2.3. 生産システム

<< 2.2. 生産の自動制御

1. 概要

　生産システムは、製品の設計から出荷まで、製造業における全工程を統合的に管理・制御するシステムです。FA（Factory Automation：ファクトリーオートメーション）を中核として、品質管理、工程管理、日程管理、在庫管理などの生産管理機能を統合し、効率的な自動化を実現します。

　現代の製造業では、市場競争の激化、製品ライフサイクルの短縮、カスタマイゼーション要求の高まりにより、柔軟で効率的な生産システムの構築が不可欠となっています。MRP（Material Requirements Planning）、MES（Manufacturing Execution System）、FMS（Flexible Manufacturing System）などの先進技術を活用し、設計管理から原価管理まで包括的な生産管理を実現します。応用情報技術者として、これらの生産システムの構造と機能を理解し、効果的なシステム設計・運用に貢献することが重要です。本記事では、生産システムのモデルと生産管理の各フェーズについて詳しく解説します。

graph TB
    A[生産システムの3層構造] --> B[計画系システム]
    A --> C[実行系システム]
    A --> D[制御系システム]
    
    B --> B1[戦略管理]
    B1 --> B1a[長期戦略計画]
    B1 --> B1b[事業計画]
    B1 --> B1c[投資計画]
    
    B --> B2[生産計画]
    B2 --> B2a[需要予測]
    B2 --> B2b[能力計画]
    B2 --> B2c[マスター生産計画]
    
    B --> B3[資材計画]
    B3 --> B3a[MRP（Material Requirements Planning）]
    B3 --> B3b[調達計画]
    B3 --> B3c[在庫計画]
    
    C --> C1[製造実行管理]
    C1 --> C1a[MES（Manufacturing Execution System）]
    C1 --> C1b[作業指示]
    C1 --> C1c[進捗管理]
    
    C --> C2[品質管理]
    C2 --> C2a[工程内検査]
    C2 --> C2b[統計的品質管理]
    C2 --> C2c[トレーサビリティ]
    
    C --> C3[設備管理]
    C3 --> C3a[設備稼働監視]
    C3 --> C3b[予防保全]
    C3 --> C3c[エネルギー管理]
    
    D --> D1[装置制御]
    D1 --> D1a[PLC（Programmable Logic Controller）]
    D1 --> D1b[NC（Numerical Control）]
    D1 --> D1c[ロボット制御]
    
    D --> D2[プロセス制御]
    D2 --> D2a[DCS（Distributed Control System）]
    D2 --> D2b[SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）]
    D2 --> D2c[温度・圧力制御]
    
    D --> D3[搬送制御]
    D3 --> D3a[AGV（Automated Guided Vehicle）制御]
    D3 --> D3b[コンベア制御]
    D3 --> D3c[自動倉庫制御]
    
    E[情報統合] --> E1[ERP統合]
    E --> E2[データベース統合]
    E --> E3[リアルタイム連携]
    
    F[外部システム連携] --> F1[サプライチェーン]
    F --> F2[顧客システム]
    F --> F3[保守サービス]
    
    style A fill:#e1f5fe
    style B fill:#e8f5e8
    style C fill:#fff3e0
    style D fill:#f3e5f5
    style E fill:#fce4ec
    style F fill:#f1f8e9

2. 詳細説明

2.1 生産システムの基本モデル

　生産システムの基本モデルは、計画系システム、実行系システム、制御系システムの3層構造で構成されます。計画系システムでは、需要予測、生産計画、資材計画を担当し、中長期的な戦略に基づく意思決定を行います。実行系システムでは、日々の生産指示、進捗管理、品質管理を実施し、計画を具体的な作業に変換します。制御系システムでは、個別の設備・装置の自動制御を行い、実際の製造作業を実行します。

　生産管理のフェーズは、①設計管理（製品仕様の決定と図面管理）、②調達管理（原材料・部品の調達計画と実行）、③工程管理（製造工程の計画と制御）、④品質管理（品質基準の設定と検査）、⑤在庫管理（原材料・仕掛品・完成品の最適管理）、⑥出荷管理（納期管理と物流制御）の6段階に分類されます。

2.2 FAシステムの構成と機能

　FA（Factory Automation：ファクトリーオートメーション）システムは、製造工程全体の自動化を実現する統合システムです。設備レベルでの装置制御から、ライン制御、工場全体の統合制御まで、階層的な自動化を提供します。

　FAシステムの主要構成要素には、①PLC（Programmable Logic Controller）による設備制御、②SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）による監視制御、③DCS（Distributed Control System）による分散制御、④MES（Manufacturing Execution System）による製造実行管理があります。

　これらのシステムが連携することで、リアルタイムな生産状況の把握、品質の安定化、設備稼働率の向上、エネルギー効率の最適化を実現します。また、予知保全、統計的工程管理、トレーサビリティ管理などの高度な機能も提供します。

2.3 生産計画支援システム

　CAP（Computer Aided Planning）は、コンピュータを活用した生産計画の立案・最適化システムです。需要予測、能力計画、資材所要量計画を統合し、効率的な生産スケジュールを自動生成します。制約条件を考慮した最適化アルゴリズムにより、納期遵守とコスト最小化を両立します。

　CAPP（Computer Aided Process Planning）は、製品設計情報から最適な加工工程を自動生成するシステムです。CADデータを基に、加工順序、工具選択、加工条件を決定し、NC（Numerical Control）プログラムとの連携により、設計から製造までのシームレスな情報流通を実現します。

管理フェーズ	主要機能	システム名称	管理対象	期待効果
設計管理	製品仕様決定、図面管理、変更管理	CAD、PDM、PLM	設計データ、仕様書、図面	設計品質向上、開発期間短縮
積算支援	原価見積、資材所要量計算、工数算出	CAP、CAPP、見積システム	コスト構造、工数、材料費	見積精度向上、原価透明化
調達管理	調達計画、発注管理、サプライヤー管理	MRP、調達システム、SRM	原材料、部品、外注加工	調達コスト削減、納期短縮
工程管理	生産スケジューリング、進捗管理、負荷調整	MES、APS、生産管理システム	製造工程、作業進捗、設備稼働	納期遵守率向上、効率化
日程管理	マスタースケジューリング、短期計画、実績管理	生産計画システム、スケジューラー	生産日程、納期、リードタイム	計画精度向上、納期管理
在庫管理	在庫最適化、ロット管理、棚卸管理	WMS、在庫管理システム	原材料、仕掛品、完成品	在庫削減、キャッシュフロー改善
品質管理	工程内検査、統計的管理、不良解析	QMS、SPC、検査システム	品質データ、検査結果、不良率	品質安定化、顧客満足度向上
原価管理	実績原価計算、差異分析、改善提案	原価計算システム、ABC	製造原価、間接費、利益率	収益性向上、コスト可視化
利益管理	収益分析、採算管理、業績評価	ERP、BI、ダッシュボード	売上、利益、投資効果	経営判断支援、戦略立案

3. 実装方法と応用例

3.1 MRP（Material Requirements Planning）システム

　MRP（Material Requirements Planning）は、製品の生産計画に基づいて、必要な原材料・部品の所要量、調達時期、発注量を自動計算するシステムです。BOM（Bill of Materials：部品表）、在庫情報、リードタイム情報を統合し、適正在庫の維持と欠品防止を実現します。

　MRPの発展形であるMRP II（Manufacturing Resource Planning）では、人的資源、設備能力、財務情報も統合し、企業全体のリソース計画を最適化します。さらに、ERP（Enterprise Resource Planning）では、販売、購買、財務、人事まで含めた企業全体の統合管理を実現します。

3.2 FMS（Flexible Manufacturing System）

　FMS（Flexible Manufacturing System）は、コンピュータ制御による柔軟な製造システムで、多品種少量生産に対応した自動化システムです。NC工作機械、産業用ロボット、自動搬送装置、自動倉庫を統合制御し、製品種類の変更に迅速に対応できる柔軟性を提供します。

　FMC（Flexible Manufacturing Cell）は、FMSの基本単位となる製造セルで、少数の工作機械とロボットで構成される小規模な柔軟生産システムです。段取り時間の短縮、品質の安定化、無人化運転により、効率的な多品種生産を実現します。

3.3 MES（Manufacturing Execution System）

　MES（Manufacturing Execution System）は、製造現場でのリアルタイムな製造実行管理を行うシステムです。生産指示の配信、進捗状況の監視、品質データの収集、設備稼働状況の把握を統合的に管理します。

　MESの主要機能には、①作業スケジューリング（詳細な作業計画とリソース配分）、②製造データ管理（リアルタイムデータ収集と分析）、③品質管理（工程内検査と品質履歴管理）、④トレーサビリティ（製品履歴の完全追跡）、⑤設備保全管理（予防保全と故障対応）があります。

3.4 生産性指標と管理手法

　生産性指標には、設備総合効率（OEE：Overall Equipment Effectiveness）、稼働率、良品率、タクトタイム、リードタイムなどがあります。これらの指標を用いて生産システムの性能を定量的に評価し、継続的な改善を実施します。

　変化のマネジメントでは、市場変動、技術革新、組織変更に対する生産システムの適応性を確保します。アジャイル生産、リーン生産、デジタルファクトリーなどの手法により、変化に迅速に対応できる生産システムを構築します。

graph TD
    A[FAシステム統合構成] --> B[上位システム層]
    A --> C[管理システム層]
    A --> D[制御システム層]
    A --> E[機器システム層]
    
    B --> B1[ERP（Enterprise Resource Planning）]
    B1 --> B1a[販売管理]
    B1 --> B1b[購買管理]
    B1 --> B1c[財務管理]
    
    B --> B2[MRP（Material Requirements Planning）]
    B2 --> B2a[生産計画]
    B2 --> B2b[資材計画]
    B2 --> B2c[能力計画]
    
    C --> C1[MES（Manufacturing Execution System）]
    C1 --> C1a[作業指示配信]
    C1 --> C1b[実績データ収集]
    C1 --> C1c[品質管理]
    C1 --> C1d[トレーサビリティ]
    
    C --> C2[SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）]
    C2 --> C2a[設備監視]
    C2 --> C2b[データ収集]
    C2 --> C2c[警報管理]
    
    D --> D1[FMS（Flexible Manufacturing System）]
    D1 --> D1a[FMC（Flexible Manufacturing Cell）1]
    D1 --> D1b[FMC（Flexible Manufacturing Cell）2]
    D1 --> D1c[FMC（Flexible Manufacturing Cell）3]
    
    D --> D2[自動搬送システム]
    D2 --> D2a[AGV（Automated Guided Vehicle）]
    D2 --> D2b[ロボット搬送]
    D2 --> D2c[コンベアシステム]
    
    D --> D3[自動倉庫システム]
    D3 --> D3a[AS/RS（Automated Storage/Retrieval System）]
    D3 --> D3b[ピッキングシステム]
    D3 --> D3c[在庫管理]
    
    E --> E1[NC工作機械群]
    E1 --> E1a[マシニングセンタ]
    E1 --> E1b[旋盤]
    E1 --> E1c[研削盤]
    
    E --> E2[産業用ロボット群]
    E2 --> E2a[組立ロボット]
    E2 --> E2b[溶接ロボット]
    E2 --> E2c[塗装ロボット]
    
    E --> E3[検査・測定機器]
    E3 --> E3a[3次元測定機]
    E3 --> E3b[画像検査装置]
    E3 --> E3c[非破壊検査装置]
    
    F[ネットワーク基盤] --> F1[産業用イーサネット]
    F --> F2[フィールドバス]
    F --> F3[無線ネットワーク]
    F --> F4[IoT統合プラットフォーム]
    
    G[生産性指標] --> G1[OEE（Overall Equipment Effectiveness）]
    G --> G2[稼働率]
    G --> G3[良品率]
    G --> G4[タクトタイム]
    
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4. 例題と解説

例題： 生産システムに関する記述のうち、最も適切なものはどれか。

ア）MRP（Material Requirements Planning）は、人的資源の配置計画のみを管理するシステムである。

イ）FA（Factory Automation）システムは、事務処理の自動化のみを目的としたシステムである。

ウ）MES（Manufacturing Execution System）は、製造現場でのリアルタイムな製造実行管理を行うシステムである。

エ）FMS（Flexible Manufacturing System）は、単一製品の大量生産のみに適用されるシステムである。

解説：

　正解は「ウ」です。

　選択肢ウは正しく、MES（Manufacturing Execution System：製造実行システム）は、製造現場における生産指示の配信、進捗監視、品質データ収集、設備稼働管理などをリアルタイムで統合管理するシステムです。ERPシステムと制御システムの中間に位置し、製造現場の見える化と効率化を実現します。

　選択肢アは誤りです。MRPは主に材料所要量計画を管理するシステムで、人的資源は含まれません（MRP IIでは人的資源も含む）。選択肢イも誤りで、FAシステムは製造工程の自動化を目的としたシステムです。選択肢エも誤りで、FMSは多品種少量生産に対応した柔軟な製造システムです。

5. まとめ

　生産システムは、製造業の競争力向上と効率化を実現する重要な基盤技術です。FAシステムを中核とした統合的な自動化により、品質管理、工程管理、在庫管理などの生産管理機能を高度化し、市場要求に迅速に対応できる柔軟な製造体制を構築できます。MRP、MES、FMSなどの先進システムを適切に組み合わせることで、設計から出荷まで一貫した効率的な生産フローを実現し、原価管理と利益管理の最適化が可能となります。応用情報技術者として、これらの生産システムの特性と相互関係を理解し、企業の生産戦略に適したシステム構成を提案・実装することが重要です。

ご利用上のご注意

　このコンテンツの一部は、生成AIによるコンテンツ自動生成・投稿システムをもちいて作成し、人間がチェックをおこなった上で公開しています。チェックは十分に実施していますが、誤謬・誤解などが含まれる場合が想定されます。お気づきの点がございましたらご連絡いただけましたら幸甚です。