基于动态质量控制的MES系统在PCB板组装行业的应用

    随着电子技术的快速发展和电子产品生命周期的不断变短，给PCB板组装制造商提出了越来越高的要求，同时，全球化的市场竞争使企业面临的国际压力越来越大。现代PCB板组装制造企业要想在瞬息万变的市场竞争中站稳脚跟，得以生存发展，必须采用先进的生产模式，快速响应客户订单需求，并提供优质低价的产品。系统集成和信息集成（CIMS）是当前提高企业管理效率的重要技术。许多企业通过不断改善贴装生产线自动化程度和导入先进的企业级管理信息系统（如MRPⅡ、ERP等），使本企业的生产管理水平和市场竞争力有了一定的提高。但一般MRPⅡ/ERP仅管理企业级资源计划，它通常只能处理历史或预测数据，不能及时、准确地反映当前生产现场的设备状态和生产数据。同时，现场生产设备控制系统也不能将实时生产数据传递到上层资源管理系统。导致企业资源计划层缺乏有效的设备实时信息支持，控制环节不能得到有效优化的调度与协调。因此如何将先进的生产线控制系统和企业级的生产管理信息系统有效地结合起来，在两者之间搭建桥梁，提供信息沟通是企业信息化建设迫切解决的问题。制造执行系统（MES）恰好解决这一难题。制造执行系统是位于上层的计划管理系统与底层的生产过程控制系统之间的面向车间层的管理信息系统。它通过采集现场实时数据，实现从订单下达到产品完成的整个生产过程的优化管理。PCB板组装行业是一个典型的流程制造业，且设备自动化程度高。为了充分挖掘先进设备的生产潜力，优化生产行为，全面提高企业信息化管理水平，MES的建设与应用尤为重要。本文正是基于这一思想，以生产过程动态质量控制为目标，根据PCB板组装企业的信息化现状及特点，提出了面向PCB板组装企业MES的构建和应用。

1、PCB板组装行业的信息化现状及问题

    现代PCB板组装企业的生产制造部门大量使用丝印机、贴片机、回流沪等自动化设备，基本都采用工控机进行控制。由于设备厂商数据接口和格式各不相同，设备信息不能集中共享，形成了很多“信息孤岛”，无法实现统一数据分析及处理。虽然大多数设备都具备采集生产过程参数的能力，但设备之间没有网络连接，采集参数只能通过人工查看显示屏或磁盘备份的方式完成，不能够及时反应整个生产线的作业状况，实时性差。同时人工采集增加工作量、降低工作效率，准确性也无法得到保障。
    PCB板组装行业特性决定了如果某一环节出现问题，将造成整批在制品的报废。因此需要实时、灵敏地监控关键生产参数并定位出错位置，给予正确的报警提示信息。同时，对部分重要参数进行自动回控调整。
    企业不再满足于最为简单、直接的看板信息，需要根据实时生产数据，对生产行为进行动态监控。在此基础上，辅以质量过程控制方法论手段，进行科学、系统的质量过程分析，以支持现场生产过程的判断和及时处理，提高生产质量。
    企业计划层和现场设备控制（DCS）之间存在断层，无法实现完整的自动/半自动闭环业务流程。作为PCB板组装行业小批量多样化，定单变动频繁的特性，生产计划和定单需求不能及时下达到现场作业，车间不能及时根据实际情况对生产计划进行调整，降低了工作效率，影响交付时间。而交货期是否稳定是客户采购时的重要考察因素。
    另外，车间现场生产过程中存在大量重复操作且易出错的环节。例如：如何对现场大量贴片机料架使用状态进行有效管理，如何保证上料位置的正确性，如何核实下达工单与生产BOM之间是否正确对应等等。
    上述问题是密切关联和互相影响的，其综合后果严重制约了企业的发展。在日益激烈的市场竞争环境下，行之有效的解决方案将对PCB行业具有重要意义，并可获取巨大的直接经济效益。

2、实现目标及技术路线

    面向PCB板组装行业MES的主要建设目标如下。
    1）构建基于统一基础数据、统一系统框架的MES指挥调度平台。提供可柔性组合定制的用户界面、业务模块和二次开发接口。
    2）研究开发面向精益生产管理模式要求的，以生产过程动态质量控制为目标的MES系统。通过建立SMT流水线生产过程的管理控制模型，实现关键工序与设备的生产和质量数据的实时采集、监控与调度，实现从产品生产任务分派、设备管理及现场动态调度的集成信息化管理。
    3）提供动态质量分析手段，实时质量问题报警，促进管理水平提高，使质量管理模式由手工检验逐步过渡到自动处理、实时控制的方式。建立质量知识库，促进质量标准的优化。通过采集、分析、处理、积累的循环过程，实现质量的持续改善。
    4）完成与企业已有信息化系统的集成。
    根据PCB板组装行业特征，本方案功能模块划分主要包括数据采集、监控及报警、动态质量过程控制、工序计划调度、设备管理、辅助生产现场管理等。各模块业务关系如图1所示。

图1 MES模块业务关系图

    2.1 数据采集、监控及报替

    2.1.1 主要内容
    SMT生产线上的自动化设备组建成工业网络并与内部办公局域网连接起来，在生产线自动化设备的控制电脑上安装软、硬件通信模块，自动采集实时生产数据，通过网络传递到数据处理中心。并将数据处理中心的共享信息通过网络传递到监控终端上。
    2.1.2 数据采集子系统
    “数据采集子系统”用于从SMT车间现场自动化设备中采集实时生产信息，并传输到监控终端分解成用户所需要的界面形式显示。同时，根据用户需求，对采集数据进行存储、输出等二次处理。按照报警条件输出报警信息。
    “数据采集子系统”中考虑与SMT车间其它DCS控制系统的集成。目前大多数先进设备均提供OPC/DDE接口，因此，在数据采集系统中，还应具备与OPC/DDE服务的接口程序，提供全面的读写交互，方便从控制系统获取即时的生产和质量信息。
    2.1.3 动态质量过程控制
    由于采集数据量很大，需要高效、快速的分析手段自动导入现场数据，实时进行质量分析、掌控当前生产状态。而动态质量过程控制模块（Statistical Processcontrol）正是利用统计学原理，对质量检测数据进行收集和分析，有效控制企业生产过程、不断改进品质、降低不良品率、提升企业的效益和竞争力。
    SPC提供的质量分析内容包括：变化分析、稳定性分析、有效能力分析、变异因素分析、过程相关性分析。与之对应，本方案提供计数型和计量型共13种统计图表：X-MR图、X-R图、X-S图、P图、NP图、U图、C图、运行图、直方图、缺陷排列图、原因排列图、散点图，根据PCB板组装行业特征，提供DPMO（百万分之缺陷数）控制图分析。
    2.1.4 工序计划调度
    在现场采集数据支持下对车间生产计划进行详细调度和实时调整。ERP作为企业的中高层计划与决策计划系统，制定车间的主生产计划，精确到日生产计划。MES以JIT（Just In Time）作为基层的计划执行与控制系统的核心，将日生产计划细化。从ERP中读取主生产计划信息，根据订单类型、生产模式等确定目标函数、约束条件，选择排产算法，建立调度规则，生成详细的生产计划，并下达到执行层组织生产。为实现SMT流水线生产调度的实时性，要求调度算法准确性高、计算周期短、计算过程简单。以分钟为单位或新任务的到来(瓶颈环节)确定期望调度周期。可根据企业生产线和其它人为因素等实际情况进行柔性调度，提供人工调整方式，以及紧急情况下的调度方案。计划执行完成后，由数据采集子系统向ERP反馈。