引言
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板組裝製造商提出了越來越高的要求，同時，全球化的市場競爭使企業面臨的國際壓力越來越大。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，必須採用先進的生產模式，快速響應客戶訂單需求，並提供優質低價的產品。系統集成和信息集成（CIMS）是當前提高企業管理效率的重要技術。許多企業通過不斷改善貼裝生產線自動化程度和導入先進的企業級管理信息系統( 如MRPⅡ、ERP等) , 使本企業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和生產數據。同時, 現場生產設備控制系統也不能將實時生產數據傳遞到上層資源管理系統。導致企業資源計劃層缺乏有效的設備實時信息支持,控制環節不能得到有效優化的調度與協調[1]。因此如何將先進的生產線控制系統和企業級的生產管理信息系統有效地結合起來, 在兩者之間搭建橋樑提供信息溝通,是企業信息化建設迫切解決的問題。製造執行系統(MES) 恰好解決這一難題。製造執行系統是位於上層的計劃管理系統與底層的生產過程式控制制系統之間的面向車間層的管理信息系統[2]。它通過採集現場實時數據，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板組裝行業是一個典型的流程製造業, 且設備自動化程度高。為了充分挖掘先進設備的生產潛力, 優化生產行為, 全面提高企業信息化管理水平, MES 的建設與應用尤為重要。本文正是基於這一思想, 以生產過程動態質量控制為目標，根據PCB板組裝企業的信息化現狀及特點, 提出了面向PCB板組裝企業MES的構建和應用。
2 PCB板組裝行業的信息化現狀及問題
現代PCB板組裝企業的生產製造部門大量使用絲印機、貼片機、迴流爐等自動化設備，基本都採用工控機進行控制。由於設商廠商數據介面和格式各不相同，設備信息不能集中共享，形成了很多「信息孤島」，無法實現統一數據分析及處理。雖然大多數設備都具備採集生產過程參數的能力，但設備之間沒有網路連接，採集參數只能通過人工查看顯示屏或磁碟備份的方式完成，不能夠及時反應整個生產線的作業狀況，實時性差。同時人工採集增加工作量、降低工作效率，準確性也無法得到保障。
PCB板組裝行業特性決定了如果某一環節出現問題，將造成整批在制品的報廢。因此需要實時、靈敏地監控關鍵生產參數並定位出錯位置，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。
企業不再滿足於最為簡單、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監控。在此基礎上，輔以質量過程式控制制方法論手段，進行科學、系統的質量過程分析，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/半自動閉環業務流程。作為PCB板組裝行業小批量多樣化，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，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。而交貨期是否穩定是客戶採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 等等。
上述問題是密切關聯和互相影響的，其綜合後果嚴重製約了企業的發展。在日益激烈的市場競爭環境下，行之有效的解決方案將對PCB行業具有重要意義，並可獲取巨大的直接經濟效益。
3 實現目標及技術路線
面向PCB板組裝行業MES 的主要建設目標是：
1) 構建基於統一基礎數據、統一系統框架的MES指揮調度平台。提供可柔性組合定製的用戶界面、業務模塊和二次開發介面。
2) 研究開發面向精益生產管理模式要求的，以生產過程動態質量控制為目標的MES系統。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採集、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集成信息化管理。
3) 提供動態質量分析手段，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，促進質量標準的優化。通過採集、分析、處理、積累的循環過程，實現質量的持續改善。
4）完成與企業已有信息化系統的集成。
根據PCB板組裝行業特徵, 本方案功能模塊劃分主要包括數據採集、監控及報警、動態質量過程式控制制、工序計劃調度、設備管理、輔助生產現場管理等。各模塊業務關係如下圖所示：
MES模塊業務關係圖
3.1 數據採集、監控及報警
3.1.1 主要內容
將SMT生產線上的自動化設備組建成工業網路並與內部辦公區域網連接起來，在生產線自動化設備的控制電腦上安裝軟、硬體通信模塊，自動採集實時生產數據，通過網路傳遞到數據處理中心。並將數據處理中心的共享信息通過網路傳遞到監控終端上。
3.1.2 數據採集子系統
「數據採集子系統」用於從SMT車間現場自動化設備中採集實時生產信息，並傳輸到監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，對採集數據進行存儲、輸出等二次處理。按照報警條件輸出報警信息。
「數據採集子系統」中考慮與SMT車間其它DCS控制系統的集成。目前大多數先進設備均提供OPC/DDE介面，因此，在數據採集系統中，還應具備與OPC/DDE服務的介面程序，提供全面的讀寫交互，方便從控制系統獲取即時的生產和質量信息。
3.1.3 動態質量過程式控制制
由於採集數據量很大，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。而動態質量過程式控制制模塊（Statistical Process Control）正是利用統計學原理，對質量檢測數據進行收集和分析，有效控制企業生產過程、不斷改進品質、降低不良品率、提升企業的效益和競爭力。
SPC提供的質量分析內容包括：變化分析、穩定性分析、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板組裝行業特徵，提供ＤＰＭＯ（百萬分之缺陷數）控制圖分析。
3.1.4 工序計劃調度
在現場採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作為企業的中高層計劃與決策計劃系統 ，制定車間的主生產計劃 ，精確到日生產計劃。MES以JIT（Just In Time）作為基層的計劃執行與控制系統的核心，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，選擇排產演算法，建立調度規則，生成詳細的生產計劃，並下達到執行層組織生產。為實現SMT流水線生產調度的實時性，要求調度演算法準確性高、計算周期短、計算過程簡單。以分鐘為單位或新任務的到來（瓶頸環節）確定期望調度周期。可根據企業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。計劃執行完成後，由數據採集子系統反饋向ERP返饋。
3.1.5 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，它從數據採集系統中獲取設備的實時運行信息。通過對這些信息的統計分析，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、業務信息數據和狀態信息數據的維護。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、設備保養管理、設備維修管理、設備潤滑管理、設備運行管理、設備狀態統計和分析、設備查詢等。
3.1.6 輔助生產現場管理
用於簡化車間現場操作，輔助SMT生產車間日常管理功能。包括：
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、保養記錄、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，並記錄換料行為，有利於對換料信息的查詢。
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化模塊：從CAD系統中提取坐標數據，生成相應的貼片文件，糾正程序問題，優化貼裝路徑，保證貼裝的正確性。
5） ERP介面模塊：完成與企業已有ERP系統的通用介面，實現與ERP軟體的數據互換與共享，動態查詢、顯示生產計劃信息，並將完工情況及時返饋。
3.2 採集驅動開發
為了優化配置，企業在組建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，數據介面方式不盡相同。一般數據採集的方法有：採用行業通用協議採集、通過設備自定義通訊協議採集、通過設備控制系統介面採集，另外還可以添加採集板卡方式採集數據。本節以典型SMT生產線為例，對以上幾種採集方式進行論述。
3.2.1 絲印機數據採集
絲印是將焊膏（或固化膠）塗布到PCB板上的過程。以DEK全自動絲印機為例（如：DEK265LT、DEK265HORIZON）實現數據採集，採集參數包括：生產機種、生產數、印刷方式、刮印壓力、刮印速度、分離速度、循環時間、印刷方向。
本模塊通過行業通用協議採集絲印機數據。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，採用intel 奔騰系列CPU，在其上運行相應的控制監視軟體。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。
絲印機的控制系統相對貼片機較為簡單，採用主機板控制。DEK絲印機具有符合開放標準GEM/SECS II的主機通信功能。GEM/SECS II協議為半導體設備和材料國際協會(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和設備統一通訊協議。製造設備和主控機之間的通信標準由GEM/ SECSII、SEMI E30、E37 (HSMS) 協議定義[2]，具有GEM兼容介面的設備可以方便地集成到企業的CIM策略中。具有GEM/SECS II （TCP/IP）主機通信功能可方便集成整條生產線的絲印資源。
採用SEMI相關協議編寫通訊驅動程序，實現採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（Ｈost Comm）開關為Enabled狀態。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。
3.2.2 貼片機數據採集
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。貼片機控制參數複雜，精度要求高，是本方案重點採集設備對象。以松下Panasert（MSF、MV2VB、MSR）、YAMAHA （YV88Ⅱ、YV100Ⅱ）貼片機為例。採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）通過設備監控軟體介面採集
採用DOS操作系統（如YAMAHA YV88Ⅱ、YV100Ⅱ）的貼片設備可通過離線軟體和貼片機的COM口通訊，採集驅動直接從離線軟體產生的過程文件中獲取相應採集數據。
另一種方法為在設備上安裝串口通訊程序，在DOS狀態下，與採集伺服器上的串口程序通訊，將過程數據發送至採集伺服器監控、存儲。例如：YAMAHA貼片機過程數據為PDT格式的文本文件。整個文件分為三個部分：HEAD前，HEAD和COMP。採集到伺服器后便可按格式直接分解。
2）通過設備自定義通訊協議採集
松下Panasert貼片機是以主機板為核心的控制系統，採用板卡結構。Panasert貼片機採用P8000控制箱，由HMI和MMC控制模塊組成。Panasert貼片機提供主機通訊用的25針RS232串口，其本身就是用於製造信息系統的組網（如松下公司的Pamacim，Unicam公司的Unicam等）。
通過松下Host Communication協議，提供設備與主機之間的雙嚮應答通訊、通訊指令包括起止位、長度段、數據段等，採用和校驗方式。實現數據通訊需要設置貼片機為Online狀態。貼片機一般提供了三種工作狀態：Auto、Semi和Manual。只有在Auto狀態才能設置Online狀態，在其它兩種狀態下，會自動置回Offline。所以，只能在Auto狀態下才能實現實時採集相關數據。但在到Auto狀態不能進行Step等調試工作，因此在生產監控過程中用Auto狀態，檢修維護時則切換到semi或者manual狀態。貼片機根據不同機型及用戶設置，提供4800~19200bps不等的串口通訊速率[3]。
3.2.3 迴流爐數據採集
迴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 1500W~1809W系列為例進行迴流爐數據採集。採集數據包括各區爐溫（設置值、實際值）、帶速。同時，按時間間隔對爐溫變化繪製折線趨勢圖，對爐溫過高報警提示。
本模塊通過設備控制系統介面採集數據。HELLER迴流爐採用PC機控制。其控制機構包括ENCODER（解碼器）、KBLC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，採集設備信息，發出控制命令。整個控制路線是閉環控制。
通過分析HELLER迴流爐控制系統，其中Heller Comm OLE Control 模塊以COM控制項方式提供對迴流爐的控制及採集功能。在迴流爐控制電腦上安裝採集應答程序，通過非堵塞SOCK連接與遠程採集伺服器上的採集驅動應答，傳輸實時數據。通過多線程方式，一台採集伺服器可同時連接多台迴流爐進行數據採集。
4 經濟指標
根據在國內某企業近兩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）監控生產過程質量，預先完成分析發現和糾正異常因素，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%，節約成本及費用5%，每年共產生經濟效益約30%。
5 總結
1）目前MES系統在國內應用還處於探索階段。真正成熟、通用化的產品以及成功實施案例較少，MES 的實施也非一蹶而蹴。企業在實施MES時，切勿按照MES系統定義求大求全。應根據自身實際情況，進行細緻分析和合理規劃。對於PCB組裝行業，流水線設備自動化程度高。實施MES可以數據採集及監控作為切入點，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系統是生產活動與管理活動信息溝通的橋樑，在整個企業信息集成系統中承上啟下作用。脫離MES的ERP系統將無法快速根據市場需求組織生產。因此，MES系統應處理好與上層ERP系統的介面。
3）敏捷性生產是先進位造模式的核心，傳統的MES解決方案難以適應這一要求，面向敏捷製造的MES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(Rdliability) [4]。因此, 國外許多組織和研究機構已經開始研究面向敏捷製造的MES[5]
