、セルコントロールシステムに関し、特に機械の停止時間を考慮した稼働計画を行うセルコントロールシステムに関する。
図５は、複数の製造機械で構成される製造セルを管理するセルコントロールシステム（製造管理システム）を示す図である。セルコントロールシステムは、製造機械の使用状況を管理したり、どの製造機械を使用するかを判断したりしながら、生産計画装置から指示される製造計画に基づいて各製造セルに対して稼働指示をすることで、製造セル全体の稼働率を向上させている。
製造計画に従って製造セルを稼働させている際に、稼働している製造セルが備える製造機械にアラームが発生して動作を停止すると、当該製造セルにおける生産性が低下し、結果として製造セル全体の稼働率が低下してしまう。
製造計画に従って製造セルを稼働させている際に、稼働している製造セルが備える製造機械にアラームが発生して動作を停止すると、当該製造セルにおける生産性が低下し、結果として製造セル全体の稼働率が低下してしまう。
このような事態に対応するための従来技術として、例えば特許文献１には、加工ショップの加工機の稼働率等の生産性指標を最大化する加工工程計画と生産計画を利用者に提供する加工工程計画装置が開示されている。特許文献２に開示される加工工程計画装置は、稼働率などの生産性指標を最大化する加工工程を選択し、その加工工程に基づいて生産計画を作成しており、作成した結果を計画策定者が確認し、修正する必要があるならば、入力手段により加工工程を再選択し、生産計画を再計算している。
また、特許文献２には、生産設備の異常の際に、スケジュール変更（リスケジュール）を行うか否かの決定およびリスケジュールそのものを自動的に行うことができるリスケジュール装置が開示されている。特許文献１に開示されるスケジュール装置は、異常検出部が検出した異常発生設備、その異常により停止した時間、異常原因を記憶した異常履歴データと、設備の異常を検出したときに、異常履歴データを検索して、生産設備に同じ原因があるか否かを判断し、同じ原因がある場合にはその異常により停止した時間と基準時間とを比較して、基準時間以上停止している場合に、スケジュールデータを変更するリスケジュール処理部を有している。
また、特許文献２には、生産設備の異常の際に、スケジュール変更（リスケジュール）を行うか否かの決定およびリスケジュールそのものを自動的に行うことができるリスケジュール装置が開示されている。特許文献１に開示されるスケジュール装置は、異常検出部が検出した異常発生設備、その異常により停止した時間、異常原因を記憶した異常履歴データと、設備の異常を検出したときに、異常履歴データを検索して、生産設備に同じ原因があるか否かを判断し、同じ原因がある場合にはその異常により停止した時間と基準時間とを比較して、基準時間以上停止している場合に、スケジュールデータを変更するリスケジュール処理部を有している。
一般に、従来技術における稼働計画装置では、各機械の所要時間から生産量が最大となるスケジューリングを行い、全体のスループットを最大にするように適した機械に対して加工を割り振り、その結果に基づいて稼働指示を行うことで稼働率および生産性を向上させているが、多くの場合、特許文献１に開示されるように、機械に異常が発生した場合を想定したスケジューリングを行っていない。また、特許文献２に開示されるシステムでは、機械異常が発生することを念頭に置いて生産計画を立案しているが、異常の発生自体を抑制することは考慮していない。
そこで本発明の目的は、製造セルの稼働計画によって、製造セル内の異常発生確率を低減するセルコントロールシステムを提供することである。
本発明では、製造セルに含まれる機械の制御装置を、セルコントローラに接続する。各セルコントローラは、以下の組み合わせによるアラーム発生の要因を検出する。
１．機械自身の稼働状態が要因となるもの（劣化など）
２．機械と機械の稼働状態の組み合わせによるもの（ノイズなど）
３．機械と加工プログラムの組み合わせによるもの（機械の加工時の特性など）
そして、セルコントローラは、生産性の低下が予め設定した許容範囲内で、アラームの推定要因をより避けるような製造セルの稼働スケジュールを作成して候補とする。このようにして作成された製造セルの稼働スケジュール候補と、従来技術により作成された製造セルの稼働スケジュールとについて、アラーム発生による推定停止時間を加算した平均所要時間を算出し、従来技術により作成された稼働スケジュールよりも平均所要時間が低下する稼働スケジュール候補があれば、代わりにその稼働スケジュール候補を採用し、採用した稼働スケジュールに従って各製造セルに対して稼働指示を送信する。
１．機械自身の稼働状態が要因となるもの（劣化など）
２．機械と機械の稼働状態の組み合わせによるもの（ノイズなど）
３．機械と加工プログラムの組み合わせによるもの（機械の加工時の特性など）
そして、セルコントローラは、生産性の低下が予め設定した許容範囲内で、アラームの推定要因をより避けるような製造セルの稼働スケジュールを作成して候補とする。このようにして作成された製造セルの稼働スケジュール候補と、従来技術により作成された製造セルの稼働スケジュールとについて、アラーム発生による推定停止時間を加算した平均所要時間を算出し、従来技術により作成された稼働スケジュールよりも平均所要時間が低下する稼働スケジュール候補があれば、代わりにその稼働スケジュール候補を採用し、採用した稼働スケジュールに従って各製造セルに対して稼働指示を送信する。
そして、本発明の請求項１に係る発明は、生産計画装置と、少なくとも１つの製造機械を備える少なくとも１つの製造セルと、前記生産計画装置から受信した製造計画に基づいて前記製造機械に対して稼働指示を送信するセルコントローラとを備えたセルコントロールシステムにおいて、前記セルコントローラは、前記製造計画に基づいて前記製造機械の稼働スケジュールを作成する機械稼働指示部と、前記稼働スケジュールに従い稼働する前記製造機械の稼働情報を収集する稼働情報収集部と、前記稼働情報収集部が収集した稼働情報に基づいて、前記製造機械でアラームが発生する確率であるアラーム発生確率を推定するアラーム確率推定部と、前記機械稼働指示部が作成した稼働スケジュールに基づいて、前記稼働スケジュールを構成する動作要素の順序または前記動作要素の開始時間を変更した少なくとも１つの稼働スケジュール候補を作成するスケジュール候補作成部と、前記アラーム確率推定部が推定したアラーム発生確率に基づいて、前記稼働スケジュールおよび前記稼働スケジュール候補のそれぞれについて、アラーム発生を考慮した所要時間を推定し、推定した該アラーム発生を考慮した所要時間が最も短いものを前記稼働スケジュールおよび前記稼働スケジュール候補の中から選択稼働スケジュールとして採用する最適候補選択部と、を備え、前記機械稼働指示部は、前記選択稼働スケジュールに基づいて前記製造機械に対して稼働指示を送信する、セルコントロールシステムである。
本発明の請求項２に係る発明は、前記アラーム確率推定部は、前記製造機械の前記稼働情報に基づいて前記アラームが発生した際に該アラームから復旧するための所要時間である復旧所要時間を推定し、前記最適候補選択部は、前記アラーム確率推定部が推定したアラーム発生確率及び復旧所要時間に基づいて、前記稼働スケジュールおよび前記稼働スケジュール候補のそれぞれについて、アラーム発生を考慮した所要時間を推定する、ことを特徴とする請求項１に記載のセルコントロールシステムである。
本発明によれば、製造セルへの生産指示を実行する際に、稼働率の低下がより起こりにくい製造計画を作成して実行することで、製造セル全体での生産性を向上させることが出来る。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるセルコントロールシステムの概略構成図を示している。なお、図１において点線矢印は従来技術における情報の流れを、実線矢印は本発明で導入された情報の流れを示している。本実施形態のセルコントロールシステム１は、生産計画装置２、セルコントローラ３、および少なくとも１つの製造セル４が、ネットワークなどを介して接続されて構成される。
図１は、本発明の一実施形態によるセルコントロールシステムの概略構成図を示している。なお、図１において点線矢印は従来技術における情報の流れを、実線矢印は本発明で導入された情報の流れを示している。本実施形態のセルコントロールシステム１は、生産計画装置２、セルコントローラ３、および少なくとも１つの製造セル４が、ネットワークなどを介して接続されて構成される。
生産計画装置２は、少なくとも１つの各製造セル４において行われる全体的な製造作業を計画し、計画した製造作業を製造計画としてそれぞれの製造セル４を管理するセルコントローラ３へと送信する。生産計画装置２は、従来技術と同様に各製造セル４における生産能力などを考慮した製造作業の割り振りを行い、全体のスループットが最大になるように製造作業を割り振ることにより製造計画を作成するようにしてもよい。
セルコントローラ３は、生産計画装置２から指示された製造計画に基づいて、管理下にある製造セル４が備える製造機械４１の使用状況を管理したり、どの製造機械４１を使用するかを判断したりしながら各製造セルに対して稼働指示を行う。図１に示すセルコントローラ３は、少なくとも１つの製造セル４を管理している。セルコントローラ３は、製造計画受信部３０、機械稼働指示部３１、通信部３２、稼働情報収集部３３、アラーム確率推定部３４を備える。
製造計画受信部３０は、生産計画装置２から指示される製造計画を受信し、受信した製造計画を機械稼働指示部３１へと出力する。
機械稼働指示部３１は、製造計画受信部３０から入力された製造計画に基づいて、セルコントローラ３の管理下にある製造セル４が備える少なくとも１以上の製造機械４１に対して稼働指示を通信部３２を介して送信する。機械稼働指示部３１は、従来技術と同様に製造計画に基づいて管理下にある製造セル４が備える製造機械４１ごとの稼働スケジュールを作成する機能を備えている。
機械稼働指示部３１は、スケジュール候補作成部３５と最適候補選択部３６を備えている。スケジュール候補作成部３５は、機械稼働指示部３１が作成した稼働スケジュールに基づいて、当該稼働スケジュールの動作要素の順番や開始時間を入れ替えた複数の稼働スケジュール候補を作成する。また、最適候補選択部３６は、後述するアラーム確率推定部３４が推定した各アラームが発生する確率に基づいて、スケジュール候補作成部３５が作成した製造セルの稼働スケジュール候補と、従来技術により作成された各製造セルの稼働スケジュールとについて、アラーム発生による推定停止時間を加算した平均所要時間を算出し、従来技術により作成された稼働スケジュールよりも平均所要時間が低下する稼働スケジュール候補があれば、代わりにその稼働スケジュール候補を、選択稼働スケジュールとして採用する。そして、機械稼働指示部３１は、最適候補選択部３６が採用した選択稼働スケジュールに基づいて各製造セル４が備えるそれぞれの製造機械４１に対して稼働指示を通信部３２を介して送信する。スケジュール候補作成部３５と最適候補選択部３６のより詳細な動作については後述する。
機械稼働指示部３１は、スケジュール候補作成部３５と最適候補選択部３６を備えている。スケジュール候補作成部３５は、機械稼働指示部３１が作成した稼働スケジュールに基づいて、当該稼働スケジュールの動作要素の順番や開始時間を入れ替えた複数の稼働スケジュール候補を作成する。また、最適候補選択部３６は、後述するアラーム確率推定部３４が推定した各アラームが発生する確率に基づいて、スケジュール候補作成部３５が作成した製造セルの稼働スケジュール候補と、従来技術により作成された各製造セルの稼働スケジュールとについて、アラーム発生による推定停止時間を加算した平均所要時間を算出し、従来技術により作成された稼働スケジュールよりも平均所要時間が低下する稼働スケジュール候補があれば、代わりにその稼働スケジュール候補を、選択稼働スケジュールとして採用する。そして、機械稼働指示部３１は、最適候補選択部３６が採用した選択稼働スケジュールに基づいて各製造セル４が備えるそれぞれの製造機械４１に対して稼働指示を通信部３２を介して送信する。スケジュール候補作成部３５と最適候補選択部３６のより詳細な動作については後述する。
稼働情報収集部３３は、管理下にある製造セル４が備える製造機械４１から、当該製造機械４１の稼働状態を示す稼働情報を収集し、製造機械４１毎に稼働情報データベース３７に記憶する。稼働情報収集部３３は、製造機械４１の稼働状態を示す情報以外にも、例えば、時刻や工場の電力状態、製造セル近傍で検出可能な振動など、セルコントローラ３で取得可能なあらゆる情報を稼働情報として収集するようにしてもよい。
アラーム確率推定部３４は、稼働情報収集部３３が収集して稼働情報データベース３７に記憶した各製造機械４１の稼働情報に対して統計処理を行うことで、各製造機械４１でのアラーム要因に基づくアラーム発生の確率の推定と、アラーム発生時の復旧時間の推定を行う。セルコントローラ３には、あらかじめ製造機械４１が検出できるアラームとアラーム要因との対応関係、および当該アラーム要因に基づく当該アラームの発生確率を記録するためのアラーム要因データベース３８が用意されており、各製造セル４内で発生するアラームについて、そのアラーム要因がある程度分かっているものをアラーム要因データベース３８に事前に登録しておき、アラーム確率推定部３４は、稼働情報データベース３７に蓄積された各製造機械４１の稼働情報と、アラーム要因データベース３８に記憶されているアラームとアラーム要因との対応関係を用いた統計処理を行うことで、各アラーム要因に基づくアラーム発生確率を算出し、算出したアラーム発生確率をアラーム要因データベース３８に記憶する。
図２は、アラーム確率推定部３４がアラーム要因に基づくアラーム発生確率を算出する処理のフローチャートである。アラーム確率推定部３４は、まず、ある１台の製造機械４１においてこれまでの稼働中に発生したアラームのうち、稼働時に偶発的に発生したアラームのみを抜き出す（ステップＳＡ０１）。偶発的に発生したアラームは、アラームが発生した際に該製造機械４１を担当しているオペレータが該製造機械４１の制御盤などから入力した内容に基づいて人為的な要因のアラームを取り除くことにより判断することができる。そして、抜き出した稼働時に偶発的に発生するアラームについて、アラーム要因データベース３８に登録されているアラーム要因を参照し（ステップＳＡ０２）、アラームの発生時に当該アラーム要因も同時に発生している場合には当該アラームが当該アラーム要因に関連しているものとする。そして、１つの生産指示に基づく製造機械の稼働時間で当該稼働時間内におけるアラーム要因に関連するアラームの発生回数を割ることにより、単位時間当たりのアラームの発生確率（ＭＴＢＦの逆数）を算出することができる（ステップＳＡ０３）。
アラーム要因の例としては、例えば、加工プログラムの指令内容や他の製造機械の稼働状況、製造機械４１自身の稼働状況（劣化など）などを用いてもよく、その他にもセルコントロールシステム１で取得可能な他のあらゆる情報をアラーム要因として採用してもよい。
また、アラーム確率推定部３４は、稼働情報データベース３７に記憶される稼働情報を統計処理（有意差検定や相関分析など）することにより、新たにアラームの要因となり得るものを特定し、アラーム要因データベース３８を更新するようにしてもよい。
更に、上記したアラーム発生確率の情報については、工場で稼働している製造機械における実績値を使用して推定するようにしてもよいし、その際に、例えば畳み込みニューラルネットなどの機械学習により相関関係のモデルを作ることで推定するようにしてもよい。
また、アラーム確率推定部３４は、稼働情報データベース３７に記憶される稼働情報を統計処理（有意差検定や相関分析など）することにより、新たにアラームの要因となり得るものを特定し、アラーム要因データベース３８を更新するようにしてもよい。
更に、上記したアラーム発生確率の情報については、工場で稼働している製造機械における実績値を使用して推定するようにしてもよいし、その際に、例えば畳み込みニューラルネットなどの機械学習により相関関係のモデルを作ることで推定するようにしてもよい。
アラーム確率推定部３４は、更にアラーム発生時の復旧所要時間を推定し、推定した復旧所要時間を各アラームと関連付けてアラーム要因データベース３８へと記憶する。アラーム確率推定部３４は、アラーム発生時の復旧所要時間の推定のために、稼働情報データベース３７に記憶された稼働時間を統計的に分析し、アラームごとの推定復旧所要時間を計算するようにしてもよい。この推定復旧所要時間は、最適候補選択部３６により、アラーム発生確率と掛け合わせて、生産指示ごとの復旧所要時間を算出するために用いられる。推定復旧所要時間は、工具破損に由来するサーボアラームや、オーバヒートや、ノイズによるエラーなど、その故障の度合いに応じて復旧にかかる所要時間の推定値である。なお、推定復旧所要時間はアラーム確率推定部３４が推定した値を用いてもよいが、熟練したオペレータが過去の経験に基づいて推定した経験的な値を固定的に設定するようにしてもよい。
図１に戻って、製造セル４は、少なくとも１つの製造機械４１を備える。また、各製造機械４１は、稼働指示受信部４２と、稼働情報送信部４３を備える。
稼働指示受信部４２は、セルコントローラ３から送信されてきた稼働指示を受信し、受信した稼働指示を製造機械の図示しない制御部へと出力する。稼働指示受信部４２から稼働指示を受信した制御部は、入力された稼働指示に基づいて製造機械４１の各部を制御するとともに、製造機械４１の各部から収集した情報を収集する。そして、稼働情報送信部４３は、制御部が製造機械４１の各部から収集した情報を稼働情報としてセルコントローラ３へと送信する。
稼働指示受信部４２は、セルコントローラ３から送信されてきた稼働指示を受信し、受信した稼働指示を製造機械の図示しない制御部へと出力する。稼働指示受信部４２から稼働指示を受信した制御部は、入力された稼働指示に基づいて製造機械４１の各部を制御するとともに、製造機械４１の各部から収集した情報を収集する。そして、稼働情報送信部４３は、制御部が製造機械４１の各部から収集した情報を稼働情報としてセルコントローラ３へと送信する。
以上の構成を備えた本実施形態のセルコントロールシステム１について、図３，４を用いてスケジュール候補作成部３５と最適候補選択部３６の動作について説明する。
製造計画受信部３０から製造計画が入力されると、機械稼働指示部３１は該製造計画に基づいて稼働スケジュールを作成する。機械稼働指示部３１は、製造計画に基づいて各製造機械４１に対して行われるべき稼働指示の各加工の内容（プログラムの内容）を時系列順に動作要素（軸毎の加速・減速・移動や補助機能など）に分割し（ステップＳＢ０１）、分割した動作要素を加工における制約条件を満足しながら全体のスループットが最大になるように並び替えた最適な稼働スケジュールを作成する（ステップＳＢ０２）。なお、機械稼働指示部３１が最適な稼働スケジュールを作成する処理の詳細については、従来技術などと同様であるので本明細書での説明は省略する。
製造計画受信部３０から製造計画が入力されると、機械稼働指示部３１は該製造計画に基づいて稼働スケジュールを作成する。機械稼働指示部３１は、製造計画に基づいて各製造機械４１に対して行われるべき稼働指示の各加工の内容（プログラムの内容）を時系列順に動作要素（軸毎の加速・減速・移動や補助機能など）に分割し（ステップＳＢ０１）、分割した動作要素を加工における制約条件を満足しながら全体のスループットが最大になるように並び替えた最適な稼働スケジュールを作成する（ステップＳＢ０２）。なお、機械稼働指示部３１が最適な稼働スケジュールを作成する処理の詳細については、従来技術などと同様であるので本明細書での説明は省略する。
機械稼働指示部３１は、最適な稼働スケジュールを作成したのちに、スケジュール候補作成部３５に対して前記稼働スケジュールの対案としての稼働スケジュール候補を作成するように指令する。スケジュール候補作成部３５は、機械稼働指示部３１が作成した稼働スケジュールを元にして、それぞれの動作要素の順序や開始時間を変更した複数スケジュール候補を作成する（ステップＳＢ０３）。なお、これらの稼働スケジュール候補は元の稼働スケジュールの所要時間を上回っても良い。
スケジュール候補作成部３５が複数の稼働スケジュール候補を作成すると、最適候補選択部３６は、稼働スケジュールおよび各稼働スケジュール候補について、単位時間ごとのアラームごとのアラーム発生率を参照して、アラームごとの発生率からアラームによる停止時間の推定値を算出し、これを積算することで当該スケジュール全体でのアラーム停止時間を推定する（ステップＳＢ０５）。そして、スケジュール候補作成部３５は、予想されるスケジュール全体の所要時間に推定したアラームによる停止時間を加算し、その時間が最短となるスケジュールを選択稼働スケジュールとして採用する（ステップＳＢ０６，ＳＢ０７）。そして、機械稼働指示部３１は、選択稼働スケジュールに基づいて各製造機械に対して稼働指示を送信する。なお、アラーム発生率の計算には、製造機械４１における加工内容や、同時に稼働する製造機械４１の情報などを用いる。
例えば図４に示すように、機械２で加工Ｂ（１．５単位時間）を単体で行った場合における機械２での単位時間当たりのアラームＣの発生率が０．００１％であり、機械１で加工Ａを行っている最中に機械２で加工Ｂを同時に行った場合における機械２での単位時間当たりのアラームＣの発生率が０．００４％である時、アラームＣが発生した場合の推定復旧所要時間が４単位時間だとすると、図４上に示す稼働スケジュールの全体でのアラームＣによる停止時間は０．００４×１．５×４＝０．０２４単位時間となる一方で、図４下に示した稼働スケジュール候補（機械１の加工Ａの稼働を１単位時間遅らせることで加工Ａと加工Ｂとが重なる時間を少なくしたもの）の全体でのアラームによる停止時間は（０．００１×１＋０．００４×０．５）×４＝０．０１２単位時間となる。したがって、図４の例では、稼働スケジュール候補における空き時間Ｂが０．０１２単位時間よりも短い場合には、稼働スケジュールに変えて稼働スケジュール候補が選択稼働スケジュールとして採用されることになる。
以上、ここまで本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態の例にのみ限定されるものでなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。
１ セルコントロールシステム
２ 生産計画装置
３ セルコントローラ
４ 製造セル
３０ 製造計画受信部
３１ 機械稼働指示部
３２ 通信部
３３ 稼働情報収集部
３４ アラーム確率推定部
３５ スケジュール候補作成部
３６ 最適候補選択部
３７ 稼働情報データベース
３８ アラーム要因データベース
４１ 製造機械
４２ 稼働指示受信部
４３ 稼働情報送信部
２ 生産計画装置
３ セルコントローラ
４ 製造セル
３０ 製造計画受信部
３１ 機械稼働指示部
３２ 通信部
３３ 稼働情報収集部
３４ アラーム確率推定部
３５ スケジュール候補作成部
３６ 最適候補選択部
３７ 稼働情報データベース
３８ アラーム要因データベース
４１ 製造機械
４２ 稼働指示受信部
４３ 稼働情報送信部
Claims (2)
- 生産計画装置と、少なくとも１つの製造機械を備える少なくとも１つの製造セルと、前記生産計画装置から受信した製造計画に基づいて前記製造機械に対して稼働指示を送信するセルコントローラとを備えたセルコントロールシステムにおいて、
前記セルコントローラは、
前記製造計画に基づいて前記製造機械の稼働スケジュールを作成する機械稼働指示部と、
前記稼働スケジュールに従い稼働する前記製造機械の稼働情報を収集する稼働情報収集部と、
前記稼働情報収集部が収集した稼働情報に基づいて、前記製造機械でアラームが発生する確率であるアラーム発生確率を推定するアラーム確率推定部と、
前記機械稼働指示部が作成した稼働スケジュールに基づいて、前記稼働スケジュールを構成する動作要素の順序または前記動作要素の開始時間を変更した少なくとも１つの稼働スケジュール候補を作成するスケジュール候補作成部と、
前記アラーム確率推定部が推定したアラーム発生確率に基づいて、前記稼働スケジュールおよび前記稼働スケジュール候補のそれぞれについて、アラーム発生を考慮した所要時間を推定し、推定した該アラーム発生を考慮した所要時間が最も短いものを前記稼働スケジュールおよび前記稼働スケジュール候補の中から選択稼働スケジュールとして採用する最適候補選択部と、
を備え、
前記機械稼働指示部は、前記選択稼働スケジュールに基づいて前記製造機械に対して稼働指示を送信する、
ことを特徴とするセルコントロールシステム。 - 前記アラーム確率推定部は、前記製造機械の前記稼働情報に基づいて前記アラームが発生した際に該アラームから復旧するための所要時間である復旧所要時間を推定し、
前記最適候補選択部は、前記アラーム確率推定部が推定したアラーム発生確率及び復旧所要時間に基づいて、前記稼働スケジュールおよび前記稼働スケジュール候補のそれぞれについて、アラーム発生を考慮した所要時間を推定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセルコントロールシステム。
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