(57)【要約】【課題】  生産設備を新設する際や既設の生産設備を改善する際の最適設備条件を迅速かつ容易に求める。【解決手段】  設備条件及び複数の生産条件を入力可能なインタフェース部１０と、インタフェース部１０で入力された設備条件と生産条件に基づいて設備の生産性に関する指標を算定するシミュレーション部２０と、シミュレーション部２０で算定されたシミュレーション結果に基づいて設備の改善項目を抽出する条件変更部３０とを備え、シミュレーション部２０は条件変更部３０によって抽出された改善項目に基づいて設備の生産性に関する指標を繰り返し算定し、条件変更部３０はシミュレーション部２０で繰り返し算定されたシミュレーション結果から設備の改善項目を抽出する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の工程によって複数種の製品を生産する生産設備を設計するための設計支援システムであって、前記各工程の設備条件及び複数の生産条件を入力可能なインタフェース部と、このインタフェース部で入力された設備条件と生産条件に基づいて設備の生産性に関する指標を算定するシミュレーション部と、このシミュレーション部で算定されたシミュレーション結果に基づいて設備の改善項目を抽出する条件変更部とを備え、前記シミュレーション部は前記条件変更部によって抽出された改善項目に基づいて設備の生産性に関する指標を繰り返し算定し、前記条件変更部は前記シミュレーション部で繰り返し算定されたシミュレーション結果から設備の改善項目を繰り返し抽出することを特徴とする生産設備の設計支援システム。
【請求項２】
前記シミュレーション部で算定されたシミュレーション結果が前記インタフェース部に出力可能とされたことを特徴とする請求項１に記載の生産設備の設計支援システム。
【請求項３】
前記条件変更部は経験則に基づいて設備の改善項目を抽出するアルゴリズムを有していることを特徴とする請求項１に記載の生産設備の設計支援システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は生産設備の設計支援システムに係り、特に複数の工程によって複数種の製品を生産する生産設備を設計するための設計支援システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の工程によって製品を生産する生産設備では、各工程を構成する個々の機器の性能によって生産性に相違が生じる。また、個々の機器の組み合わせや結合の良否によっても生産性に大きな相違が生じてくる。特に多数種の製品を生産する生産設備では取り扱う原材料、中間品、最終製品が多種多様に変化するので、少品種多量生産又は多品種少量生産の要請に対して臨機応変に生産体制を整える必要がある。
【０００３】
例えば、１００量／ｈの製品を生産可能な生産設備を計画する場合に、処理能力が１００量／ｈの機器を１台設置すると、１品種の多量生産には有効であるが多品種少量生産には対応が困難である。逆に処理能力が１０量／ｈの機器を１０台設置すると多品種少量生産には有効であるが、設備の設置費、運転保守費などが割高となり生産性が低下するので少品種多量生産には不向きとなる。したがって、このような複数種の製品を生産する実際の生産設備では、生産条件に応じて処理能力が５０量／ｈの機器を２台設置するか、処理能力が２５量／ｈの機器を４台設置するかといった現実的な選択が必要となる。
【０００４】
さらには、処理能力が５０量／ｈの機器を１台と２５量／ｈの機器を２台を組み合わせて設置する案や、５０量／ｈの機器を１台と２０量／ｈの機器を２台と１０量／ｈの機器を１台を組み合わせて設置する案も候補に上がってくる。このように、一定の生産量を確保するために、ある機器の処理能力と台数を決定する場合でも、多数の組み合わせの中から最善の組み合わせを選択することは容易なことではない。
【０００５】
生産設備は通常、複数の工程によって成り立っており、原材料、中間品、最終製品に対して何らかの処理を施す工程のみならず、これらを搬送する工程、計量する工程、一時的に貯留する工程も含まれている。このため、生産設備は単純な場合でも１０工程、複雑な場合では１００工程以上となる。このような多数の工程によって成り立つ生産設備に対して、少品種多量生産と多品種少量生産の生産条件を配慮しつつ、各工程を構成する機器のそれぞれについて上記した処理能力と台数に関する最適な組み合わせを選択するだけでも多大な検討時間が必要となる。しかも各工程はそれぞれが独立しておらず、前段又は後段の工程と密接に関連しており、他の工程に影響を及ぼし又は他の工程から影響を受けるので設備設計をより複雑、かつ困難にしている。
【０００６】
従来、この種の生産設備の設計は豊富な知識と経験を有する専門家が生産条件、敷地条件、設備設置費、運転保守費などの制約事項を考慮しながら、試行錯誤的に最適解を求めていくのが一般的である。しかしながら、このような方法では工程数が多い生産設備では検討条件の組み合わせ数が膨大となり、設備設計に多大な時間を要する。また、試行錯誤的によって求めた最終解が最適解から大きく外れ、設備設置後の生産業務に多大な支障が生じる場合があった。
【０００７】
特許文献１には生産設備での環境変化に追従しながら生産計画の最適解を求める生産計画シミュレーションシステムが開示されている。また、特許文献２には生産工程モデル及び生産規則を用いて工場内の製品の動きをシミュレートすることにより、生産計画の立案を行う生産計画作成システムが開示されている。しかしながら、これらの特許文献に開示されたシステムは、既存の固定された生産設備モデルをベースとして最適な生産計画の立案を求めるシステムであって、生産設備自体の最適解を求める場合には適用できない。
【特許文献１】特開２００２−１９７４０２号公報
【特許文献２】特開２００４−９４９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記従来技術の背景に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、生産設備を新設する際や既設の生産設備を改善する際の最適設備条件を迅速かつ容易に求めることができる生産設備の設計支援システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明に係る生産設備の設計支援システムは、  複数の工程によって複数種の製品を生産する生産設備を設計するための設計支援システムであって、前記各工程の設備条件及び複数の生産条件を入力可能なインタフェース部と、このインタフェース部で入力された設備条件と生産条件に基づいて設備の生産性に関する指標を算定するシミュレーション部と、このシミュレーション部で算定されたシミュレーション結果に基づいて設備の改善項目を抽出する条件変更部とを備え、前記シミュレーション部は前記条件変更部によって抽出された改善項目に基づいて設備の生産性に関する指標を繰り返し算定し、前記条件変更部は前記シミュレーション部で繰り返し算定されたシミュレーション結果から設備の改善項目を繰り返し抽出することを特徴とする。
【００１０】
上記構成の生産設備の設計支援システムは、前記シミュレーション部で算定されたシミュレーション結果が前記インタフェース部に出力可能とされたことが望ましい。また、前記条件変更部は経験則に基づいて設備の改善項目を抽出するアルゴリズムを有していることが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の生産設備の設計支援システムによれば、シミュレーション部ではインタフェース部から入力された設備条件と生産条件に基づいて設備の生産性に関する指標を算定する。また、条件変更部ではシミュレーション部で算定されたシミュレーション結果に基づいて設備の改善項目を抽出する。以降、シミュレーション部によるシミュレーションと条件変更部による設備の改善項目の抽出を繰り返すことによって、最適とみなされる設備条件をインタフェース部から出力させることができる。特に、条件変更部は経験則に基づいて設備の改善項目を抽出するアルゴリズムを有しているので最終解を適切かつ迅速に求めることができる。したがって、本発明の生産設備の設計支援システムは、生産設備を新設する際や既設の生産設備を改善する際の最適設備条件を迅速かつ容易に求めるためのツールとして有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明に係る生産設備の設計支援システムの第１実施形態を示す構成機能図である。本システムはインタフェース部１０とシミュレーション部２０と条件変更部３０とによって構成される。インタフェース部１０では対象生産設備における各工程の設備条件が入力可能とされる。この設備条件は対象生産設備が新設である場合には、専門家が生産条件、敷地条件、設備設置費、運転保守費などの制約事項を勘案、検討して当面の生産設備として提案した第１次設備条件である。また、対象生産設備が既設である場合には、既設の生産設備自体が第１次設備条件として入力される。また、インタフェース部１０では対象生産設備における複数の生産条件が入力可能とされる。この生産条件は対象生産設備が要求される代表的な生産条件であり、例えば少品種多量生産と多品種少量生産の条件である。
【００１３】
シミュレーション部２０ではインタフェース部１０で入力された設備条件を第１次シミュレーションモデルとして設定する。そして、シミュレーション部２０ではこの第１次シミュレーションモデルに対して、インタフェース部１０に入力された複数の生産条件を当て込むことによってシミュレーションを実行し、対象生産設備の生産性に関する指標を算定する。このシミュレーション結果はインタフェース部１０を介して出力することができる。なお、設備の生産性に関する指標しては例えば最大生産能力、設備の設置費、当該設備を運転した場合の設備稼動率や運転保守費などが挙げられる。
【００１４】
条件変更部３０にはシミュレーション部２０で設定されたシミュレーションモデルの内容を格納するデータベース３１と、シミュレーション部２０で算定されたシミュレーション結果を格納するデータベース３２と、経験則に基づく知識を収録したデータベース３３とを具備している。条件変更部３０では各シミュレーションモデルに対するシミュレーション結果を取り込むとともに、データベース３３に収録された経験則に基づく知識を利用して設備の改善項目を抽出する。そして、抽出した設備の改善項目が設備条件を変更する程度に重要である場合には、設備条件を変更する指令をシミュレーション部２０に出す。
【００１５】
シミュレーション部２０では条件変更部３０によって変更された設備条件を織り込んでシミュレーションモデルを設定し直し、これを第２次シミュレーションモデルとして前記と同様にシミュレーションを実行し、当該第２次シミュレーションモデルの生産性に関する指標を算定する。また、第２次シミュレーションモデルの内容は逐次、条件変更部３０のデータベース３１に格納されるとともに、そのシミュレーション結果は逐次、インタフェース部１０に出力され、条件変更部３０のデータベース３２に格納される。以下、同様の順序で条件変更部３０での改善項目の抽出とシミュレーション部２０での第３次，第４次，……シミュレーションモデルに対するシミュレーションを繰り返す。
【００１６】
上述のシミュレーションの繰り返しによって、シミュレーションモデルは次第に収束して最適解に近づく。その結果、条件変更部３０で抽出した設備の改善項目が設備条件を変更する程度に重要でない場合や改善項目が抽出されない場合には、本システムによる最適解が得られたと判定する。そして、当該設備条件を最適設備条件としてインタフェース部１０から出力させ、一連のシミュレーションが終了する。
【００１７】
したがって、本システムの利用者は専門家によって提案された第１次設備条件と複数の生産条件をインタフェース部１０に最初に入力するだけでよい。以降は、シミュレーション部２０でのシミュレーションと、条件変更部３０での改善項目の抽出が自動的に繰り返されることによって、最適解としての設備条件をインタフェース部１０から出力させることができる。
【００１８】
以下、本設計支援システムの具体的な運用内容を簡単な事例に基づいて説明する。図２は新設される生産設備の一部の工程を示しており、前段工程４０から搬送された中間品を処理工程４２で処理した後に貯蔵工程４４で一旦，ストックし、その後に後段工程４６に送り込む。これらの処理工程や貯蔵工程は少品種多量生産と多品種少量生産のいずれにも対応可能な機能を備えていることが必要であると仮定する。このため、処理工程４２では処理能力の異なる複数の処理機器を配置する。
【００１９】
処理工程４２の必要総処理能力が１００量／ｈである場合に、処理能力が４０量／ｈと２０量／ｈと１０量／ｈの３種類の処理機器を用いて処理工程４２を構成するものとする。
すると、処理工程４２において必要総処理能力が１００量／ｈを満足させるための各処理機器の台数組み合わせは図３に示した１２ケースとなる。また、各処理機器の１台当たりの設置費が４０量／ｈで１０Ｍ￥、２０量／ｈで６Ｍ￥、１０量／ｈで４Ｍ￥とすると。各ケースにおける処理機器の総設置費は図３に示したとおりとなる。
【００２０】
図１に示した本設計支援システムを利用する場合には、利用者は処理工程４２に関する設備条件の情報として、必要総処理能力が１００量／ｈであること、処理能力が４０量／ｈと２０量／ｈと１０量／ｈの３種類の処理機器を用いること、各処理機器の１台当たりの設置費が４０量／ｈで１０Ｍ￥、２０量／ｈで６Ｍ￥、１０量／ｈで４Ｍ￥であること、専門家が提案した各処理機器の台数組み合わせ案が例えば図３に示した１２ケースの内のケースＮｏ．４であることをインタフェース部１０に入力する。前段工程４０，貯蔵工程４４，後段工程４６やその他のすべての工程についても上記処理工程４２の同様の考え方で、必要な設備条件情報をインタフェース部１０に入力する。
【００２１】
また、インタフェース部１０には必要総処理能力が１００量／ｈである場合の生産条件として複数の代表的な製品内訳を入力する。図４は入力する製品内訳を例示している。ケースＡは同一の製品１のみを生産する少品種多量生産の代表的な例である。ケースＢも少品種多量生産の代表例であり２種類の製品を生産する場合である。ケースＣは多品種少量生産の代表例であり５種類の製品を均等量ずつ生産する場合である。ケースＤも多品種少量生産の代表例であり５種類の製品を生産するが、各製品の生産量に格差がある場合である。
【００２２】
上述のように、インタフェース部１０に各工程別の設備条件と当該生産設備の複数の生産条件が入力されると、シミュレーション部２０では入力された設備条件を第１次シミュレーションモデルとして設定し、生産条件である図４に示したケースＡ〜Ｄの製品内訳に関してそれぞれ各工程の機器稼働率を算定する。図５は前記した処理工程４２の機器稼働率の算定結果を例示している。ケースＡは同一の製品１のみを５台の処理機器で単に分担処理すればよいので機器稼働率が低下させる要因が少ない。このため、各処理機器の稼働率はいずれも９０％の高い値を示す。この稼働率９０％は一日の始動点検、調整や運転終了後の清掃などに要する基本的なアイドルタイムを考慮すると、実質的にフル稼動に相当する基準値である。
【００２３】
ケースＢでは２種類の製品を処理するので、処理前後の製品の搬送系での切替にアイドルタイムが発生し、各処理機器の稼働率は基準値よりもやや低下して８８％を示す。ケースＣでは５種類の製品を処理するので、処理前後の製品の搬送系での切替に多くのアイドルタイムが発生する。また、処理能力が４０量／ｈの処理機器では２種類の製品を処理することになるので段取り替えや調整に多くのアイドルタイムが発生する。このため、ケースＣの平均稼働率は８５％に低下する。ケースＤでも５種類の製品を処理するので、ケースＣと同様に処理前後の製品の搬送系での切替に多くのアイドルタイムが発生する。また、処理能力が２０量／ｈと１０量／ｈの処理機器では２台の内の少なくとも１台は２種類の製品を処理することになるので段取り替えや調整に多くのアイドルタイムが発生する。このため、ケースＤの平均稼働率はケースＣよりもさらに低下して８３％となる。
【００２４】
また、稼動率は前段工程４０までの事情によって処理対象品が処理工程４２に順調に入らないために低下する場合がある。また、稼動率は貯蔵工程４４以降の工程の事情によって処理した中間品を捌ききれないために低下する場合もある。これらの原因は他工程の稼働率などが複合的に影響し合う原因であり、人間の能力ではその究明が困難であるが、コンピュータであるシミュレーション部２０にとっては最も得意とする分野であり、所定の法則に基づいて容易に究明できる。
【００２５】
シミュレーション部２０は上述のような考え方を係数化し、所定の計算式に則って処理工程４２の各生産条件Ａ〜Ｄ別の平均稼働率を算定する。そして、これらの平均稼働率の単純平均値を処理工程４２の稼働率（図５に示した例では８６％）として算出する。このような稼働率の算定を、他のすべての工程についても実行する。その結果、シミュレーション部２０では図６に示したような当該生産設備の第１次シミュレーションモデルに関する集約表を作成する。図６において各工程の設置費は図３に例示したように、インタフェース部１０に入力された各工程の機器構成と設置単価から容易に算出することができる。集約表の合計（平均）欄に算出される合計設置費は当該生産設備を新設する場合の主要コストである。この合計設置費がなるべく少ない方が好ましい。また、合計（平均）欄に算出される平均稼働率は当該生産設備の総体的な設備効率を表わしており、この平均稼働率がなるべく大きい方が好ましい。平均稼働率が過小であることは目標の生産能力を確保できないか、又は生産設備に無駄な部分が多いことを示している。すなわち、これらの合計設置費や平均稼働率は当該生産設備の生産性を把握するための重要な指標であり、当該生産設備設計の良否を判定する上で有効である。生産性に関する指標としては、これ以外に例えば最大生産能力、運転保守費、運転要員数、設備設置用の必要敷地面積などがある。したがって、これらの項目を生産性を把握するための指標として採用する場合には、これらの値を算定するために必要なデータをインタフェース部１０に入力可能とし、シミュレーション部２０には必要な算定式を組み込む。
【００２６】
シミュレーション部２０で算定されたシミュレーション結果は、前述のとおり条件変更部３０のデータベース３２に格納される。そして、条件変更部３０では第１次シミュレーションモデルに対するシミュレーション結果を取り込むとともに、データベース３３に収録された経験則に基づく知識を利用して第１次シミュレーションモデルに対する設備の改善項目を抽出する。
【００２７】
以下に、改善項目の抽出例について説明する。条件変更部３０ではシミュレーション結果を取り込んで、例えば図７のように各工程別の稼働率を示したグラフを作成する。図７において実線ａは当該第１次シミュレーションモデルのシミュレーションで算定された各工程の稼働率であり、破線ｂは基準値を示す。また、図中、工程Ｔ１〜Ｔ１１は処理工程を示し、工程Ｓ１〜Ｓ４は貯蔵工程を示しているものとする。この図７に示された各工程別の稼働率のパターンを検証すると工程Ｔ６，Ｔ７，Ｔ１１の稼働率が低く、貯蔵工程Ｓ１，Ｓ４の稼働率（製品貯蔵率）が高く、貯蔵工程Ｓ２，Ｓ３の稼働率（製品貯蔵率）が低いことが読み取れる。
【００２８】
一方、データベース３３には経験則に基づいた稼働率に関する知識が図８に示した内容で収録されている。条件変更部３０では上記の図７から読み取ったパターン検証結果と、図８に示された知識を照合し、パターン分析する。その結果、処理工程Ｔ１〜Ｔ５，Ｔ７〜Ｔ１０は図８に示した知識Ｎｏ．２に該当しており、欠陥が存在する確率が低いと推論する。処理工程Ｔ６、Ｔ１１は知識Ｎｏ．１と知識Ｎｏ．６に該当しており、欠陥が存在する確率が高いと推論する。また、貯蔵工程Ｓ１は知識Ｎｏ．３に該当しており、貯蔵裕度が過小である確率が高いと判定する。貯蔵工程Ｓ３は知識Ｎｏ．４に該当しており、貯蔵裕度が過多である確率が高いと推論する。貯蔵工程Ｓ２，Ｓ４は知識Ｎｏ．５と知識Ｎｏ．６に該当しており、貯蔵容量に欠陥が存在する確率が低いと推論する。
【００２９】
以上のパターン分析による推論結果に基づいて、条件変更部３０では改善すべき工程として処理工程Ｔ６、Ｔ１１と貯蔵工程Ｓ１，Ｓ３を抽出する。そして、処理工程Ｔ６、Ｔ１１については稼働率を改善するように例えば図３に示した処理機器の台数組み合わせを変更するなどの改善項目を抽出する。また、貯蔵工程Ｓ１については貯蔵容量を増強するように、貯蔵工程Ｓ３については貯蔵容量を縮小するように改善項目を抽出する。そして、抽出した設備の改善項目が設備条件を変更する程度に重要である場合には、設備条件を変更する指令をシミュレーション部２０に出す。なお、抽出した設備の改善項目が設備条件を変更する程度に重要であるか否かの判断基準は、利用者が予めインタフェース部１０を介して入力しておけばよい。
【００３０】
シミュレーション部２０では条件変更部３０によって変更された設備条件を織り込んでシミュレーションモデルを設定し直し、これを第２次シミュレーションモデルとして前記と同様にシミュレーションを実行し、当該第２次シミュレーションモデルの生産性に関する指標を算定する。以下、同様の順序で条件変更部３０での改善項目の抽出とシミュレーション部２０での第３次，第４次，……シミュレーションモデルに対するシミュレーションを繰り返す。
【００３１】
上述の例では各工程の稼働率に基づいて設備の改善項目を抽出する場合について説明した。しかしながら、設備の生産性に関する指標としては前記したように設備稼働率に以外に最大生産能力、設備の設置費、当該設備を運転した場合の運転保守費などがある。したがって、これらの指標をシミュレーション部２０でのシミュレーション項目として付加し、条件変更部３０での改善項目の抽出に反映させるようにすれば、より一層、緻密で有効なシミュレーションを実行することができる。
【００３２】
上述のとおり、第１実施形態の生産設備の設計支援システムによれば、シミュレーション部２０ではインタフェース部１０から入力された設備条件と生産条件に基づいて設備の生産性に関する指標を算定する。また、条件変更部３０ではシミュレーション部２０で算定されたシミュレーション結果に基づいて設備の改善項目を抽出する。以降、シミュレーション部２０によるシミュレーションと条件変更部３０による設備の改善項目の抽出を繰り返すことによって、最適とみなされる設備条件をインタフェース部１０から出力させることができる。特に、条件変更部３０は経験則に基づいて設備の改善項目を抽出するアルゴリズムを有しているので最終解を適切かつ迅速に求めることができる。したがって、本実施形態の生産設備の設計支援システムは、生産設備を新設する際や既設の生産設備を改善する際の最適設備条件を迅速かつ容易に求めるためのツールとして有効である。
【００３３】
図９は本発明に係る生産設備の設計支援システムの第２実施形態を示す構成機能図である。図９において図１と同一の表示をした要素は前記第１実施形態と同様の要素であり、その説明を省略する。この第２実施形態では条件変更部３０で抽出された設備の改善項目がインタフェース部１０に出力される。本システムの利用者が諸般の条件を考慮して、設備条件の変更可否を判定し、改善項目が設備条件を変更する程度に重要である場合には、設備条件を変更する指令をシミュレーション部２０に出す。また、改善項目が設備条件を変更する程度に重要でない場合や改善項目が抽出されない場合には、本システムによる最適解が得られたと判定する。そして、当該設備条件を最適設備条件としてインタフェース部１０から出力させ、一連のシミュレーションが終了する。この第２実施形態によれば、設備条件の変更可否を利用者が中間でチェックできるので、方針変更やシミュレーションの早期収束に対応しやすい利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る生産設備の設計支援システムの第１実施形態を示す構成機能図である。
【図２】生産設備の一部の工程を示したモデル系統図である。
【図３】処理工程４２における処理機器台数の組み合わせの例示図である。
【図４】生産条件としての製品内訳の例示図である。
【図５】処理工程４２の機器稼働率の算定結果の例示図である。
【図６】シミュレーション結果の例示図である。
【図７】シミュレーション結果に基づいて作成されるグラフの例示図である。
【図８】経験則に基づく知識の例示図である。
【図９】本発明に係る生産設備の設計支援システムの第２実施形態を示す構成機能図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０………インタフェース部、２０………シミュレーション部、３０………条件変更部、３１………（シミュレーションモデルの）データベース、３２………（シミュレーション結果の）データベース、３３………（経験則に基づく知識の）データベース、４０………前段工程、４２………処理工程、４４………貯蔵工程、４６………後段工程。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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