隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展和電子產(chǎn)品生命周期的不斷變短，給PCB板組裝制造商提出了越來越高的要求，同時，全球化的市場競爭使企業(yè)面臨的國際壓力越來越大。現(xiàn)代PCB板組裝制造企業(yè)要想在瞬息萬變的市場競爭中站穩(wěn)腳跟，得以生存發(fā)展，必須采用先進的生產(chǎn)模式，快速響應(yīng)客戶訂單需求，并提供優(yōu)質(zhì)低價的產(chǎn)品。系統(tǒng)集成和信息集成(CIMS)是當(dāng)前提高企業(yè)管理效率的重要技術(shù)。許多企業(yè)通過不斷改善貼裝生產(chǎn)線自動化程度和導(dǎo)入先進的企業(yè)級管理信息系統(tǒng)(如MRPⅡ、ERP等)，使本企業(yè)的生產(chǎn)管理水平和市場競爭力有了一定的提高。但一般MRPⅡ/ERP僅管理企業(yè)級資源計劃，它通常只能處理歷史或預(yù)測數(shù)據(jù)，不能及時、準確地反映當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。同時，現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)也不能將實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳遞到上層資源管理系統(tǒng)。導(dǎo)致企業(yè)資源計劃層缺乏有效的設(shè)備實時信息支持，控制環(huán)節(jié)不能得到有效優(yōu)化的調(diào)度與協(xié)調(diào)。因此如何將先進的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)和企業(yè)級的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)有效地結(jié)合起來，在兩者之間搭建橋梁，提供信息溝通是企業(yè)信息化建設(shè)迫切解決的問題。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES系統(tǒng)軟件)恰好解決這一難題。制造執(zhí)行系統(tǒng)是位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)。它通過采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化管理。PCB板組裝行業(yè)是一個典型的流程制造業(yè)，且設(shè)備自動化程度高。為了充分挖掘先進設(shè)備的生產(chǎn)潛力，優(yōu)化生產(chǎn)行為，全面提高企業(yè)信息化管理水平，MES系統(tǒng)軟件的建設(shè)與應(yīng)用尤為重要。本文正是基于這一思想，以生產(chǎn)過程動態(tài)質(zhì)量控制為目標(biāo)，根據(jù)PCB板組裝企業(yè)的信息化現(xiàn)狀及特點，提出了面向PCB板組裝企業(yè)MES系統(tǒng)軟件的構(gòu)建和應(yīng)用。
1、PCB板組裝行業(yè)的信息化現(xiàn)狀及問題
現(xiàn)代PCB板組裝企業(yè)的生產(chǎn)制造部門大量使用絲印機、貼片機、回流滬等自動化設(shè)備，基本都采用工控機進行控制。由于設(shè)備廠商數(shù)據(jù)接口和格式各不相同，設(shè)備信息不能集中共享，形成了很多“信息孤島”，無法實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析及處理。雖然大多數(shù)設(shè)備都具備采集生產(chǎn)過程參數(shù)的能力，但設(shè)備之間沒有網(wǎng)絡(luò)連接，采集參數(shù)只能通過人工查看顯示屏或磁盤備份的方式完成，不能夠及時反應(yīng)整個生產(chǎn)線的作業(yè)狀況，實時性差。同時人工采集增加工作量、降低工作效率，準確性也無法得到保障。
PCB板組裝行業(yè)特性決定了如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將造成整批在制品的報廢。因此需要實時、靈敏地監(jiān)控關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)并定位出錯位置，給予正確的報警提示信息。同時，對部分重要參數(shù)進行自動回控調(diào)整。
企業(yè)不再滿足于簡單、直接的看板信息，需要根據(jù)實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)行為進行動態(tài)監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，輔以質(zhì)量過程控制方法論手段，進行科學(xué)、系統(tǒng)的質(zhì)量過程分析，以支持現(xiàn)場生產(chǎn)過程的判斷和及時處理，提高生產(chǎn)質(zhì)量。
企業(yè)計劃層和現(xiàn)場設(shè)備控制(DCS)之間存在斷層，無法實現(xiàn)完整的自動/半自動閉環(huán)業(yè)務(wù)流程。作為PCB板組裝行業(yè)小批量多樣化，定單變動頻繁的特性，生產(chǎn)計劃和定單需求不能及時下達到現(xiàn)場作業(yè)，車間不能及時根據(jù)實際情況對生產(chǎn)計劃進行調(diào)整，降低了工作效率，影響交付時間。而交貨期是否穩(wěn)定是客戶采購時的重要考察因素。
另外，車間現(xiàn)場生產(chǎn)過程中存在大量重復(fù)操作且易出錯的環(huán)節(jié)。例如：如何對現(xiàn)場大量貼片機料架使用狀態(tài)進行有效管理，如何保證上料位置的正確性，如何核實下達工單與生產(chǎn)BOM之間是否正確對應(yīng)等等。
上述問題是密切關(guān)聯(lián)和互相影響的，其綜合后果嚴重制約了企業(yè)的發(fā)展。在日益激烈的市場競爭環(huán)境下，行之有效的解決方案將對PCB行業(yè)具有重要意義，并可獲取巨大的直接經(jīng)濟效益。
2、實現(xiàn)目標(biāo)及技術(shù)路線
面向PCB板組裝行業(yè)MES系統(tǒng)軟件的主要建設(shè)目標(biāo)如下。
1)構(gòu)建基于統(tǒng)一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、統(tǒng)一系統(tǒng)框架的MES系統(tǒng)軟件指揮調(diào)度平臺。提供可柔性組合定制的用戶界面、業(yè)務(wù)模塊和二次開發(fā)接口。
2)研究開發(fā)面向精益生產(chǎn)管理模式要求的，以生產(chǎn)過程動態(tài)質(zhì)量控制為目標(biāo)的MES系統(tǒng)軟件。通過建立SMT流水線生產(chǎn)過程的管理控制模型，實現(xiàn)關(guān)鍵工序與設(shè)備的生產(chǎn)和質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)控與調(diào)度，實現(xiàn)從產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)分派、設(shè)備管理及現(xiàn)場動態(tài)調(diào)度的集成信息化管理。
3)提供動態(tài)質(zhì)量分析手段，實時質(zhì)量問題報警，促進管理水平提高，使質(zhì)量管理模式由手工檢驗逐步過渡到自動處理、實時控制的方式。建立質(zhì)量知識庫，促進質(zhì)量標(biāo)準的優(yōu)化。通過采集、分析、處理、積累的循環(huán)過程，實現(xiàn)質(zhì)量的持續(xù)改善。
4)完成與企業(yè)已有信息化系統(tǒng)的集成。
根據(jù)PCB板組裝行業(yè)特征，本方案功能模塊劃分主要包括數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及報警、動態(tài)質(zhì)量過程控制、工序計劃調(diào)度、設(shè)備管理、輔助生產(chǎn)現(xiàn)場管理等。
2.1 數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及報替
2.1.1 主要內(nèi)容
SMT生產(chǎn)線上的自動化設(shè)備組建成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)并與內(nèi)部辦公局域網(wǎng)連接起來，在生產(chǎn)線自動化設(shè)備的控制電腦上安裝軟、硬件通信模塊，自動采集實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到數(shù)據(jù)處理中心。并將數(shù)據(jù)處理中心的共享信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到監(jiān)控終端上。
2.1.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)
“數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)”用于從SMT車間現(xiàn)場自動化設(shè)備中采集實時生產(chǎn)信息，并傳輸?shù)奖O(jiān)控終端分解成用戶所需要的界面形式顯示。同時，根據(jù)用戶需求，對采集數(shù)據(jù)進行存儲、輸出等二次處理。按照報警條件輸出報警信息。
“數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)”中考慮與SMT車間其它DCS控制系統(tǒng)的集成。目前大多數(shù)先進設(shè)備均提供OPC/DDE接口，因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，還應(yīng)具備與OPC/DDE服務(wù)的接口程序，提供全面的讀寫交互，方便從控制系統(tǒng)獲取即時的生產(chǎn)和質(zhì)量信息。
2.1.3 動態(tài)質(zhì)量過程控制
由于采集數(shù)據(jù)量很大，需要高效、快速的分析手段自動導(dǎo)入現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時進行質(zhì)量分析、掌控當(dāng)前生產(chǎn)狀態(tài)。而動態(tài)質(zhì)量過程控制模塊(Statistical Processcontrol)正是利用統(tǒng)計學(xué)原理，對質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)進行收集和分析，有效控制企業(yè)生產(chǎn)過程、不斷改進品質(zhì)、降低不良品率、提升企業(yè)的效益和競爭力。
SPC提供的質(zhì)量分析內(nèi)容包括：變化分析、穩(wěn)定性分析、有效能力分析、變異因素分析、過程相關(guān)性分析。與之對應(yīng)，本方案提供計數(shù)型和計量型共13種統(tǒng)計圖表：X-MR圖、X-R圖、X-S圖、P圖、NP圖、U圖、C圖、運行圖、直方圖、缺陷排列圖、原因排列圖、散點圖，根據(jù)PCB板組裝行業(yè)特征，提供DPMO(百萬分之缺陷數(shù))控制圖分析。
2.1.4 工序計劃調(diào)度
在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)支持下對車間生產(chǎn)計劃進行詳細調(diào)度和實時調(diào)整。ERP作為企業(yè)的中高層計劃與決策計劃系統(tǒng)，制定車間的主生產(chǎn)計劃，精確到日生產(chǎn)計劃。MES系統(tǒng)軟件以JIT(Just In Time)作為基層的計劃執(zhí)行與控制系統(tǒng)的核心，將日生產(chǎn)計劃細化。從ERP中讀取主生產(chǎn)計劃信息，根據(jù)訂單類型、生產(chǎn)模式等確定目標(biāo)函數(shù)、約束條件，選擇排產(chǎn)算法，建立調(diào)度規(guī)則，生成詳細的生產(chǎn)計劃，并下達到執(zhí)行層組織生產(chǎn)。為實現(xiàn)SMT流水線生產(chǎn)調(diào)度的實時性，要求調(diào)度算法準確性高、計算周期短、計算過程簡單。以分鐘為單位或新任務(wù)的到來(瓶頸環(huán)節(jié))確定期望調(diào)度周期。可根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)線和其它人為因素等實際情況進行柔性調(diào)度，提供人工調(diào)整方式，以及緊急情況下的調(diào)度方案。計劃執(zhí)行完成后，由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)向ERP反饋。
2.1.5 設(shè)備管理
設(shè)備管理主要負責(zé)車間SMT流水線設(shè)備信息的管理，它從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取設(shè)備的實時運行信息。通過對這些信息的統(tǒng)計分析，得出設(shè)備的利用情況。同時，設(shè)備信息可供工序計劃調(diào)度系統(tǒng)派工時調(diào)用。設(shè)備管理的各項任務(wù)主要由車間設(shè)備管理部門和生產(chǎn)部門來實施。主要包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的維護、業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的維護。根據(jù)功能需求，設(shè)備管理模塊主要包括以下幾部分：設(shè)備檔案管理、設(shè)備變動管理、設(shè)備檢查管理、設(shè)備保養(yǎng)管理、設(shè)備維修管理、設(shè)備潤滑管理、設(shè)備運行管理、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計和分析、設(shè)備查詢等。
2.1.6 輔助生產(chǎn)現(xiàn)場管理
用于簡化車間現(xiàn)場操作，輔助SMT生產(chǎn)車間日常管理功能。
1)料架管理模塊：維護料架基礎(chǔ)及使用信息，提高料架的管理效率。方便查詢所有料架的在庫狀態(tài)、保養(yǎng)記錄、維修記錄、報廢記錄、在線明細等信息。
2)換料對比模塊：對生產(chǎn)線換料進行比對，確認其是否符合當(dāng)前站位的要求，并記錄換料行為，有利于對換料信息的查詢。
3)工單比對模塊：通過生產(chǎn)BOM數(shù)據(jù)文件與工單文件的比對，匯總BOM用料數(shù)量，查找差異信息，保證加工的正確性。
4)貼片機編程驗證及優(yōu)化模塊：從CAD系統(tǒng)中提取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的貼片文件，糾正程序問題，優(yōu)化貼裝路徑，保證貼裝的正確性。
5)ERP接口模塊：完成與企業(yè)已有ERP系統(tǒng)的通用接口，實現(xiàn)與ERP軟件的數(shù)據(jù)互換與共享，動態(tài)查詢、顯示生產(chǎn)計劃信息，并將完工情況及時返饋。
2.2 采集驅(qū)動開發(fā)
為了優(yōu)化配置，企業(yè)在組建SMT生產(chǎn)線時，設(shè)備一般均來自多個廠家。而目前市場上的SMT生產(chǎn)設(shè)備種類繁多，不同設(shè)備之間、甚至同一設(shè)備不同型號，數(shù)據(jù)接口方式不盡相同。一般數(shù)據(jù)采集的方法有：采用行業(yè)通用協(xié)議采集、通過設(shè)備自定義通訊協(xié)議采集、通過設(shè)備控制系統(tǒng)接口采集，另外還可以添加采集板卡方式采集數(shù)據(jù)。本節(jié)以典型SMT生產(chǎn)線為例，對以上幾種采集方式進行論述。
2.2.1 絲印機數(shù)據(jù)采集
絲印是將焊膏(或固化膠)涂布到PCB板上的過程。以DEK 全自動絲印機為例(如：DEK265LT、DEK265HORIZON)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采集參數(shù)包括：生產(chǎn)機種、生產(chǎn)數(shù)、印刷方式、刮印壓力、刮印速度、分離速度、循環(huán)時間、印刷方向。
本模塊通過行業(yè)通用協(xié)議采集絲印機數(shù)據(jù)。DEK絲印機通過Machine PC和Machine Controller的連接來實現(xiàn)對設(shè)備的控制。Machine PC為工控機，采用intel奔騰系列CPU，在其上運行相應(yīng)的控制監(jiān)視軟件。Machine Controller實現(xiàn)具體的設(shè)備控制，與Machine PC之間通過Next Move Card來完成通訊。
絲印機的控制系統(tǒng)相對貼片機較為簡單，采用主機板控制。DEK絲印機具有符合開放標(biāo)準GEM/SECSll的主機通信功能。GEM/SECSll協(xié)議為半導(dǎo)體設(shè)備和材料國際協(xié)會(SEMI)起草的一個倡議，其目的是使來自不同供應(yīng)商的控制系統(tǒng)和設(shè)備統(tǒng)一通訊協(xié)議。制造設(shè)備和主控機之間的通信標(biāo)準由GEM/SECSll、SEMIE30、E37(HSMS)協(xié)議定義困，具有GEM兼容接口的設(shè)備可以方便地集成到企業(yè)的CIM策略中，具有GEM/SECSll(TCP/IP)主機通信功能可方便集成整條生產(chǎn)線的絲印資源。
采用SEMI相關(guān)協(xié)議編寫通訊驅(qū)動程序，實現(xiàn)采集驅(qū)動端與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)應(yīng)答。同時，需要在絲印機主控界面上，打開相應(yīng)的主機通訊(HostComm)，開關(guān)為Enabled狀態(tài)。值得注意，一般絲印機的GEM通訊板卡不在默認配置，需要單獨安裝。
2.2.2 貼片機數(shù)據(jù)采集
貼片是將SMD器件貼裝到PCB板上的過程，它是SMT流水線關(guān)鍵工藝。貼片機控制參數(shù)復(fù)雜，精度要求高，是本方案重點采集設(shè)備對象。以松下Panasert(MSF、MV2VB、MSR)、YAMAHA(YV88Ⅱ、YV100Ⅱ)貼片機為例。采集內(nèi)容包括生產(chǎn)信息、實裝信息、吸嘴信息、供料器信息、程序信息。關(guān)鍵參數(shù)有生產(chǎn)數(shù)、停機時間、工作時間、工作效率、取料數(shù)、貼裝數(shù)、拋料數(shù)。按吸嘴、料架、時間段等不同分析條件對吸附率、貼裝率過低以及某一機種產(chǎn)量降低進行報警。
1)通過設(shè)備監(jiān)控軟件接口采集采用DOS操作系統(tǒng))如YAMAHA YV88Ⅱ、YV100Ⅱ)的貼片設(shè)備可通過離線軟件和貼片機的COM口通訊，采集驅(qū)動直接從離線軟件產(chǎn)生的過程文件中獲取相應(yīng)采集數(shù)據(jù)。
另一種方法為在設(shè)備上安裝串口通訊程序，在DOS狀態(tài)下，與采集服務(wù)器上的串口程序通訊，將過程數(shù)據(jù)發(fā)送至采集服務(wù)器監(jiān)控、存儲。例如：YAMAHA貼片機過程數(shù)據(jù)為PDT格式的文本文件。整個文件分為3個部分：HEAD前，HEAD和COMP。采集到服務(wù)器后便可按格式直接分解。
2)通過設(shè)備自定義通訊協(xié)議采集
貼片機是以主機板為核心的控制系統(tǒng)，采用板卡結(jié)構(gòu)。貼片機采用P8000控制箱，由HMI和MMC控制模塊組成。貼片機提供主機通訊用的25針RS232串口，其本身就是用于制造信息系統(tǒng)的組網(wǎng)。
通過Host Communication協(xié)議，提供設(shè)備與主機之間的雙向應(yīng)答通訊、通訊指令包括起止位、長度段、數(shù)據(jù)段等，采用和校驗方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊需要設(shè)置貼片機為Online狀態(tài)。貼片機一般提供了3種工作狀態(tài)：Auto、Semi和Manual。只有在Aut。狀態(tài)才能設(shè)置onhne狀態(tài)，在其它2種狀態(tài)下，會自動置回Offline。所以，只能在Auto狀態(tài)下才能實現(xiàn)實時采集相關(guān)數(shù)據(jù)。但在Aut。狀態(tài)不能進行Step等調(diào)試工作，因此在生產(chǎn)監(jiān)控過程中用Auto狀態(tài)，檢修維護時則切換到semi或者manual狀態(tài)。貼片機根據(jù)不同機型及用戶設(shè)置，提供4800～19200 bps不等的串口通訊速率。
2.2.3 回流爐數(shù)據(jù)采集
回流焊工藝是將組件板加溫，使焊膏熔化而達到器件與PCB板焊盤之間電氣連接。以HELLER 1500～1809 W系列為例進行回流爐數(shù)據(jù)采集。采集數(shù)據(jù)包括各區(qū)爐溫(設(shè)置值、實際值)、帶速。同時，按時間間隔對爐溫變化繪制折線趨勢圖，對爐溫過高報警提示。
本模塊通過設(shè)備控制系統(tǒng)接口采集數(shù)據(jù)。HELLER回流爐采用PC機控制。其控制機構(gòu)包括ENCODER(解碼器)、KBIC卡(速度控制卡)、CONTROLLER卡(主控制卡)、MOTOR(電機)等部分。PC和主控制卡通過COM口通訊，采集設(shè)備信息，發(fā)出控制命令。整個控制路線是閉環(huán)控制。
通過分析HELLER回流爐控制系統(tǒng)，其中Heller Comm OLE Control模塊以COM控件方式提供對回流滬的控制及采集功能。在回流爐控制電腦上安裝采集應(yīng)答程序，通過非堵塞SOCK連接與遠程采集服務(wù)器上的采集驅(qū)動應(yīng)答，傳輸實時數(shù)據(jù)。通過多線程方式，一臺采集服務(wù)器可同時連接多臺回流爐進行數(shù)據(jù)采集。
3、經(jīng)濟指標(biāo)
根據(jù)在國內(nèi)某企業(yè)近2年的現(xiàn)場實施與應(yīng)用經(jīng)驗表明，實施本項目可以達到以下經(jīng)濟目標(biāo)。
1)監(jiān)控生產(chǎn)過程質(zhì)量，預(yù)先完成分析，發(fā)現(xiàn)和糾正異常因素，可以減少停機時間，提高設(shè)備利用率，每年增加加工產(chǎn)能約10%;
2)監(jiān)控生產(chǎn)進度，合理安排生產(chǎn)計劃，減少機種轉(zhuǎn)換的次數(shù)和停線時間，提高產(chǎn)量，每年增加加工產(chǎn)能約10%;
3)每年降低5%管理費用。項目實施后，每年新增產(chǎn)值15%，節(jié)約成本及費用5%，每年共增加經(jīng)濟效益約30%。
4、結(jié)語
1)目前MES系統(tǒng)軟件在國內(nèi)應(yīng)用還處于探索階段。真正成熟、通用化的產(chǎn)品以及成功實施案例較少，MES系統(tǒng)軟件的實施也非一蹶而就。企業(yè)在實施MES系統(tǒng)軟件時，切勿按照MES系統(tǒng)軟件定義求大求全。應(yīng)根據(jù)自身實際情況，進行細致分析和合理規(guī)劃。對于PCB組裝行業(yè)，流水線設(shè)備自動化程度高，實施MES系統(tǒng)軟件可以數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控作為切入點，在此基礎(chǔ)上實施現(xiàn)場數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、工序排產(chǎn)等模塊容易見效。
2)MES系統(tǒng)軟件是生產(chǎn)活動與管理活動信息溝通的橋梁，在整個企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下作用。脫離MES系統(tǒng)軟件的ERP系統(tǒng)將無法快速根據(jù)市場需求組織生產(chǎn)。因此，MES系統(tǒng)軟件應(yīng)處理好與上層ERP系統(tǒng)的接口。
3)敏捷性生產(chǎn)是先進制造模式的核心，傳統(tǒng)的MES系統(tǒng)軟件解決方案難以適應(yīng)這一要求，面向敏捷制造的 MES系統(tǒng)軟件 要具有良好的可集成性(Integratability)、可配置性(Configurabilty)、可適應(yīng)性(Adaptability)、可擴展性(Extensibility)和可靠性(Reliability)。因此，國外許多組織和研究機構(gòu)已經(jīng)開始研究面向敏捷制造的MES系統(tǒng)軟件。
