PCBA閉環(huán)控制式MES建設(shè)方案

張偉 王威 王羚薇

（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 吉林省長春市 130033）

印制電路板裝配(PCB，printed circuit board assemble)企業(yè)越來越多面對的是短周期、低成本、高要求的市場需求。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(jìn)的生產(chǎn)模式，快速響應(yīng)客戶訂單需求。為此，一方面需要通過增加制造過程的可視化、柔性化，降低產(chǎn)品的廢品率;另一方面要保證優(yōu)化預(yù)測和計劃調(diào)度，減少生產(chǎn)的待機(jī)時間。只有通過確保生產(chǎn)設(shè)備高效利用和信息快速反饋才能最大化地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高效。

目前，許多企業(yè)通過采用企業(yè)級管理信息系統(tǒng)（ERP）使生產(chǎn)管理水平和市場競爭力有所提高。但通常只能處理歷史或預(yù)測數(shù)據(jù)，不能及時、準(zhǔn)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)。導(dǎo)致企業(yè)資源計劃層缺乏有效的設(shè)備實(shí)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，企業(yè)迫切需要一個集成的、實(shí)時的IT系統(tǒng)來協(xié)調(diào)和控制生產(chǎn)。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES，manufacturing execution system)正是滿足這種需求的生產(chǎn)信息系統(tǒng)。

1 PCBA行業(yè)的信息化現(xiàn)狀及問題

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(shí)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(jìn)行自動回控調(diào)整。事實(shí)上，PCBA中的SMT生產(chǎn)線是典型的數(shù)字化生產(chǎn)線，由一個個獨(dú)立的、先進(jìn)的數(shù)字化加工單元組成，然而，由于設(shè)備廠商數(shù)據(jù)接口和格式各不相同，相互之間的信息傳遞僅僅是停留在前后工序設(shè)備的上料、下料通知等表層交互，與上層管理系統(tǒng)缺乏信息的集成與統(tǒng)一，設(shè)備信息不能集中共享。這種信息不統(tǒng)一、存儲分散無序的狀況使得數(shù)據(jù)分析與利用更為困難。若通過人工查看顯示屏或磁盤備份的方式完成，則會大大增加工作量、降低工作效率，準(zhǔn)確性也無法得到保障。

2 面向PCB裝配的閉環(huán)制造執(zhí)行系統(tǒng)（C-MES）功能架構(gòu)

在PCBA企業(yè)中構(gòu)建MES系統(tǒng)的主要目標(biāo)是通過關(guān)注生產(chǎn)條件變化，利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)組織的快速響應(yīng)。相對于ERP系統(tǒng)MES能夠提供一種額外實(shí)時與詳細(xì)的控制。MES和ERP系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示。當(dāng)客戶下訂單后，由ERP系統(tǒng)生成主生產(chǎn)計劃并傳遞產(chǎn)品細(xì)節(jié)，如產(chǎn)品類型、加工數(shù)量和交貨期限給MES系統(tǒng)。MES通過調(diào)度來有效地管理資源和控制生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)作。并將信息傳給ERP，由ERP更新信息。也就是說MES是控制層和ERP之間的重要鏈條，是通過協(xié)同各種活動來實(shí)現(xiàn)訂單的快速執(zhí)行。

3 面向PCBA的C-MES實(shí)施

3.1 實(shí)施拓?fù)鋱D建立

圖1：MES系統(tǒng)功能模塊示意圖

圖2：SMT段實(shí)施拓?fù)鋱D

圖3：組裝段實(shí)施拓?fù)鋱D

圖2給出了SMT段的拓?fù)鋱D。首先是物料的收檢和分包，由智能掃碼系統(tǒng)對物料進(jìn)行識別和處理，然后是SMT產(chǎn)線管理，包括輔料管理、物料用量檢測、上料檢驗(yàn)，包裝/預(yù)警/設(shè)備管理以及質(zhì)量和SPC分析等，最后是成品庫房的出入庫管理。

圖3給出了組裝段的實(shí)施拓?fù)鋱D。系統(tǒng)留有現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集/測試設(shè)備接口，值得注意的是該階段的操作過程中數(shù)據(jù)的收集和測試需要人工參與完成的環(huán)節(jié)較多。而數(shù)據(jù)獲得后的處理分析與統(tǒng)計則仍由系統(tǒng)智能完成。

3.2 實(shí)施步驟

閉環(huán)制造執(zhí)行管理系統(tǒng)C-MES的實(shí)施步驟包括：接口管理、工單計劃管理、倉庫管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理和監(jiān)控管理，各部分功能獨(dú)立又互有關(guān)聯(lián)，順序執(zhí)行。

3.2.1 接口管理

MES與ERP的數(shù)據(jù)對接方式如圖4所示。

圖4：MES與ERP的數(shù)據(jù)對接框圖

3.2.2 工單計劃管理

工單計劃管理包括計劃排產(chǎn)、生產(chǎn)任務(wù)查詢、達(dá)成率狀況查詢、齊套率報告、工單延期報告等內(nèi)容。工單狀態(tài)包括以下內(nèi)容：

（1）下發(fā)：工單導(dǎo)入并選定生產(chǎn)流程后，將工單進(jìn)行下發(fā)。這是生產(chǎn)線針對該工單的數(shù)據(jù)采集才可進(jìn)行。

（2）生產(chǎn)中：在系統(tǒng)中該工單有一筆數(shù)據(jù)采集成功后，工單狀態(tài)將自動變?yōu)椤吧a(chǎn)中”。

（3）取消下發(fā)：對“下發(fā)”狀態(tài)工單進(jìn)行回退，選擇新的生產(chǎn)工藝或退回到初始化狀態(tài)。

（4）暫停：對生產(chǎn)中的工單進(jìn)行暫停，生產(chǎn)線停止數(shù)據(jù)采集。當(dāng)實(shí)際業(yè)務(wù)發(fā)生變化導(dǎo)致生產(chǎn)停滯時，用戶可以采取該方式控制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，防止錯誤信息進(jìn)入系統(tǒng)。

（5）取消暫停：對暫停狀態(tài)的工單進(jìn)行取消暫停，工單狀態(tài)轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)中。如果在暫停時，產(chǎn)品工序BOM發(fā)生了變更，取消暫停操作后，新的產(chǎn)品工序BOM將對該工單生效。

（6）完工：當(dāng)已經(jīng)投入到某工單的產(chǎn)品數(shù)量=已完工數(shù)量+報廢數(shù)量時，可以進(jìn)行關(guān)單的處理，工單完工表示該工單的生產(chǎn)任務(wù)已經(jīng)完成，該過程是不可逆的。

工單計劃管理流程如圖5所示。

圖5：工單計劃管理流程圖

3.2.3 倉庫管理

倉儲管理系統(tǒng)是制造執(zhí)行系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過物料系統(tǒng)接口獲取料號信息。根據(jù)來料單據(jù)進(jìn)行來料檢驗(yàn)。根據(jù)來料單打印唯一碼條碼。唯一碼條碼信息可由廠家統(tǒng)一打印或由工廠內(nèi)部自定義打?。ㄎㄒ淮a包含料號、數(shù)量、日期、批次、廠商信息等）。二維碼系統(tǒng)及編碼信息示例如6所示。

圖6：二維碼系統(tǒng)及編碼信息示例

物料的出入庫業(yè)務(wù)流程如圖7所示。

圖7：物料出入庫管理流程

3.2.4 生產(chǎn)管理

生產(chǎn)管理的內(nèi)容較多，包括工廠建模、SMT防錯件、數(shù)據(jù)收集、輔材管理、包裝管理、成品出入庫管理、維修及返工作業(yè)、產(chǎn)品追溯、客訴管理、E-SOP管理、權(quán)限管理、績效管理等。其中，SMT防錯件、數(shù)據(jù)收集、物料管理是核心內(nèi)容。

SMT防錯件：通過導(dǎo)入防錯件系統(tǒng)，可以有效的杜絕接料換料造成的錯料問題，同時后續(xù)再也不用記錄換料記錄表，能節(jié)省操作員工的作業(yè)時間，提高生產(chǎn)效率。首先，開啟機(jī)臺自動讀取條碼功能，機(jī)臺底層通訊，實(shí)現(xiàn)無縫對接。實(shí)時抓取機(jī)臺生產(chǎn)效率及控制機(jī)臺停線功能。（需要購買上位機(jī)通訊接口）通過移動智能小車連接方式，實(shí)現(xiàn)快速備料、續(xù)料。唯一料盤作業(yè)模式。防止錯位和錯件生產(chǎn)，自動記錄員工備料、對料、續(xù)料、卸料、異常操作信息。自動完成扣料追溯以及物料預(yù)警。

圖8：C-MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

數(shù)據(jù)收集：設(shè)備數(shù)據(jù)采集模式包括設(shè)備開放接口方式、機(jī)臺文件轉(zhuǎn)檔方式、機(jī)臺數(shù)據(jù)庫方式和RJ45連線方式。采集內(nèi)容包括設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備測試結(jié)果、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等。通過以上資料收集實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)訊息、設(shè)備狀況、安燈自動報警、OEE分析等相關(guān)功能。測試數(shù)據(jù)可以從設(shè)備中自動采集，支持有網(wǎng)線接口，串口的設(shè)備（需要客戶提供設(shè)備接口文件），支持人工手動輸入。C-MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖8所示。

物料管理：C-MES系統(tǒng)通過對物料，特別是特殊物料的管控來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。SMT生產(chǎn)特殊物料一般包括錫膏/紅膠、PCB裸板、濕敏/靜電敏感元器件以及鋼網(wǎng)、刮刀和喂料器等。SMT特殊物料類型及管理如圖9所示。

3.2.5 質(zhì)量管理

質(zhì)量檢驗(yàn)涵蓋來料、過程、首件和終檢所有環(huán)節(jié)，包括檢驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)定、檢驗(yàn)計劃設(shè)定、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定等功能。質(zhì)量檢驗(yàn)流程如圖10所示。

3.2.5 質(zhì)量管理

設(shè)備管理提供設(shè)備檔案、設(shè)備保養(yǎng)計劃、設(shè)備點(diǎn)檢、設(shè)備維修、備品備件等管理。形成設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫，便于對設(shè)備過程的追蹤和查看，最終形成設(shè)備狀態(tài)維護(hù)的功能和設(shè)備統(tǒng)計報表的相關(guān)查詢。部分模塊如圖11、圖12所示。

圖9：C-MES系統(tǒng)SMT特殊物料管控

圖10：C-MES系統(tǒng)質(zhì)量檢驗(yàn)流程

圖11：設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)模塊

圖12：設(shè)備監(jiān)控模塊

4 結(jié)束語

MES系統(tǒng)的實(shí)施可以有效的提高PCB裝配企業(yè)的管理效率，特別是在倉儲方面可實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商及物料關(guān)鍵信息追蹤，通過電子貨架或智能料倉的導(dǎo)入，降本增效，實(shí)現(xiàn)智能化管理；同時可以真正實(shí)現(xiàn)全過程的質(zhì)量追溯，這在軍方航天等高可靠應(yīng)用場合尤為關(guān)鍵，同時，通過各種智能防錯手段保證產(chǎn)品的質(zhì)量和高效生產(chǎn)，此外系統(tǒng)還可根據(jù)分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)對團(tuán)隊人員的績效管理提供依據(jù)，是PCB裝配企業(yè)發(fā)展的趨勢。