麵向SMT行業MES 解決方案

 

一、行業概述

表麵組裝技術,英文名稱 Surface Mount Technology,縮寫為SMT。是一種將表麵組裝元器件(SMD)安裝到印製電路板(PCB)上的板極組裝技術,它是現代電子組裝技術的核心。SMT最早起源於20世紀60年代的厚膜電路外貼元器件技術,在20世紀80年代隨著彩色電視機電子調諧器的大規模生產而得到迅速發展,到了20世紀90年代中期基本成熟,成為現代主流的電子組裝技術。SMT為電子產品帶來了高密度、高性能、低成本、高可靠性這四大優勢,從而促進了該技術被廣泛應用,反過來亦推動了這項技術自身的發展。

隨著電子技術的快速發展和電子產品生命周期的不斷變短,給PCB板組裝製造商提出的要求也越來越高。同時,隨著全球化的市場競爭帶來的企業國際壓力增大,現代PCB板組裝製造企業要想在瞬息萬變的市場競爭中站穩腳跟,得以生存發展,必須采用更為先進的生產模式,快速響應客戶、訂單的需求,並提供物美價廉的產品。

係統集成和信息集成是當前提高企業管理效率的重要技術。許多企業都通過不斷提高表麵組裝技術(SMT)的自動化程度和導入先進的企業級管理信息係統(如MRPII、ERP等) , 使本企業的生產管理水平和市場競爭力提升到了一定的高度。但MRPII、ERP係統一般僅管理企業級資源計劃, 它通常隻能處理曆史或預測類型的數據,不能及時、準確地反映當前生產現場的設備狀態和生產過程數據。同時, 現場生產設備控製係統也不能實時的將生產數據傳遞到上層資源管理係統。這也就導致了企業資源計劃層缺乏有效的設備實時信息支持,控製環節不能得到有效優化的調度與協調,屬於典型的開環係統。因此如何將先進的生產線控製係統和企業級的管理類信息係統有效地結合起來,並在兩者之間搭建橋梁提供信息溝通,使係統功能閉環,就是企業信息化建設所迫切需要解決的問題。以現階段的技術手段,從科學角度來看,生產製造執行係統(MES)恰好可以用來解決這一難題。

MES係統是位於上層的計劃管理係統與底層的生產過程控製係統之間的麵向車間層的管理信息係統。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化管理。PCB板組裝行業的設備自動化程度較高,為了充分挖掘先進設備的生產潛力, 優化生產行為, 全麵提高企業信息化管理水平, MES 的建設及應用就顯得尤為重要了。

本解決方案基於這一思想,依據PCB板組裝企業的信息化現狀及特點,以智能製造為核心理念,對SMT行業的MES相關功能模塊進行設計以及搭建,提供一係列獨特的管理方式以及管理工具,用以提高生產效率,改善產品品質,縮短生產周期,降低製造成本,並進行全麵的防錯防呆,實現全麵科學的可追溯管理。



二、現狀及需求


1.現狀描述

現階段,大多數工廠進行係統上層建設的條件還不充足。主要原因是底層基礎建設和相關條件都還不完善,已有係統的開放性也還不夠。具體表現在,當前生產線中一些設備並不具備直接進行數據采集的條件,有些是數據接口已被占用,有些是不具備通訊的能力,還有一些則是工位上手工進行操作的,這些問題都需要通過一些硬件方麵的改造以及相應的基礎建設來使其具備數據傳輸的條件。對於可以進行數據采集的部分,還需要進一步明確相關數據在控製器中的存儲區域以及通訊鏈路的處理方式等問題。對於企業中已存在的上層係統,如ERP,目前也還不能確定與其數據互通可以采用何種方式,這也是在項目開始前簽訂技術實施協議及相關合同時需要明確的地方之一。

在生產過程中,SMT生產製造部門大量應用絲印機、貼片機、回流爐等自動化設備,這些設備基本都采用工控機進行控製。由於設商廠商采用的數據接口和格式各不相同,設備信息也就無法集中共享,從而形成了很多“信息孤島”,無法實現統一數據分析及處理。雖然大多數設備都具備采集生產過程數據的能力,但設備之間缺少網絡連接,采集過程也隻能通過人工查看顯示屏或以磁盤拷貝的方式完成,這樣的處理方式也就不能及時的反應整個生產線的作業狀況,對於係統的管理效果而言無疑是極差的。

與此同時,人工采集、記錄、傳遞生產數據不僅增加了工人的工作量,也無形之中將數據傳輸過程中最不可靠的因素放到了最重要的位置,效率自然十分不穩定,準確性更無法得到保障,更甚者還可能會影響生產的進行。SMT行業特性決定了如果生產過程中某一環節出現問題,就會造成整批在製品的報廢,因此在生產過程中更需要實時、高效地監控關鍵生產參數,並快速的定位出錯點,以正確的報警預警信息來提示相關人員注意和處理,並對部分重要參數自動進行響應。

 企業現階段不再滿足於最簡單、直接的看板信息,而是需要根據實時生產數據,對生產行為進行動態的監控。在此基礎上,輔以相應的MES功能模塊,對整個生產過程進行科學、係統的管理,以實現對於生產的全麵管理以及與其它子係統間的互聯互通。最終才能提高產品質量,降低成本消耗。

 


企業管理層與現場設備控製層之間存在斷層會導致無法實現完整的自動/半自動閉環業務流程。PCB板組裝行業的特點就是小批量多樣化,定單變動頻繁。目前的生產管理方式中,生產計劃和定單需求往往不能及時地下達到現場作業層,生產車間自然也就不能及時根據實際情況對生產計劃進行調整。工作效率低下的直接後果就是對交貨時間產生的影響,而交貨期是否穩定又是客戶采購時的重要考察因素之一,這無疑形成了一種惡性循環。 車間現場生產過程中還存在大量的重複操作且易出錯的環節,例如:如何對現場大量貼片機料架使用狀態進行有效管理,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問題。 這些問題都是密切關聯和互相影響的,最終則會嚴重製約企業的發展,導致資源浪費,使企業效率低下。

在日益激烈的市場競爭環境之下,行之有效的生產管理解決方案將對SMT行業具有重要意義,並可帶來巨大的直接經濟收益。 

2.需求描述

麵向SMT行業MES 的主要建設目標是:

      構建基於統一基礎數據、統一係統框架的MES指揮調度平台。提供可柔性組合定製的用戶界麵、相關業務模塊及二次開發接口;

      MES係統需要麵向精益生產管理模式要求,以生產過程動態質量控製為目標。通過建立SMT流水線生產過程的管理控製模型,實現關鍵工序與相應的生產和質量數據的實時采集、監控與調度。實現從產品生產任務分派、設備管理及現場動態調度的信息化集成管理,消除老舊的以人核心的管理模式帶來的不利影響;

      提供動態質量分析相關手段,對實時質量問題進行報警, 促進管理水平的提高, 使質量管理模式由手工檢驗逐步過渡到自動處理、實時控製的方式。建立係統的質量知識庫,促進質量標準的優化。通過采集、分析、處理、積累的循環過程,實現質量的持續改善;

      完成與企業已有信息化係統的集成,並根據實際需要提供互聯網功能。

  


三、建設方案


1.平台結構設計

基於對行業情況的了解,結合目的現狀,配合力控相關產品,對上層信息化平台做如下建設:


力控產品主要部署在操作層、管理層以及企業層。IOServer以及通訊網關pFiledComn負責數據的采集工作。ForceControl組態軟件則負責操作級的現場監控環節,eForcecon則在管理層實現對整廠的集中監控,完成對廠區工業數據的統一以及傳統的監控功能。三維可視化平台FCVP用於將廠區乃至企業的整體規模以及現場工況以三維的視覺效果進行展示,便於使用者獲得區別於傳統SCADA係統的更為直觀的體驗。pSpace一般用於存儲係統中所產生的全部數據 ,為數據的安全以及數據的分析運算提供可靠的保障;信息化平台則采用FMES來完成,其傳統MES平台的核心功能組件和模塊,同時可以作為企業信息化平台麵向互聯網的窗口,讓互聯互通跨平台訪問更加簡單。相關軟件平台還提供API接口、OPC和一些常用接口等擴展功能,便於企業內部基於該平台的功能以及數據完成企業內部需要自研的相關功能的開發,增強平台的可用性和對於企業的友好性。

2.平台模塊設計原理

2.1.數據處理功能模塊

數據處理功能模塊為最基本的功能模塊之一,其主要功能已經在第四部分數字化功能建設中進行了說明。該模塊負責生產過程中數據的收集、存儲以及接口的互通等工作。數據來源一般是現場的硬件設備或其它已投入使用的軟件,這部分數據包含曆史數據和實時數據兩部分內容,通過數據處理模塊的工作,數據會被儲存下來以及進行應用和轉發等操作。

2.2.生產實時追蹤模塊

該模塊主要對生產過程的數據進行計算和分析,從而可以及時的獲取當前的生產狀況信息如:設備運行實時數據、人員班組當前信息、關鍵監測點數據、報警預警情況、看板顯示功能、客戶端展示功能等,這些功能都是以數據采集模塊為基礎支撐的。綜合利用這些時效性數據的好處就是即使現場無人,我們也可以將現場情況一覽無遺,同時,生產的實時追蹤也為計劃的落實程度提供評判的依據和直觀的反映。


2.3.計劃管理功能模塊

該功能主要包含“計劃排產功能”、“計劃追蹤功能”、以及隨著使用過程中不斷優化最終可以形成固定算法後再配置的“計劃自動優化功能”三部分。

計劃排產功能是根據ERP或相關訂單係統中的原始訂單信息,經過算法模型分解成工單任務並經過生產關鍵人審核簽名後下發到現場級去執行,根據實際的需要也可人工製定工單;計劃追蹤功能是在規定的時間範圍內將當前實時的生產進度信息與計劃內的預定信息進行係統內的對比,然後按照目前的生產進度情況進行計算,預估出訂計劃後續還需要執行的剩餘時間,從而將計劃執行情況以及對於計劃執行結果的預估情況進行及時的反饋。對於不能及時完成的訂單,則需要人為進行幹預和調整,計劃在調整後將會再次下發;計劃優化功能則是針對生產中出現的頻繁調整等問題或是經驗性問題進行優化和建議,從而改善初始計劃製定過程中的偏誤,一般來說該功能屬於未來型功能,需要大量的曆史數據作為支撐,所以現階段一般還是靠人工進行調整,使計劃的執行運行在一個相對準確的決策環境中。





2.4.報警預警功能模塊

報警預警的作用就是用以減少現場異常事故(生產異常以及安全事故)發生幾率以及已發生的事故的持續時間,所以快速響應是關鍵。在這一功能模塊中,我們必須強調速度這一要求,凡是可以避免的中間環節一律優化掉,化被動為主動。

報警和預警的處理機製會變成直達關鍵人、負責人的流程,並在一定時間後對未經處理的報警預警進行等級提升,讓更高層管理人參與進來監督處理。



2.5.追溯分析功能模塊

追溯分析功能模塊作用於已發生的數據(曆史數據),將數據間通過相互的聯係,以需要分析的結果為可追溯的條件之一,進行檢索,並得出大量的數據對該事件進行支撐。

通過追溯分析模塊,可以有效的定位到數據產生和流轉的關鍵節點,通過對所存儲的數據進行係統的分析和處理,深入挖掘數據的價值,對於生產過程的追溯,主要可以從產品、設備、人員三方麵進行,從這三個先決條件看數據在整個過程中的連貫性。每個維度觸發的追溯將會生成不同的結果,但其結果都應是從各個維度上清晰的反映出生產的實際情況,從而便於我們分析曆史過程以及對現階段進行判斷,然後再去調整以避免未來可能發生的問題。該功能需要的數據往往比較全麵,所以需要數據處理模塊對於底層的數據已進行了全麵的管理,還需要對應生產中的一些標誌性的狀態數據,使數據內部產生相應的聯係。

在基於產品信息的追溯分析模式中,可以獲取到產品在生產過程中關係到的所被記錄的信息。至少包括了:訂單相關信息,生產相關信息,生產能耗,物料信息,生產班組信息,質量信息。

在基於設備的追溯分析模式中,可以獲取到設備全生命周期的被記錄的信息。至少包括了:設備基礎信息(廠家、造價、采購時間、運行時間、設計壽命、設備負責人、設備地理位置等),設備維修信息,設備保養信息,設備能耗信息,OEE分析等。

在基於人員的追溯分析模式中,可以獲取到人員在參與生產過程中所被記錄的信息。





2.6.訂單追蹤功能模塊

該功能模塊從屬於計劃管理功能,與其也存在數據的互通,但適合單獨出來進行建設。在進行訂單追蹤時,主要是根據選擇的訂單信息,進行分析,了解訂單的完成情況以及交付時間,在係統功能相對完善的後期,還可對訂單提出一些報警和預處理功能,將解決方案直達銷售層、管理人員。

該模塊的功能主要是用於今後係統接口的開放,將這一塊的追蹤功能直接給相關的大客戶銷售及大客戶使用,便於授權的使用者更方便的了解自己所屬範圍的訂單目前的完成情況,避免不必要的催單產生。



2.7.設備管理功能模塊

對設備進行全生命周期的管理是有效提高設備運行效率的手段之一,設備管理包括了常規的設備台帳,采購、保養、報廢等管理,還提供設備的OEE(設備綜合效率)分析,確保設備能在其生命周期內發揮的價值接近或超過預估的理想值。對於專業設備和重點設備還需要提供重點的關注,保障其無障礙運行,以支撐整個生產流程。



2.8.質量管理功能模塊

該模塊主要對於生產中以及生產結束後中間品和產品的質量檢測結果進行管理和分析。對於檢測結果的收集,盡可能的對接質檢設備以及原質檢係統,用直接的數據采集替換掉以前陳舊模式(紙質單據、人工錄入等),從而避免過多的人工輸入環節,確保結果的準確可靠。對於質量管理,一般會實時監測生產線上一些關鍵質量點的數據,包括各工藝參數,各階段抽樣指標,成品檢測結果等,這些數據將會全麵的描述一件成品的生產過程中的質量情況,構成質量管理的核心內容。


2.9.人員管理功能模塊

該模塊主要是對人員數據進行管理。人員信息錄入後,與考勤績效形成數據間的關聯。人員排班的編製、管理,電子工票以及使用人員的權限控製等都在該部分進行設計和實現。現階段圍繞人員管理方麵的需求,一般體現在排班、績效管理、安全等級三個方麵,其中結合生產數據還可以實現人員工資的核算、投入產出比核算等。



2.10.庫房管理功能模塊

該模塊的功能主要是對倉庫(物料庫、成品庫)的整個出入庫過程以及庫存狀態進行管理,全過程應支持數字采集管理(條碼掃描或電子標簽等)。物品從到貨驗收再到生產投料全程條碼化,以此記錄物品名稱、物料批號、規格、數量、供應商批號等信息,利用條碼跟蹤和驗證物料,實現物料管理的智能化。庫存管理對生產過程中的領料、返工和報廢等操作進行管控,在操作過程中盡可能的減少人工記錄的操作量,確保準確程度以及效率的提升。


2.11.能源管理功能模塊

能源是生產的核心,所以,對工廠、車間或產線的用能情況進行合理的預測分析是十分必要的。

對於生產過程中的能耗進行實時統計分析,能耗超標要產生報警提醒,原理則是因為能耗不會無緣無故的拉高或落低,這其中異常的原因往往值得深入探究。那麼對各級能源計量表間的平衡分析,找出能耗異常的環節,提出改善能耗的合理措施就是能源管理功能模塊的重點內容。

有些企業或管理者對能源方麵的需求不是很強烈,這也就意味著在節能方麵的功能可以不用做過多的設計,而是將能源管理功能的方向轉向從能源消耗上分析生產中隱含的一些不利因素,如:設備的老化,人工的倦怠、不合理的計劃變動等,再配合其他過程數據以確定並及時的處理發現的這些不利因素。


2.12.可擴展功能模塊

該部分功能主要是麵向客戶和社會開放的,可以是接口程序也可以是一個完整的應用程序,主要用於客戶及時的了解自己訂單信息,增強廠家與社會的聯係,如適時的發布通告、產品信息等,同時可用於收集客戶的意見和建議,加強企業與社會間聯係。

業務人員也可以利用該擴展功能快速的實現相關數據的訪問。該功能將會以開放數據接口為主,方便廠家在此項目基礎之上做更多的擴展定製,從而獲得一個擁有自主特色的門戶型平台。



3.工業網絡安全建設

關於工業網絡的安全性建設,本解決方案中主要推薦采用工業通訊網關、工業安全隔離網關以及工業防火牆來完成。具體下來主要涉及力控的三款網絡安全產品:pSafetyLink係列工業安全隔離網關、pFieldComm係列工業通信網關、HC-ISG係列工業防火牆。通過構建工業網絡安全性平台,保障數據和運行環境的安全運行。

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