自动搬送系统 Fab Layout 计划 设计 及 模拟分析

自动反送系统和Fab布局计划、设计及模拟分析以常规例子说明了上述300毫米半导体Fab及FPD Fab中的自动反送系统。如果从理论上过于接近,则因篇幅的局限,如果缩小,将无法连续表达内容,因此按照在一般生产线上的自动反馈系统和Fab设计的顺序依次进行说明。虽然以对例子的说明为主,但由于以在实际生产线上可能出现的现象为基础进行了说明,所以根据理解程度,包含了很多信息。

绪论
制定利用自动反送系统的工厂设备的配置和使用计划对所有可能的资源的有效利用非常重要。Fab内部实际投入生产时,其内部的自动反馈系统、流程设备、Fab的操作系统和生产现场操作人员(Operator)之间会对生产线产生很多的影响。为了吸收这些发生因素,最终达到目标的生产量和数量(Yield),就可以知道对所有部分的预测和事前计划的重要性。

制定利用自动反送系统的工厂设备的配置和使用计划对所有可能的资源的有效利用非常重要。Fab内部实际投入生产时,其内部的自动反馈系统、流程设备、Fab的操作系统和生产现场操作人员(Operator)之间会对生产线产生很多的影响。为了吸收这些发生因素,最终达到目标的生产量和数量(Yield),就可以知道对所有部分的预测和事前计划的重要性。
为了制定和设计新的生产工厂,以及得出各设备对现有生产线的改进方案,可以对各设备对生产目标的配置,对负责传送到这些设备之间的反送系统进行数学,统计模拟,进行基本的计算。但是,利用数学模型的模拟在反映各系统(生产线的各设备及自动退回系统)的现实现象方面存在局限性。这时使用的是电脑模拟,对生产线事先拟订出设备运用的剧本,并进行编程,运营虚拟的生产厂,以检验各系统能否均衡使用,生产再成品(WIP)转运是否顺畅。模拟实验的优点是,可以通过对实际设置的设备等的部署和工作空间及生产线物流的途径(Route)的分析,在提高生产效率方面进行实质性接触。这种制造体系的基本原则将以Queuing理论和SCM (Supply Chain Management)理论等为基础展开。文章将作为对早期各设备配置方案的可行性验证和优化的部分展开,使用基本的数学技法和几种电脑模拟程序作出例子。

1. 生产线 Design 概要
首次设计生产线的意思是从如何处理生产线的基本形态(Frame)开始接近。根据针对生产线的地理、空间制约事项,可以建立多层或单层生产现场,如果建立多层或多层生产现场,可以使用的自动反送系统的种类也会不同。这些基本的定义是给生产线的框架下一个更细致的定义.

由于每个生产工厂的生产目的都不一样,因此根据生产目标的不同,接近方法可以略有不同,但根本的接近理论和方法是一样的。
在制定生产线构成的基本方案时,为了通过模拟实验分析可行性和系统的容量,可以大致分为三个阶段:

第一, 从理论上分析,从Static Analysis的角度出发,这是Queuing理论,它的目的是对生产线内发生的WIP(Work In Process)进行定量分析和Optimizing;以Jackson Network和Little ‘ s Law为基础,计算出各Process Tools及Tool Group和Stocker的Sizing,计算出合理库存的工厂运营的基本内容。inventory量的计算将导致生产线内存在的再产品(WIP)的增加导致的Cycle Time的增加,从而引发庞大的库存费用。
为判断各个生产线内发生的材料运送的密度,将以Process Data(Flow与Production Volume)和Layout为基础进行交通量分析,并将这两种分析作为下一阶段(Discrete Event Simulation)的基础资料使用。这是判断分析方向的阶段。

第二,利用Discrete Event Simulation Model的方法,通过Static Analysis分析出的Data作为Simulation Model的开发基础。模拟模型的开发,应对生产线内所有的自动反馈系统(Automated Material Handling System) AGV, OHS/T, Stocker反映基本的运行算法而实施.

第三,用Statistic Analysis对Discrete Event Model提取的数据进行统计分析,使模拟实验的结果在视觉上表现出来,能够判断系统的适合性。

2. 假设 模拟
模拟机是模仿实际生产线的内容,因此,模拟机是根据许多简单化或假设,反映现实制约事项的布局、产业工学理论及模拟机理论,在不违背分析目的及范围的范围内定义并使用。

Static Analysis 假设
为了通过对生产线内发生的材料量的定量分析,制定出必要的‘Buffer (Storage Requirement)’,以Queuing理论为基础,每个缓存(Stocker)被看作是Arrival Rate和Service Rate安装在根据指标分布(Exponential Distribution)的装备前的‘Buffer’。因此,在Process Flow上得到特定Stocker供给的工程设备被看作是一个Tool Group,而这Tool Group的Tack Time是根据Tool Group内各装备的Tack Time,工程反复次数及设备台数等进行计算的。

Event Simulation Model 的 假设
在Static Analysis分析结果的基础上,为了开发Event Simulation Model并进行实验,每个Event根据Simulation的模拟系统,掌握该系统的分布形态,适用于模拟模式。另外,根据生产线的特性,从初期模拟器的起点开始,为防止模拟器模型达到稳定状态(Steady State)为止的模拟器结果(Date)偏差,应定义为“war -up Time”。

Layout Assumption
必须以最终制定的布局为基础,对各系统接近的各个系统,定义其他系统的可用位置和数量等。并对布局上各传输系统常用的路径或可绕行的路径进行界定,供模拟输入数据使用。

3. Static Analysis

定量分析基于以下基础资料:
 Process Flow Information
 Production Mix
 Special Move Requests
 System Expectations and Requirements
 Factory Layout

[表 1] 生产线 设计 基准

利用上述资料中的Process Flow信息,利用各系统之间的From-To Matrix,计算出流程流程中的供货量。这时,生产基础资料中反映了非正常再生产产品的流向.

[表 2] 根据 生产计划量 From-To Matrix

如果创建了基本的From-To Matrix,就会产生出计算出一定数量的Buffer的Data。From-To matrix是生产线上为产品生产转移的所有数量,此时应确定可在布局上使用的Buffer位置。利用基本的Data和配置所定义的Buffer的数与系统所能处理的单位小时服务率,对布局上的Buffer数的妥当性,以下面的算式例子在Queuing理论中Jackson Network为基础。

[表 3] Buffer Robot 处理量

对于每个处理器处理的量,Buffer将对能够处理的量进行定量计算。[3] 2号Bay Buffer要处理的量比系统能力要大133%。在这种情况下,应重新研究设计,以扩大Buffer的分散或处理系统的分散。

以上所说的例行SCM(SCM),即物流与供应链管理,可在制造工程的时间及工程运营之间,根据物流调运的WIP分析及物流调运量预测.

生产线自动化的计划、设计、分析以生产系统的成果指标WIP、Cycle Time和Throughput为基础,以便有效地运用制造工艺。这里的成果指标WIP和CR是越低越好,Throughput是越高越优秀的系统,这三个指标可以用WIP=Cycle Time X Throughput来表现。

根据Little Law的理论,通过理解WIP与物流的转移,可以将对WIP,启动率,Cycle Time, Throughput的影响整理如下。

 cycle time相同的投资量时wip more增加=WIP(增加)= CT * Start Rate(增加)=需要Storage的增加(不好)
 投资量时相同的time cycle wip more增加=WIP(增加)= CT(增加)* Start Rate =需要Storage(不好)
 投入量的增加和cycle time同时增加=应该wip more WIP(大量增加)= CT * Start Rate =需要Storage的增加(非常不好)
 投资量时相同wip =减少time cycle ok WIP = CT(减少)* Start Rate(增加)=(好)

4. Discrete Event 模拟
分析方法 及 模拟

分析的方法可以通过数学的计算来表达,并且需要通过假设许多变数来简化。但是,像生产线这样复杂的情况下,这种分析方法大都无法用数学来解决。
如果用这种分析方法无法回答问题,就适用模拟技术。

 分析法 : x+a=b – 数学方式 表示 分析法 x=b-a
 模拟 : x+a=b – 模拟 x值 反复 满足 公式的 全部值反复计算

分析方法和Markov Chain是利用概率性方法提取模拟初值,这和模拟一样反复进行的情况一样需要很多时间,但如果能够获得初期输入值,则可以将模拟时间最小化,因此分析方法和模拟方法不能相提并论,只能分阶段使用。

模拟 Modeling?
模拟可能对所有生产线上可能发生的现象解决不了问题。但是可以对特定的系统或现象进行回答,或者根据运用多种生产线的情况给予答案,并可以对以下模拟及模拟模型进行表现.

 模拟是未能解决问题。
 模拟和下面相同的部分tool。
– 对未来系统的测试与响应
– 对可能的Option进行分析(Analysis)
– 评价变化
– 系统的可行性判断
 模拟是系统《what if》的剧本,答案。
 模拟动作系统的模式是理解为基础,对利用编程和变化,可预测的抽象的系统。
– 在执行前测试新概念或系统
– 通过预设的理论或假设预测该系统的未来形态,预测系统变化或操作方法变化带来的效果
 简单的系统的情况下可以利用数学模型,可以找到答案。(Queuing理论,微分方程,linear programming)
– 数学Model可以给出一个精确的答案,
– 为了得到答案可以使用太多的假设简化
 学性接近,但为了复杂system是利用model复杂。

下面的[图1]是模拟模型表现了与实际系统的接近性。这样的模拟实验可以说具有临摹实际系统来回答问题的准确性。

[图 1] 模拟 Module

模拟 vs. Real System

一般来说,Model的特性是假设Real System制作而成,因此在模拟器模特儿上适用安定率(Safety Factor),给模特儿带来压力(Stress)是很普遍的。[图2]是对模拟中应达到的适当安全性(Safety Factor)进行分析,对实际系统(Actual System)的Log进行分析,把模拟模型的反送要求(发生Events)特性应用为指数分布和正规分布时的比较得出的结果。
一般来说,实行Event模拟,则应用大部分指数分布(Exponential Distribution)发生Events。为了说明其原因,我们需要进行很多的考察,但是我们通常是先做Discrete Event的实验,

概率变量X的概率密度函数如下:

X就会跟着分布式分布式(exponential distribution),换句话说,如果在时间一点一点的时候就夹不住了
从下面的[图2]中可以看出,从一件事发生后到下一件事发生为止,间隔X的概率分布跟随指数分布符合生产系统,而且指数本炮能够更接近实际系统的分布。

[图 2] Real System vs. Simulation

Warm-up Time
仿真是利用计算机模拟Real System的仿真。如果以Real System组成生产线,各系统为了发挥初期计划的功能,经过一定时间就可以达到“计划好的性能(稳定状态:Steady State)”。

电脑模拟也需要应对这些过程。初创模特儿系统模拟后,各系统同时启动,在模特儿启动时,由于许多处理要求,模特儿处理不到位,导致系统产生急剧压力。在模拟理论中定义为“war -up Time”。《威廉-up Time》根据各系统的特点,将其周期分别适用于不同的系统,《图3》是对生产线移送系统的例子。

 系统没有服务,idle状态,开始状态下咸
 所有盘松要求的初期开始同时所有系统。
 因此,初期移送时间是急剧上升后到达稳定状态。
 20日的warm – up小时后稳定状态(steady state)使用的部分。

[图 3] 模拟 Warm-up Time 例

以上通过分析方法和模拟来完成模型,并表现出实际生产线来进行分析时,最重要的是正确的输入数据。对于首次引进生产线的情况,可以通过预测和计算获得初期输入数据,但如果试图找出对现有生产线问题的对策,利用生产线的生产信息将得到最正确的回答。

通过模拟 出图
如何在Discrete Event模拟器中表现出最终结论,需要根据对哪些系统的引出替代方案进行很多研究。[图5]表现了生产线上对移送系统的最终方案得出的结论。

[表4]表示移送系统的回运要求所需的平均时间。
模拟显示从进程设备到设备的返回要求所需的系统服务时间的平均时间,“Transfer Time”纯粹是移动所需的时间,而“Wait Time”则是进程设备的返回要求。由于各移送系统正在为其他设备的送回要求提供服务,因此显示出了接受服务时所花费的平均时间。
在这里,《Wait Time》是越小越好,只要有退回要求,就可以准时接受服务。[表4]和[图5]的结论是不同的。[图5]中Y轴上出现的Event模拟器次数合计后的平均时间为[表4],[图5]则分别表示每一个Event发生时所花的时间的分布值和完成率。.

[图 4] 利用AutoModTM 10.0 搬送系统模拟
[表 4] Path Move System A-Line 模拟 结果

[图5]是在AGV系统或OHS系统等的移送系统中,在特定生产线上,程序设备出现回运要求时,计算出需要多少个系统的正负数的模拟系统,系统的性能是模拟2至4台系统,系统在回运要求时,对所有系统的回运要求完成97%的时候,系统的性能是,模拟程序设备运回要求时,回运要求全部系统完成97%的回运要求。制定并实施了判断移送系统应对能力的标准.
最初运营2个黄色系统时,能够完成97%的黄色线路的时间出现在570~600秒(9.5~10分钟)附近。如果使用3个系统,在270~300秒(4.5~5分钟)的情况下,运行4个系统时,在210~240秒(3.5~4分钟)之间将完成97%的退回要求。
在这个模拟实验中引进4台性能最好的是否合适?对于“为什么会出现这种情况?”的问题,他的回答令人费解。因为两台系统可以明显落后,而三台和四台系统的性能并没有太大差异。3台和4台1分钟左右的时间差谈不上比引进系统的费用更有效率。在任何情况下都应考虑适当的系统性能和其费用之间的相互关系,这与所要适用的系统的特性和重要成果也有关系,大部分情况下,如果引进了太多的系统,由于很多系统之间的交通堵塞,可能会导致系统性能的降低。

[图 5] Path Move System A-Line의 Discrete Event 시뮬레이션 결과

4. 关于 Layout 评价
在对生产线的基本概念的确立及设计完成后,实际启动系统的情况下,各生产线上的移送系统将移送再施工产品(WIP)。这个大转运系统的基本路径在设计过程中会被定义,然后对这些转运系统的路径是否得到了妥善的安排进行评估[图6],使用EDS公司的FactoryFlowTM Version 7.1的交通量密度分析(Traffic Intensity)。在特定部分可以看到交通量的增加(Traffic Congestion)。对于这些部分,有必要通过改变物流转移途径,或准备绕道等途径分散

[图 6] 利用 FactoryFlowTM 的 Traffic Intensity 分析

结论
如果计划并实行自动返送系统和Fab的布局,或为了引出对现有生产线的问题,通过模拟进行分析,不能只由特定的负责人进行。
模拟和分析的基础是,如何详细地显示初期生产线的基本框架的设定、众多变数、现实的制约事项和可行的创意等所有情况,并根据能否引入到模拟模型中或将其简单化,能够将实际生产线更加精密地进行模型设计。模拟的模型不能反映所有的情况,但要以各个阶段的数学模型和统计理论为基础,简略化许多过程,反复进行各个阶段的可行性验证。
为了进行这样多的过程,各个必要部门的参与和积极参与可以成为基础。

[图 7] 生产线 设计 及 Layout 阶段

对于现有的国内制造生产线的运营或新生产线的构成适用模拟技术,从运营国内制造业的领域来看,可以认为是现实上不同的领域,而实际上大部分都是根据引进制造生产线的经验来执行。不只是生产线的运营负责人,就连最高经营者客观分析的必要性的认识和实行意志都很重要,如果通过这种客观的评价,制定出对制造工艺的验证程序和适当的应对方案,那么生产线的生产效率可能会出现高增长。

[参考文件]

J.Hopp, Mark L. Spearman : FACTORY PHYSICS-Foundations of Manufacturing Management, Second Edition, McGraw-Hill

Averill M.Law, W.David Kelton : SIMULATION MODELING AND ANALYSIS, Third Edition, McGraw-Hill

Hillier/Lieberman : INTRODUCTION TO OPERATIONS RESEARCH, Seventh Edition, McGraw-Hill

Katsundo Hitomi, 조규갑,차성운 공역 : 생산시스템공학, SiTech

JT Shin / CEO

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