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基于动态质量控制的MES系统在PCB板组装行业的应用

时间:2021-06-30 点击次数点击:

摘要:以生产过程动态质量控制为目标,分析PCB板组装行业生产管理和信息化过程存在问题;描述MES的实现内容及技术路线;给出SMT设备联网、数据采集及监控、报警、SPC质量分析、工序作业调度、现场辅助管理的技术和方法。MES 的使用能够加快企业订单反应速度,通过挖掘先进设备的生产潜力, 优化生产行为,全面提高企业的信息化管理水平。

关键词:印刷电路板;表面贴装技术;制造执行系统;数据采集;统计过程控制

Application of MES Based on the Dynamic Quality Control In the PCB Assembly Field
Zhang,Yi Du,Hou-dong
(Beijing EXTECH Technology Co.,Ltd, Beijing 100084, China)

Abstract:The dynamic quality control in manufacturing process is taken as aim, some problems of the production management and informationization process that exit in the PCB assembly field are analyzed; the realized content and technology scheme is described; some technologies and methods in the SMT equipment network, data collection, monitor and control, alarm, SPC quality analysis, working procedure scheduling, on-spot aided management i are presented. The use of MES can increase reaction speed for the corporation's order, through mining the potential productivity of advanced equipment and optimizing the production process, MES can improve the enterprise’s informationization Management ability generally.

Key words:Printed Circuit Board; Surface Mount Technology; Manufacturing Execuion Systems; Data Collection; Statistical Process Control

  1. 引言

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[1]。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[2]。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、回流炉等自动化设备,基本都采用工控机进行控制。由于设商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。

  1. 实现目标及技术路线

面向PCB板组装行业MES 的主要建设目标是:
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


3.1 数据采集、监控及报警

3.1.1 主要内容
将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。

3.1.2 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。

3.1.3 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 Process Control)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。

3.1.4 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,由数据采集子系统反馈向ERP返馈。

3.1.5 设备管理
设备管理主要负责车间SMT流水线设备信息的管理,它从数据采集系统中获取设备的实时运行信息。通过对这些信息的统计分析,得出设备的利用情况。同时,设备信息可供工序计划调度系统派工时调用。设备管理的各项任务主要由车间设备管理部门和生产部门来实施。主要包括基础信息数据的维护、业务信息数据和状态信息数据的维护。根据功能需求,设备管理模块主要包括以下几部分:设备档案管理、设备变动管理、设备检查管理、设备保养管理、设备维修管理、设备润滑管理、设备运行管理、设备状态统计和分析、设备查询等。

3.1.6 辅助生产现场管理
用于简化车间现场操作,辅助SMT生产车间日常管理功能。包括:
1) 料架管理模块:维护料架基础及使用信息,提高料架的管理效率。方便查询所有料架的在库状态、保养记录、维修记录、报废记录、在线明细等信息。
2) 换料对比模块:对生产线换料进行比对,确认其是否符合当前站位的要求,并记录换料行为,有利于对换料信息的查询。
3) 工单比对模块:通过生产BOM数据文件与工单文件的比对,汇总BOM用料数量,查找差异信息,保证加工的正确性。
4) 贴片机编程验证及优化模块:从CAD系统中提取坐标数据,生成相应的贴片文件,纠正程序问题,优化贴装路径,保证贴装的正确性。
5) ERP接口模块:完成与企业已有ERP系统的通用接口,实现与ERP软件的数据互换与共享,动态查询、显示生产计划信息,并将完工情况及时返馈。

3.2 采集驱动开发
为了优化配置,企业在组建SMT生产线时,设备一般均来自多个厂家。而目前市场上的SMT生产设备种类繁多,不同设备之间、甚至同一设备不同型号,数据接口方式不尽相同。一般数据采集的方法有:采用行业通用协议采集、通过设备自定义通讯协议采集、通过设备控制系统接口采集,另外还可以添加采集板卡方式采集数据。本节以典型SMT生产线为例,对以上几种采集方式进行论述。

3.2.1 丝印机数据采集
丝印是将焊膏(或固化胶)涂布到PCB板上的过程。以DEK全自动丝印机为例(如:DEK265LT、DEK265HORIZON)实现数据采集,采集参数包括:生产机种、生产数、印刷方式、刮印压力、刮印速度、分离速度、循环时间、印刷方向。
本模块通过行业通用协议采集丝印机数据。DEK丝印机通过Machine PC和Machine Controller的连接来实现对设备的控制。Machine PC为工控机,采用intel 奔腾系列CPU,在其上运行相应的控制监视软件。Machine Controller实现具体的设备控制,与Machine PC之间通过Next Move Card来完成通讯。
丝印机的控制系统相对贴片机较为简单,采用主机板控制。DEK丝印机具有符合开放标准GEM/SECS II的主机通信功能。GEM/SECS II协议为半导体设备和材料国际协会(SEMI)起草的一个倡议,其目的是使来自不同供应商的控制系统和设备统一通讯协议。制造设备和主控机之间的通信标准由GEM/ SECSII、SEMI E30、E37 (HSMS) 协议定义[2],具有GEM兼容接口的设备可以方便地集成到企业的CIM策略中。具有GEM/SECS II (TCP/IP)主机通信功能可方便集成整条生产线的丝印资源。
采用SEMI相关协议编写通讯驱动程序,实现采集驱动端与设备之间的数据应答。同时,需要在丝印机主控界面上,打开相应的主机通讯(Host Comm)开关为Enabled状态。值得注意,一般丝印机的GEM通讯板卡不在默认配置,需要单独安装。

3.2.2 贴片机数据采集
贴片是将SMD器件贴装到PCB板上的过程,它是SMT流水线关键工艺。贴片机控制参数复杂,精度要求高,是本方案重点采集设备对象。以松下Panasert(MSF、MV2VB、MSR)、YAMAHA (YV88Ⅱ、YV100Ⅱ)贴片机为例。采集内容包括生产信息、实装信息、吸嘴信息、供料器信息、程序信息。关键参数有生产数、停机时间、工作时间、工作效率、取料数、贴装数、抛料数。按吸嘴、料架、时间段等不同分析条件对吸附率、贴装率过低以及某一机种产量降低进行报警。
1) 通过设备监控软件接口采集
采用DOS操作系统(如YAMAHA YV88Ⅱ、YV100Ⅱ)的贴片设备可通过离线软件和贴片机的COM口通讯,采集驱动直接从离线软件产生的过程文件中获取相应采集数据。
另一种方法为在设备上安装串口通讯程序,在DOS状态下,与采集服务器上的串口程序通讯,将过程数据发送至采集服务器监控、存储。例如:YAMAHA贴片机过程数据为PDT格式的文本文件。整个文件分为三个部分:HEAD前,HEAD和COMP。采集到服务器后便可按格式直接分解。
2) 通过设备自定义通讯协议采集
松下Panasert贴片机是以主机板为核心的控制系统,采用板卡结构。Panasert贴片机采用P8000控制箱,由HMI和MMC控制模块组成。Panasert贴片机提供主机通讯用的25针RS232串口,其本身就是用于制造信息系统的组网(如松下公司的Pamacim,Unicam公司的Unicam等)。
通过松下Host Communication协议,提供设备与主机之间的双向应答通讯、通讯指令包括起止位、长度段、数据段等,采用和校验方式。实现数据通讯需要设置贴片机为Online状态。贴片机一般提供了三种工作状态:Auto、Semi和Manual。只有在Auto状态才能设置Online状态,在其它两种状态下,会自动置回Offline。所以,只能在Auto状态下才能实现实时采集相关数据。但在到Auto状态不能进行Step等调试工作,因此在生产监控过程中用Auto状态,检修维护时则切换到semi或者manual状态。贴片机根据不同机型及用户设置,提供4800~19200bps不等的串口通讯速率[3]。

3.2.3 回流炉数据采集
回流焊工艺是将组件板加温,使焊膏熔化而达到器件与PCB板焊盘之间电气连接。以HELLER 1500W~1809W系列为例进行回流炉数据采集。采集数据包括各区炉温(设置值、实际值)、带速。同时,按时间间隔对炉温变化绘制折线趋势图,对炉温过高报警提示。
本模块通过设备控制系统接口采集数据。HELLER回流炉采用PC机控制。其控制机构包括ENCODER(解码器)、KBLC卡(速度控制卡)、CONTROLLER卡(主控制卡)、MOTOR(电机)等部分。PC和主控制卡通过COM口通讯,采集设备信息,发出控制命令。整个控制路线是闭环控制。
通过分析HELLER回流炉控制系统,其中Heller Comm OLE Control 模块以COM控件方式提供对回流炉的控制及采集功能。在回流炉控制电脑上安装采集应答程序,通过非堵塞SOCK连接与远程采集服务器上的采集驱动应答,传输实时数据。通过多线程方式,一台采集服务器可同时连接多台回流炉进行数据采集。

3 经济指标
根据在国内某企业近两年的现场实施与应用经验表明,实施本项目可以达到以下经济目标:
1)监控生产过程质量,预先完成分析发现和纠正异常因素,可以减少停机时间,提高设备利用率,每年增加加工产能约10% ;
2)监控生产进度,合理安排生产计划,减少机种转换的次数和停线时间,提高产量,每年增加加工产能约10% ;
3)每年降低5%管理费用。项目实施后,每年新增产值15%,节约成本及费用5%,每年共产生经济效益约30%。

4 总结
1)目前MES系统在国内应用还处于探索阶段。真正成熟、通用化的产品以及成功实施案例较少,MES 的实施也非一蹶而蹴。企业在实施MES时,切勿按照MES系统定义求大求全。应根据自身实际情况,进行细致分析和合理规划。对于PCB组装行业,流水线设备自动化程度高。实施MES可以数据采集及监控作为切入点,在此基础上实施现场数据质量分析、工序排产等模块容易见效。

2)MES系统是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁,在整个企业信息集成系统中承上启下作用。脱离MES的ERP系统将无法快速根据市场需求组织生产。因此,MES系统应处理好与上层ERP系统的接口。

3)敏捷性生产是先进制造模式的核心,传统的MES解决方案难以适应这一要求,面向敏捷制造的MES要具有良好的可集成性( Integratability)、可配置性(Configurabilty) 、可适应性(Adaptability) 、可扩展性( Extensibility) 和可靠性(Rdliability) [4]。因此, 国外许多组织和研究机构已经开始研究面向敏捷制造的MES[5]。

参考文献
[1] 吴澄主编.现代集成制造系统导论——概念、方法、技术和应用[M].北京: 清华大学出版社, 施普林格出版社, 2002.6.
[2] MESA International. MES Explained: A High Level Vision[S].MESA International White Paper Number6, 1997.
[3] SEMI International. SEMI E5-0704-2004 Equipment Communications Standard 2 Message Content(SECS-II)[S].SEMI International,2004.
[4] Panasonic Industry. Panasonic MSR User manual. Host Computer System [M]. JP: Panasonic Industry, 2001.
[5] 于海斌,朱云龙.可集成的制造执行系统[J].计算机集成制造系统CIMS, 2000, 6( 6) : 1- 6.

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