智能工廠項(xiàng)目在PCB行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用探討

王琳　李軍祥

【摘? 要】基于目前智能手機(jī)的普遍應(yīng)用，各智能手機(jī)廠商對(duì)其上游供應(yīng)商印制電路板板廠生產(chǎn)的基板的可追溯性及產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求。通過(guò)研究O公司研發(fā)出來(lái)的智能工廠項(xiàng)目在PCB領(lǐng)域內(nèi)的管理應(yīng)用，以期能夠更好地推廣該項(xiàng)目。以大量的實(shí)物、數(shù)據(jù)以及專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)作為分析模型，分析了該項(xiàng)目存在的理論基礎(chǔ)，也通過(guò)具體的事例驗(yàn)證了該項(xiàng)目在PCB領(lǐng)域內(nèi)存在的必要性。該研究對(duì)于PCB以及更廣泛的制造業(yè)來(lái)說(shuō)都有參考價(jià)值，能夠在追溯及產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管上提供切實(shí)的幫助。

【關(guān)鍵詞】印制電路板;智能工廠;制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng);工業(yè)4.0

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.016? ? ? ? 中圖分類號(hào)：F273.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）09-0086-06

引用格式：王琳，李軍祥. 智能工廠項(xiàng)目在PCB行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用探討[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（9）： 86-91.

Discussion on the Application of Smart Factory Project in PCB Fields

WANG Lin， LI Junxiang

[Abstract]?Based on the current widespread use of the smartphones， smartphone manufacturers raise higher requirements on the traceability and product quality of the substrates produced by the upstream printed circuit board （PCB） suppliers. Through investigating the management application of the smart factory project developed by O company in the PCB field， it is expected to further promote the project. This paper analyzes a large amount of entities， data and statistical data in the professional field， and shows the theoretical basis of the research project and the necessity of the project in the PCB field based on concrete examples. The research gives a reference for PCB and the wider manufacturing industry， and provides practical help in product quality supervision and traceability.

[Key words]PCB; smart factory; MES; traceability; statistical Analysis; I4.0

1? ?引言

智能手機(jī)已經(jīng)是人們生活中必不可少的工具，并且在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)是無(wú)法替代的。2014年7月發(fā)布的《第34次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，早在2014年6月，我國(guó)手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模就已達(dá)5.27億，網(wǎng)民中使用手機(jī)上網(wǎng)的人群占比高達(dá)83.4%，手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模首次超越了傳統(tǒng)PC網(wǎng)民規(guī)模。而2018年1月發(fā)布的《第41次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，截至2017年12月，我國(guó)手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)7.53億，網(wǎng)民中使用手機(jī)上網(wǎng)人群的占比由2016年的95.1%提升至97.5%。所以，隨著智能手機(jī)的普及并且伴隨著其功能越來(lái)越強(qiáng)大，各大智能手機(jī)制造商對(duì)手機(jī)的主板要求提出了更高的要求，主板面積越來(lái)越小，集成度越來(lái)越高，主板上線路越來(lái)越密集，主板層次越來(lái)越多。作為手機(jī)主板的直接制造者，PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）板廠同樣面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1]。

舉例來(lái)說(shuō)，隨著5G時(shí)代的即將到來(lái)，智能手機(jī)和其基站將同步推進(jìn)，智能手機(jī)也將逐步開(kāi)始按照5G射頻架構(gòu)設(shè)計(jì)，這其中最為關(guān)鍵的就是5G天線。以LCP（液晶聚合物材料）為代表的5G天線成為了各大智能手機(jī)搶奪5G市場(chǎng)的重要利器。天線的設(shè)計(jì)重要趨勢(shì)是集成天線的射頻前端電路在更小更精密的電路板上，并且這種電路板要求低能耗、高度靈敏性以及密閉性，這些特性都要被要求在小小的PCB電路板上實(shí)現(xiàn)出來(lái)。所以為了應(yīng)對(duì)手機(jī)商這些上游客戶對(duì)電路板的品質(zhì)要求，并且還要保證可以對(duì)投放到市場(chǎng)的電路板實(shí)現(xiàn)可追溯性，這就要求了PCB板廠需對(duì)生產(chǎn)出來(lái)的每一塊PCB板子進(jìn)行標(biāo)號(hào)，錄入信息，方便以后應(yīng)對(duì)手機(jī)廠商的跟蹤查詢以及廠內(nèi)良率的統(tǒng)計(jì)分析。這對(duì)于PCB行業(yè)傳統(tǒng)流程來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)甚至是革命性變化，PCB行業(yè)需要花費(fèi)大量的人力物力來(lái)統(tǒng)計(jì)，并且甚至要更改現(xiàn)有的生產(chǎn)制程，才能滿足上游客戶的這些要求，故PCB產(chǎn)業(yè)是一個(gè)高度定制化、分散與充滿競(jìng)爭(zhēng)的行業(yè)。

縱觀PCB產(chǎn)業(yè)發(fā)展史，過(guò)去的十年是其快速發(fā)展時(shí)期。近年來(lái)，隨著人工成本的增加以及環(huán)保法令的加強(qiáng)，PCB產(chǎn)業(yè)整體呈現(xiàn)出來(lái)低增長(zhǎng)、低利潤(rùn)、低發(fā)展的趨勢(shì)。如果還要投入新的成本去滿足可追溯性需求，勢(shì)必引發(fā)新一輪的洗牌。

作為全球PCB行業(yè)設(shè)備供應(yīng)商的O公司，著力開(kāi)發(fā)了適應(yīng)PCB新需求的智能工廠項(xiàng)目，可以有效地降低客戶的成本，滿足上游客戶的要求。本文通過(guò)對(duì)智能工廠項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的解讀及分析來(lái)展現(xiàn)智能工廠項(xiàng)目廣泛的應(yīng)用前景。

2? ?傳統(tǒng)PCB生產(chǎn)現(xiàn)狀

PCB即印制電路板，又叫印刷電路板或線路印刷板，我們簡(jiǎn)稱印制板。其基本理念是在特殊的基材上，用導(dǎo)電的材料根據(jù)預(yù)先由CAD或者其他軟件制成的電子線路、及印制元件或者兩者結(jié)合的導(dǎo)電圖形，通過(guò)特殊工藝加工后制作完成印制電路，最終的成品板稱之為印制電路板。從現(xiàn)實(shí)中看，幾乎每種電子設(shè)備，比如小到電話手表、小型計(jì)算器，大到大型計(jì)算機(jī)、高端的通信電子設(shè)備或者基站，只要需要用到集成電路等電子元器件，并且為了它們之間可以實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)，就都必須使用印制電路板[2]。在目前的高度集成狀態(tài)下，為了最大化地節(jié)約成本，PCB板廠會(huì)盡可能將板子的最小單元（Unit）密集排布，Unit為最小單位，然后若干單元組成一條數(shù)組（Array），若干數(shù)組組成一個(gè)完整的嵌板（Panel），如圖1所示。按照目前智能手機(jī)廠家的要求，要對(duì)每一個(gè)單元的信息進(jìn)行編號(hào)登記，要做到可追溯、可分析。

按照目前的通行辦法，大多數(shù)PCB板廠使用人工手動(dòng)畫(huà)記號(hào)的方式對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行前期查看，以一種效率十分低下的方式進(jìn)行處理，如圖2和圖3所示：

PCB板子是多層壓合在一起的，少則2層，多則甚至可達(dá)20層，首先處理的是在內(nèi)層標(biāo)記好后跟次外層一起壓合在一起，因此還需要對(duì)次外層的單元進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)要將內(nèi)層已經(jīng)標(biāo)記過(guò)的不良單元通過(guò)激光鐳射或者其他方法讓其顯露出來(lái)，然后依次繼續(xù)壓合其他層別，并使用同樣的方法進(jìn)行處理，直到外層壓合結(jié)束，最終的結(jié)果如圖4所示。通過(guò)打報(bào)廢設(shè)備將不良單元剔除掉，但其中的風(fēng)險(xiǎn)在于，如果在人工標(biāo)識(shí)出現(xiàn)了紕漏，導(dǎo)致內(nèi)層標(biāo)的錯(cuò)誤，或者層別序號(hào)弄混亂，最終致使不該被剔除的單元被誤剔除，而品質(zhì)異常需要被追溯的單元反而被保留，那么最終流入到消費(fèi)者手中的產(chǎn)品將為不良品，并且PCB流程工序復(fù)雜，相應(yīng)的人工成本也高居不下，如表1所示。所以對(duì)于這種耗費(fèi)人力的工作，迫切需要一種科學(xué)并且簡(jiǎn)捷的方式進(jìn)行替代。

3? ?O公司智能工廠項(xiàng)目簡(jiǎn)介

O公司作為全球知名PCB設(shè)備供應(yīng)商，PCB制造相關(guān)核心流程中都要使用O公司的設(shè)備，所以借助于這個(gè)先天優(yōu)勢(shì)，在詳細(xì)分析并整合PCB生產(chǎn)制造流程數(shù)據(jù)后，提出了以MES（Manufacturing Execution System，制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)）為基礎(chǔ)的“智能工廠”項(xiàng)目概念。

理想中的智能PCB制造企業(yè)的框架如圖5所示，以管理信息化、生產(chǎn)調(diào)度智能化、產(chǎn)線自動(dòng)化、物流無(wú)人化為主要目的搭建智能化生產(chǎn)平臺(tái)。其中基于PCB制造的管理信息化是將生產(chǎn)ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃）系統(tǒng)中的庫(kù)存、采購(gòu)、品質(zhì)以及生產(chǎn)計(jì)劃等相關(guān)信息提前與智能工廠項(xiàng)目數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)接。生產(chǎn)調(diào)度智能化以可視化排程系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)排程，遇到突發(fā)急單或緊急加件時(shí)，可以通過(guò)可視化排程系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?yōu)化關(guān)鍵路徑，以物料最小庫(kù)存為基底保證隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度。產(chǎn)線自動(dòng)化是以全自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備并輔助智能機(jī)器人，通過(guò)集成式智能產(chǎn)線單元發(fā)送指令，在工單管制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。物流無(wú)人化以AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人）將相關(guān)物料、半成品及成品按照產(chǎn)線信息化平臺(tái)發(fā)送的指令自動(dòng)送達(dá)到各個(gè)工位，減少人工干預(yù)。

基于圖5的PCB智能工廠架構(gòu)，要能同時(shí)整合四大功能化模塊，這就是O公司提出的智能工廠項(xiàng)目所要實(shí)現(xiàn)的功能，如圖6所示。基于MES為核心的智能工廠項(xiàng)目將上游ERP系統(tǒng)及下游設(shè)備層結(jié)合在一起，其本身提供物流調(diào)度、設(shè)備排程、工業(yè)文件管理等相關(guān)影響PCB制造生產(chǎn)的核心數(shù)據(jù)，扮演著生產(chǎn)大腦的作用，實(shí)時(shí)發(fā)布相關(guān)指令到各制程環(huán)節(jié)，完成智能化生產(chǎn)及調(diào)度。

智能工廠項(xiàng)目在PCB各制程中，通過(guò)導(dǎo)入二維碼，將所有PCB單元在各制程中通過(guò)唯一的二維碼進(jìn)行串聯(lián)。在ODS（Operational Data Store，操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)整合，實(shí)現(xiàn)單元信息的唯一性、可追溯性和可識(shí)別性[4]。該構(gòu)架是：首先，需要架構(gòu)二維碼生成設(shè)備;其次，需要架構(gòu)相應(yīng)的軟件支持二維碼的讀取及記錄;再次，需要架構(gòu)后端AOI（Auto Optical Inspector，自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）檢修的二維碼整合功能;最后，架構(gòu)完整數(shù)據(jù)流ODS供后端報(bào)廢追蹤。整體的智能工廠項(xiàng)目流程如圖7所示。

4? ?智能工廠項(xiàng)目追溯優(yōu)勢(shì)

智能工廠項(xiàng)目在PCB板廠中可以大量地節(jié)約人工成本，并且追溯準(zhǔn)確率非常高，最大化地避免了人工干預(yù)的影響，并可為管理層提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，為流程改善提供精確的數(shù)據(jù)模型。

在成本支出方面，通過(guò)核算比較，PCB線路制程可以放棄目前的人工統(tǒng)計(jì)方式。基于一般PCB板廠的制程配置中，每個(gè)制程每個(gè)班次可以節(jié)約至少2個(gè)人力。

在統(tǒng)計(jì)精確率方面，由于是使用二維碼標(biāo)記信息，保證了每塊板子及每個(gè)單元都有可依據(jù)的信息，這些信息里面詳細(xì)涵蓋了具體的料號(hào)、層別、批號(hào)、序號(hào)、缺陷數(shù)量、缺陷坐標(biāo)及缺陷類型。在ODS系統(tǒng)內(nèi)會(huì)形成詳盡的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容，可以為后續(xù)報(bào)廢及不良統(tǒng)計(jì)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考。

在管理層的輔助工具方面，作為PCB板廠的管理層，除了關(guān)心上游客戶即智能手機(jī)廠商對(duì)板子的可追溯性要求外，更關(guān)心的是生產(chǎn)出來(lái)的板子良率問(wèn)題及如何改善。智能工廠項(xiàng)目可以通過(guò)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐及模型為管理層提供改善方向。

5? ?智能工廠項(xiàng)目具體應(yīng)用

總體來(lái)說(shuō)，目前PCB制造業(yè)大概的生產(chǎn)流程為接單、開(kāi)料、生產(chǎn)（多流程）、倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸、成品追溯等。導(dǎo)入智能工廠項(xiàng)目后，可以在這些相關(guān)方面有著突出的應(yīng)用并可以收到良好的效果。

（1）文檔管理：當(dāng)PCB工廠接到訂單后，就要對(duì)產(chǎn)品的相關(guān)工藝文件進(jìn)行管理，智能工廠項(xiàng)目提供了工藝文件PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）端口，如圖8所示。PDM將PCB生產(chǎn)流程中的CAM（Computee Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造）圖檔、文字處理、周期等相關(guān)文檔建立系統(tǒng)檔案，并且授予不同權(quán)限的人員進(jìn)行靈活編組，不同制程的人員只能查閱對(duì)應(yīng)權(quán)限的文檔，替代過(guò)往大部分靠紙質(zhì)工單記錄的模式，大大降低了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，提高了工作效率，也使得工作流程規(guī)范化。

（2）物料管理：訂單接到后，就要開(kāi)始著手準(zhǔn)備相關(guān)物料。生產(chǎn)計(jì)劃由智能生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)排定，倉(cāng)庫(kù)管理人員只需通過(guò)顯示終端了解到各個(gè)制程車間的生產(chǎn)總需求、累計(jì)要發(fā)料的數(shù)量，并及時(shí)根據(jù)生產(chǎn)時(shí)間的多少來(lái)預(yù)測(cè)下一次應(yīng)發(fā)料的數(shù)量和時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)讓倉(cāng)庫(kù)主動(dòng)備料、準(zhǔn)時(shí)送料的目的。同時(shí)也為了方便全程將所投遞的物料的批次進(jìn)行追溯，倉(cāng)管人員在初次備料時(shí)，需要根據(jù)工單需求數(shù)量，自動(dòng)匹配庫(kù)存的批次，盡可能地減少相同工單混批。在備料時(shí)，倉(cāng)管人員再手持條碼槍，掃描材料條碼（物料+批號(hào)）生成生產(chǎn)發(fā)料單（帶條碼，方便后工序掃描錄入），然后與物料一同送到開(kāi)料車間。當(dāng)這些信息都錄入智能生產(chǎn)系統(tǒng)后，智能生產(chǎn)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)送指令給待命的AGV，AGV會(huì)按照指定路線去倉(cāng)庫(kù)去料，并運(yùn)送至各個(gè)指定的工位。全程減少了人工搬運(yùn)料件而帶來(lái)的物料損失或者物料放置混亂問(wèn)題，如圖9所示。

（3）生產(chǎn)過(guò)程中的智能監(jiān)控：當(dāng)物料整理完畢，開(kāi)始正式投入生產(chǎn)后，所有各個(gè)制程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以通過(guò)智能工廠項(xiàng)目提供的監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)體現(xiàn)出來(lái)，如圖10所示的中央運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。

對(duì)于一些關(guān)鍵制程來(lái)說(shuō)，比如PCB工藝中的LDI（Laser Direct Imaging，激光直接成像技術(shù)）曝光流程及AOI檢測(cè)流程等，制造部門管理層更加需要這些核心數(shù)據(jù)單獨(dú)展示出來(lái)或者將數(shù)據(jù)以報(bào)告的形式投遞出來(lái)供工藝部門參考分析。這樣，智能工廠項(xiàng)目所獨(dú)有的Dash Board（面板顯示）功能也會(huì)很輕松實(shí)現(xiàn)這個(gè)需求，如圖11所示。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)終端，這兩個(gè)獨(dú)立的界面可以單獨(dú)顯示在管理層的個(gè)人辦公電腦上，當(dāng)管理者需要了解到實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，可以很輕松地點(diǎn)擊瀏覽按鈕進(jìn)行查閱，如果管理者當(dāng)天沒(méi)有時(shí)間查看，智能終端也可以將這些數(shù)據(jù)以PDF或者管理者需要的文件格式，經(jīng)郵箱系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送至指定的郵箱地址中，管理者也可以通過(guò)查閱郵件的方式查閱相關(guān)內(nèi)容并做出新的安排。

（4）成品追溯：對(duì)于PCB行業(yè)來(lái)說(shuō)，成品追溯算是一個(gè)全新的概念，也是近年來(lái)PCB上游客戶對(duì)其提出的新的要求。正如前文所說(shuō)，目前的現(xiàn)狀是基于人工制作標(biāo)記，但這樣的靠人工干預(yù)會(huì)產(chǎn)生很大誤操作風(fēng)險(xiǎn)。智能工廠項(xiàng)目在關(guān)鍵的AOI及VRS（Vivo signal-Retrieval System）制程上通過(guò)二維碼的標(biāo)識(shí)來(lái)進(jìn)行追溯定義AOI處理及VRS處理。相比較圖2的人工干預(yù)，這兩種流程完全采用了自動(dòng)識(shí)別二維碼。AOI又分為單機(jī)檢驗(yàn)及連線檢驗(yàn)兩種模式。單機(jī)檢驗(yàn)需要人工在第一張板子上首先定義二維碼的位置，通過(guò)輸入指令來(lái)控制AOI對(duì)二維碼進(jìn)行識(shí)別，并且檢測(cè)完成后，需要手動(dòng)進(jìn)行翻面。不過(guò)，相對(duì)應(yīng)地，無(wú)需針對(duì)背面進(jìn)行再次讀碼的動(dòng)作。如果是連線AOI檢測(cè)一卷板子，需要使用整合式二維碼讀碼器，整卷翻面后需要再讀一遍二維碼，同樣的處理方式也要應(yīng)用在VRS檢測(cè)上。通過(guò)讀寫(xiě)二維碼的方式，將每片板子的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳到專用的ODS服務(wù)器上。以大數(shù)據(jù)處理方式，整合數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)改善優(yōu)化算法，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)算每片板子的單元信息，如是否有缺陷、缺陷坐標(biāo)、所在層別、所屬批號(hào)、是由哪個(gè)操作員進(jìn)行處理等相關(guān)追溯性信息。同樣，這些相關(guān)信息也可以通過(guò)智能終端系統(tǒng)上傳到管理者的辦公電腦上，供決策層分析并針對(duì)異常進(jìn)行相應(yīng)的處理。

5? ?結(jié)論

智能工廠不僅僅是一套系統(tǒng)，它的核心是為了制造業(yè)將來(lái)適應(yīng)新的生產(chǎn)模式而提前做好的基礎(chǔ)準(zhǔn)備。智能工廠項(xiàng)目在未來(lái)PCB領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，作為與工業(yè)4.0及中國(guó)制造2025遙相呼應(yīng)的產(chǎn)品[5]，引進(jìn)智能工廠項(xiàng)目可以從管理、成本、應(yīng)用、分析等多方面為PCB制造企業(yè)提供完善的一站式分析及追溯幫助，可以有效降低生產(chǎn)成本及提供完善分析報(bào)告，為PCB制造業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供動(dòng)力及保證。通過(guò)PCB產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步延伸至其他相關(guān)制造業(yè)領(lǐng)域，為在制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)推廣高端智能生產(chǎn)提供了可以借鑒的模式。

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