隨著電子技術的快速發(fā)展和電子產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?，F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模式,，快速響應客戶訂單需求，并提供優(yōu)質低價的產品,。系統(tǒng)集成和信息集成(CIMS)是當前提高企業(yè)管理效率的重要技術,。許多企業(yè)通過不斷改善貼裝生產線自動化程度和導入先進的企業(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測數據,，不能及時,、準確地反映當前生產現場的設備狀態(tài)和生產數據。同時,，現場生產設備控制系統(tǒng)也不能將實時生產數據傳遞到上層資源管理系統(tǒng),。導致企業(yè)資源計劃層缺乏有效的設備實時信息支持，控制環(huán)節(jié)不能得到有效優(yōu)化的調度與協(xié)調,。因此如何將先進的生產線控制系統(tǒng)和企業(yè)級的生產管理信息系統(tǒng)有效地結合起來,，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)。它通過采集現場實時數據,，實現從訂單下達到產品完成的整個生產過程的優(yōu)化管理,。PCB板組裝行業(yè)是一個典型的流程制造業(yè)，且設備自動化程度高,。為了充分挖掘先進設備的生產潛力,，優(yōu)化生產行為，全面提高企業(yè)信息化管理水平,，MES系統(tǒng)軟件的建設與應用尤為重要,。本文正是基于這一思想，以生產過程動態(tài)質量控制為目標,，根據PCB板組裝企業(yè)的信息化現狀及特點,，提出了面向PCB板組裝企業(yè)MES系統(tǒng)軟件的構建和應用。
1、PCB板組裝行業(yè)的信息化現狀及問題
現代PCB板組裝企業(yè)的生產制造部門大量使用絲印機,、貼片機,、回流滬等自動化設備，基本都采用工控機進行控制,。由于設備廠商數據接口和格式各不相同,，設備信息不能集中共享，形成了很多“信息孤島”,，無法實現統(tǒng)一數據分析及處理,。雖然大多數設備都具備采集生產過程參數的能力，但設備之間沒有網絡連接,，采集參數只能通過人工查看顯示屏或磁盤備份的方式完成,，不能夠及時反應整個生產線的作業(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)控關鍵生產參數并定位出錯位置，給予正確的報警提示信息,。同時,，對部分重要參數進行自動回控調整。
企業(yè)不再滿足于簡單,、直接的看板信息,，需要根據實時生產數據，對生產行為進行動態(tài)監(jiān)控,。在此基礎上,，輔以質量過程控制方法論手段，進行科學,、系統(tǒng)的質量過程分析,，以支持現場生產過程的判斷和及時處理，提高生產質量,。
企業(yè)計劃層和現場設備控制(DCS)之間存在斷層,，無法實現完整的自動/半自動閉環(huán)業(yè)務流程。作為PCB板組裝行業(yè)小批量多樣化,，定單變動頻繁的特性,，生產計劃和定單需求不能及時下達到現場作業(yè)，車間不能及時根據實際情況對生產計劃進行調整，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,，車間現場生產過程中存在大量重復操作且易出錯的環(huán)節(jié),。例如：如何對現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BOM之間是否正確對應等等,。
上述問題是密切關聯和互相影響的，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濟效益,。
2,、實現目標及技術路線
面向PCB板組裝行業(yè)MES系統(tǒng)軟件的主要建設目標如下。
1)構建基于統(tǒng)一基礎數據,、統(tǒng)一系統(tǒng)框架的MES系統(tǒng)軟件指揮調度平臺,。提供可柔性組合定制的用戶界面、業(yè)務模塊和二次開發(fā)接口,。
2)研究開發(fā)面向精益生產管理模式要求的,，以生產過程動態(tài)質量控制為目標的MES系統(tǒng)軟件。通過建立SMT流水線生產過程的管理控制模型,，實現關鍵工序與設備的生產和質量數據的實時采集,、監(jiān)控與調度，實現從產品生產任務分派,、設備管理及現場動態(tài)調度的集成信息化管理,。
3)提供動態(tài)質量分析手段，實時質量問題報警,，促進管理水平提高,，使質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,。建立質量知識庫,，促進質量標準的優(yōu)化。通過采集,、分析,、處理、積累的循環(huán)過程,，實現質量的持續(xù)改善,。
4)完成與企業(yè)已有信息化系統(tǒng)的集成,。
根據PCB板組裝行業(yè)特征，本方案功能模塊劃分主要包括數據采集,、監(jiān)控及報警,、動態(tài)質量過程控制、工序計劃調度,、設備管理,、輔助生產現場管理等。
2.1 數據采集,、監(jiān)控及報替
2.1.1 主要內容
SMT生產線上的自動化設備組建成工業(yè)網絡并與內部辦公局域網連接起來,，在生產線自動化設備的控制電腦上安裝軟、硬件通信模塊,，自動采集實時生產數據,，通過網絡傳遞到數據處理中心。并將數據處理中心的共享信息通過網絡傳遞到監(jiān)控終端上,。
2.1.2 數據采集子系統(tǒng)
“數據采集子系統(tǒng)”用于從SMT車間現場自動化設備中采集實時生產信息,，并傳輸到監(jiān)控終端分解成用戶所需要的界面形式顯示。同時,，根據用戶需求,，對采集數據進行存儲、輸出等二次處理,。按照報警條件輸出報警信息,。
“數據采集子系統(tǒng)”中考慮與SMT車間其它DCS控制系統(tǒng)的集成。目前大多數先進設備均提供OPC/DDE接口,，因此,，在數據采集系統(tǒng)中,，還應具備與OPC/DDE服務的接口程序,，提供全面的讀寫交互，方便從控制系統(tǒng)獲取即時的生產和質量信息,。
2.1.3 動態(tài)質量過程控制
由于采集數據量很大,，需要高效、快速的分析手段自動導入現場數據,，實時進行質量分析,、掌控當前生產狀態(tài)。而動態(tài)質量過程控制模塊(Statistical Processcontrol)正是利用統(tǒng)計學原理,，對質量檢測數據進行收集和分析,，有效控制企業(yè)生產過程、不斷改進品質,、降低不良品率,、提升企業(yè)的效益和競爭力。
SPC提供的質量分析內容包括：變化分析、穩(wěn)定性分析,、有效能力分析,、變異因素分析、過程相關性分析,。與之對應,，本方案提供計數型和計量型共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PCB板組裝行業(yè)特征，提供DPMO(百萬分之缺陷數)控制圖分析,。
2.1.4 工序計劃調度
在現場采集數據支持下對車間生產計劃進行詳細調度和實時調整,。ERP作為企業(yè)的中高層計劃與決策計劃系統(tǒng)，制定車間的主生產計劃,，精確到日生產計劃,。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，將日生產計劃細化,。從ERP中讀取主生產計劃信息,，根據訂單類型、生產模式等確定目標函數,、約束條件,，選擇排產算法，建立調度規(guī)則,，生成詳細的生產計劃,，并下達到執(zhí)行層組織生產。為實現SMT流水線生產調度的實時性,，要求調度算法準確性高,、計算周期短、計算過程簡單,。以分鐘為單位或新任務的到來(瓶頸環(huán)節(jié))確定期望調度周期,?？筛鶕髽I(yè)生產線和其它人為因素等實際情況進行柔性調度，提供人工調整方式,，以及緊急情況下的調度方案,。計劃執(zhí)行完成后，由數據采集子系統(tǒng)向ERP反饋,。
2.1.5 設備管理
設備管理主要負責車間SMT流水線設備信息的管理,，它從數據采集系統(tǒng)中獲取設備的實時運行信息。通過對這些信息的統(tǒng)計分析,，得出設備的利用情況,。同時，設備信息可供工序計劃調度系統(tǒng)派工時調用,。設備管理的各項任務主要由車間設備管理部門和生產部門來實施,。主要包括基礎信息數據的維護、業(yè)務信息數據和狀態(tài)信息數據的維護,。根據功能需求,，設備管理模塊主要包括以下幾部分：設備檔案管理、設備變動管理,、設備檢查管理,、設備保養(yǎng)管理、設備維修管理,、設備潤滑管理,、設備運行管理、設備狀態(tài)統(tǒng)計和分析,、設備查詢等,。
2.1.6 輔助生產現場管理
用于簡化車間現場操作，輔助SMT生產車間日常管理功能,。
1)料架管理模塊：維護料架基礎及使用信息,，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：對生產線換料進行比對,，確認其是否符合當前站位的要求,，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BOM數據文件與工單文件的比對,，匯總BOM用料數量,，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)中提取坐標數據,，生成相應的貼片文件，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,，實現與ERP軟件的數據互換與共享,，動態(tài)查詢、顯示生產計劃信息,，并將完工情況及時返饋,。
2.2 采集驅動開發(fā)
為了優(yōu)化配置，企業(yè)在組建SMT生產線時,，設備一般均來自多個廠家,。而目前市場上的SMT生產設備種類繁多，不同設備之間,、甚至同一設備不同型號,，數據接口方式不盡相同。一般數據采集的方法有：采用行業(yè)通用協(xié)議采集,、通過設備自定義通訊協(xié)議采集,、通過設備控制系統(tǒng)接口采集，另外還可以添加采集板卡方式采集數據,。本節(jié)以典型SMT生產線為例,，對以上幾種采集方式進行論述。
2.2.1 絲印機數據采集
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)實現數據采集，采集參數包括：生產機種,、生產數,、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)議采集絲印機數據。DEK絲印機通過Machine PC和Machine Controller的連接來實現對設備的控制,。Machine PC為工控機,，采用intel奔騰系列CPU,，在其上運行相應的控制監(jiān)視軟件。Machine Controller實現具體的設備控制,，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準GEM/SECSll的主機通信功能,。GEM/SECSll協(xié)議為半導體設備和材料國際協(xié)會(SEMI)起草的一個倡議，其目的是使來自不同供應商的控制系統(tǒng)和設備統(tǒng)一通訊協(xié)議,。制造設備和主控機之間的通信標準由GEM/SECSll,、SEMIE30、E37(HSMS)協(xié)議定義困,，具有GEM兼容接口的設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線的絲印資源。
采用SEMI相關協(xié)議編寫通訊驅動程序,，實現采集驅動端與設備之間的數據應答,。同時，需要在絲印機主控界面上,，打開相應的主機通訊(HostComm),，開關為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 貼片機數據采集
貼片是將SMD器件貼裝到PCB板上的過程,，它是SMT流水線關鍵工藝,。貼片機控制參數復雜，精度要求高,，是本方案重點采集設備對象,。以松下Panasert(MSF、MV2VB,、MSR),、YAMAHA(YV88Ⅱ、YV100Ⅱ)貼片機為例,。采集內容包括生產信息,、實裝信息、吸嘴信息,、供料器信息,、程序信息。關鍵參數有生產數,、停機時間,、工作時間、工作效率,、取料數,、貼裝數、拋料數,。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量降低進行報警,。
1)通過設備監(jiān)控軟件接口采集采用DOS操作系統(tǒng))如YAMAHA YV88Ⅱ、YV100Ⅱ)的貼片設備可通過離線軟件和貼片機的COM口通訊,，采集驅動直接從離線軟件產生的過程文件中獲取相應采集數據,。
另一種方法為在設備上安裝串口通訊程序，在DOS狀態(tài)下,，與采集服務器上的串口程序通訊,，將過程數據發(fā)送至采集服務器監(jiān)控、存儲,。例如：YAMAHA貼片機過程數據為PDT格式的文本文件,。整個文件分為3個部分：HEAD前，HEAD和COMP,。采集到服務器后便可按格式直接分解,。
2)通過設備自定義通訊協(xié)議采集
貼片機是以主機板為核心的控制系統(tǒng)，采用板卡結構,。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,。
通過Host Communication協(xié)議，提供設備與主機之間的雙向應答通訊,、通訊指令包括起止位,、長度段、數據段等,，采用和校驗方式,，實現數據通訊需要設置貼片機為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)下才能實現實時采集相關數據,。但在Aut,。狀態(tài)不能進行Step等調試工作，因此在生產監(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),。貼片機根據不同機型及用戶設置，提供4800～19200 bps不等的串口通訊速率,。
2.2.3 回流爐數據采集
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據采集,。采集數據包括各區(qū)爐溫(設置值,、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,。
本模塊通過設備控制系統(tǒng)接口采集數據,。HELLER回流爐采用PC機控制。其控制機構包括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答程序,，通過非堵塞SOCK連接與遠程采集服務器上的采集驅動應答，傳輸實時數據,。通過多線程方式,，一臺采集服務器可同時連接多臺回流爐進行數據采集。
3,、經濟指標
根據在國內某企業(yè)近2年的現場實施與應用經驗表明,，實施本項目可以達到以下經濟目標。
1)監(jiān)控生產過程質量，預先完成分析,，發(fā)現和糾正異常因素,，可以減少停機時間，提高設備利用率,，每年增加加工產能約10%;
2)監(jiān)控生產進度,，合理安排生產計劃,，減少機種轉換的次數和停線時間,，提高產量，每年增加加工產能約10%;
3)每年降低5%管理費用,。項目實施后,，每年新增產值15%，節(jié)約成本及費用5%,，每年共增加經濟效益約30%,。
4、結語
1)目前MES系統(tǒng)軟件在國內應用還處于探索階段,。真正成熟,、通用化的產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。應根據自身實際情況,，進行細致分析和合理規(guī)劃,。對于PCB組裝行業(yè)，流水線設備自動化程度高,，實施MES系統(tǒng)軟件可以數據采集及監(jiān)控作為切入點,，在此基礎上實施現場數據質量分析、工序排產等模塊容易見效,。
2)MES系統(tǒng)軟件是生產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)將無法快速根據市場需求組織生產,。因此,，MES系統(tǒng)軟件應處理好與上層ERP系統(tǒng)的接口。
3)敏捷性生產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已經開始研究面向敏捷制造的MES系統(tǒng)軟件,。
