力控面向SMT行业MES 解决方案

• 关键词：力控,SMT,MES
• 摘要：表面组装技术，英文名称 Surface Mount Technology，缩写为SMT。是一种将表面组装元器件（SMD）安装到印制电路板（PCB）上的板极组装技术，它是现代电子组装技术的核心。SMT最早起源于20世纪60年代的厚膜电路外贴元器件技术，在20世纪80年代随着彩色电视机电子调谐器的大规模生产而得到迅速发展，到了20世纪90年代中期基本成熟，成为现代主流的电子组装技术。SMT为电子产品带来了高密度、高性能、低成本、高可靠性这四大优势，从而促进了该技术被广泛应用，反过来亦推动了这项技术自身的发展。

一、行业概述

表面组装技术，英文名称 Surface Mount Technology，缩写为SMT。是一种将表面组装元器件（SMD）安装到印制电路板（PCB）上的板极组装技术，它是现代电子组装技术的核心。SMT最早起源于20世纪60年代的厚膜电路外贴元器件技术，在20世纪80年代随着彩色电视机电子调谐器的大规模生产而得到迅速发展，到了20世纪90年代中期基本成熟，成为现代主流的电子组装技术。SMT为电子产品带来了高密度、高性能、低成本、高可靠性这四大优势，从而促进了该技术被广泛应用，反过来亦推动了这项技术自身的发展。

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板组装制造商提出的要求也越来越高。同时，随着全球化的市场竞争带来的企业国际压力增大，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，必须采用更为先进的生产模式，快速响应客户、订单的需求，并提供物美价廉的产品。

系统集成和信息集成是当前提高企业管理效率的重要技术。许多企业都通过不断提高表面组装技术（SMT）的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提升到了一定的高度。但MRPII、ERP系统一般仅管理企业级资源计划, 它通常只能处理历史或预测类型的数据，不能及时、准确地反映当前生产现场的设备状态和生产过程数据。同时, 现场生产设备控制系统也不能实时的将生产数据传递到上层资源管理系统。这也就导致了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，属于典型的开环系统。因此如何将先进的生产线控制系统和企业级的管理类信息系统有效地结合起来，并在两者之间搭建桥梁提供信息沟通，使系统功能闭环，就是企业信息化建设所迫切需要解决的问题。以现阶段的技术手段，从科学角度来看，生产制造执行系统（MES）恰好可以用来解决这一难题。

MES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板组装行业的设备自动化程度较高，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 的建设及应用就显得尤为重要了。

本解决方案基于这一思想，依据PCB板组装企业的信息化现状及特点，以智能制造为核心理念，对SMT行业的MES相关功能模块进行设计以及搭建，提供一系列独特的管理方式以及管理工具，用以提高生产效率，改善产品品质，缩短生产周期，降低制造成本，并进行全面的防错防呆，实现全面科学的可追溯管理。

二、现状及需求

1.现状描述

现阶段，大多数工厂进行系统上层建设的条件还不充足。主要原因是底层基础建设和相关条件都还不完善，已有系统的开放性也还不够。具体表现在，当前生产线中一些设备并不具备直接进行数据采集的条件，有些是数据接口已被占用，有些是不具备通讯的能力，还有一些则是工位上手工进行操作的，这些问题都需要通过一些硬件方面的改造以及相应的基础建设来使其具备数据传输的条件。对于可以进行数据采集的部分，还需要进一步明确相关数据在控制器中的存储区域以及通讯链路的处理方式等问题。对于企业中已存在的上层系统，如ERP，目前也还不能确定与其数据互通可以采用何种方式，这也是在项目开始前签订技术实施协议及相关合同时需要明确的地方之一。

在生产过程中，SMT生产制造部门大量应用丝印机、贴片机、回流炉等自动化设备，这些设备基本都采用工控机进行控制。由于设商厂商采用的数据接口和格式各不相同，设备信息也就无法集中共享，从而形成了很多“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数据的能力，但设备之间缺少网络连接，采集过程也只能通过人工查看显示屏或以磁盘拷贝的方式完成，这样的处理方式也就不能及时的反应整个生产线的作业状况，对于系统的管理效果而言无疑是极差的。

与此同时，人工采集、记录、传递生产数据不仅增加了工人的工作量，也无形之中将数据传输过程中最不可靠的因素放到了最重要的位置，效率自然十分不稳定，准确性更无法得到保障，更甚者还可能会影响生产的进行。SMT行业特性决定了如果生产过程中某一环节出现问题，就会造成整批在制品的报废，因此在生产过程中更需要实时、高效地监控关键生产参数，并快速的定位出错点，以正确的报警预警信息来提示相关人员注意和处理，并对部分重要参数自动进行响应。

企业现阶段不再满足于最简单、直接的看板信息，而是需要根据实时生产数据，对生产行为进行动态的监控。在此基础上，辅以相应的MES功能模块，对整个生产过程进行科学、系统的管理，以实现对于生产的全面管理以及与其它子系统间的互联互通。最终才能提高产品质量，降低成本消耗。

企业管理层与现场设备控制层之间存在断层会导致无法实现完整的自动/半自动闭环业务流程。PCB板组装行业的特点就是小批量多样化，定单变动频繁。目前的生产管理方式中，生产计划和定单需求往往不能及时地下达到现场作业层，生产车间自然也就不能及时根据实际情况对生产计划进行调整。工作效率低下的直接后果就是对交货时间产生的影响，而交货期是否稳定又是客户采购时的重要考察因素之一，这无疑形成了一种恶性循环。 车间现场生产过程中还存在大量的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问题。 这些问题都是密切关联和互相影响的，最终则会严重制约企业的发展，导致资源浪费，使企业效率低下。

在日益激烈的市场竞争环境之下，行之有效的生产管理解决方案将对SMT行业具有重要意义，并可带来巨大的直接经济收益。

2.需求描述

面向SMT行业MES 的主要建设目标是：

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、相关业务模块及二次开发接口；

MES系统需要面向精益生产管理模式要求，以生产过程动态质量控制为目标。通过建立SMT流水线生产过程的管理控制模型，实现关键工序与相应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信息化集成管理，消除老旧的以人核心的管理模式带来的不利影响；

提供动态质量分析相关手段，对实时质量问题进行报警, 促进管理水平的提高, 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。建立系统的质量知识库，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；

完成与企业已有信息化系统的集成，并根据实际需要提供互联网功能。

三、建设方案

1．平台结构设计

基于对行业情况的了解，结合目的现状，配合力控相关产品，对上层信息化平台做如下建设：

力控产品主要部署在操作层、管理层以及企业层。IOServer以及通讯网关pFiledComn负责数据的采集工作。ForceControl组态软件则负责操作级的现场监控环节，eForcecon则在管理层实现对整厂的集中监控，完成对厂区工业数据的统一以及传统的监控功能。三维可视化平台FCVP用于将厂区乃至企业的整体规模以及现场工况以三维的视觉效果进行展示，便于使用者获得区别于传统SCADA系统的更为直观的体验。pSpace一般用于存储系统中所产生的全部数据 ，为数据的安全以及数据的分析运算提供可靠的保障；信息化平台则采用FMES来完成，其传统MES平台的核心功能组件和模块，同时可以作为企业信息化平台面向互联网的窗口，让互联互通跨平台访问更加简单。相关软件平台还提供API接口、OPC和一些常用接口等扩展功能，便于企业内部基于该平台的功能以及数据完成企业内部需要自研的相关功能的开发，增强平台的可用性和对于企业的友好性。

2．平台模块设计原理

2.1.数据处理功能模块

数据处理功能模块为最基本的功能模块之一，其主要功能已经在第四部分数字化功能建设中进行了说明。该模块负责生产过程中数据的收集、存储以及接口的互通等工作。数据来源一般是现场的硬件设备或其它已投入使用的软件，这部分数据包含历史数据和实时数据两部分内容，通过数据处理模块的工作，数据会被储存下来以及进行应用和转发等操作。

2.2.生产实时追踪模块

该模块主要对生产过程的数据进行计算和分析，从而可以及时的获取当前的生产状况信息如：设备运行实时数据、人员班组当前信息、关键监测点数据、报警预警情况、看板显示功能、客户端展示功能等，这些功能都是以数据采集模块为基础支撑的。综合利用这些时效性数据的好处就是即使现场无人，我们也可以将现场情况一览无遗，同时，生产的实时追踪也为计划的落实程度提供评判的依据和直观的反映。

2.3.计划管理功能模块

该功能主要包含“计划排产功能”、“计划追踪功能”、以及随着使用过程中不断优化最终可以形成固定算法后再配置的“计划自动优化功能”三部分。

计划排产功能是根据ERP或相关订单系统中的原始订单信息，经过算法模型分解成工单任务并经过生产关键人审核签名后下发到现场级去执行，根据实际的需要也可人工制定工单；计划追踪功能是在规定的时间范围内将当前实时的生产进度信息与计划内的预定信息进行系统内的对比，然后按照目前的生产进度情况进行计算，预估出订计划后续还需要执行的剩余时间，从而将计划执行情况以及对于计划执行结果的预估情况进行及时的反馈。对于不能及时完成的订单，则需要人为进行干预和调整，计划在调整后将会再次下发；计划优化功能则是针对生产中出现的频繁调整等问题或是经验性问题进行优化和建议，从而改善初始计划制定过程中的偏误，一般来说该功能属于未来型功能，需要大量的历史数据作为支撑，所以现阶段一般还是靠人工进行调整，使计划的执行运行在一个相对准确的决策环境中。

2.4.报警预警功能模块

报警预警的作用就是用以减少现场异常事故（生产异常以及安全事故）发生几率以及已发生的事故的持续时间，所以快速响应是关键。在这一功能模块中，我们必须强调速度这一要求，凡是可以避免的中间环节一律优化掉，化被动为主动。

报警和预警的处理机制会变成直达关键人、负责人的流程，并在一定时间后对未经处理的报警预警进行等级提升，让更高层管理人参与进来监督处理。

2.5.追溯分析功能模块

追溯分析功能模块作用于已发生的数据（历史数据），将数据间通过相互的联系，以需要分析的结果为可追溯的条件之一，进行检索，并得出大量的数据对该事件进行支撑。

通过追溯分析模块，可以有效的定位到数据产生和流转的关键节点，通过对所存储的数据进行系统的分析和处理，深入挖掘数据的价值，对于生产过程的追溯，主要可以从产品、设备、人员三方面进行，从这三个先决条件看数据在整个过程中的连贯性。每个维度触发的追溯将会生成不同的结果，但其结果都应是从各个维度上清晰的反映出生产的实际情况，从而便于我们分析历史过程以及对现阶段进行判断，然后再去调整以避免未来可能发生的问题。该功能需要的数据往往比较全面，所以需要数据处理模块对于底层的数据已进行了全面的管理，还需要对应生产中的一些标志性的状态数据，使数据内部产生相应的联系。

在基于产品信息的追溯分析模式中，可以获取到产品在生产过程中关系到的所被记录的信息。至少包括了：订单相关信息，生产相关信息，生产能耗，物料信息，生产班组信息，质量信息。

在基于设备的追溯分析模式中，可以获取到设备全生命周期的被记录的信息。至少包括了：设备基础信息（厂家、造价、采购时间、运行时间、设计寿命、设备负责人、设备地理位置等），设备维修信息，设备保养信息，设备能耗信息，OEE分析等。

在基于人员的追溯分析模式中，可以获取到人员在参与生产过程中所被记录的信息。

2.6.订单追踪功能模块

该功能模块从属于计划管理功能，与其也存在数据的互通，但适合单独出来进行建设。在进行订单追踪时，主要是根据选择的订单信息，进行分析，了解订单的完成情况以及交付时间，在系统功能相对完善的后期，还可对订单提出一些报警和预处理功能，将解决方案直达销售层、管理人员。

该模块的功能主要是用于今后系统接口的开放，将这一块的追踪功能直接给相关的大客户销售及大客户使用，便于授权的使用者更方便的了解自己所属范围的订单目前的完成情况，避免不必要的催单产生。

2.7.设备管理功能模块

对设备进行全生命周期的管理是有效提高设备运行效率的手段之一，设备管理包括了常规的设备台帐，采购、保养、报废等管理，还提供设备的OEE（设备综合效率）分析，确保设备能在其生命周期内发挥的价值接近或超过预估的理想值。对于专业设备和重点设备还需要提供重点的关注，保障其无障碍运行，以支撑整个生产流程。

2.8.质量管理功能模块

该模块主要对于生产中以及生产结束后中间品和产品的质量检测结果进行管理和分析。对于检测结果的收集，尽可能的对接质检设备以及原质检系统，用直接的数据采集替换掉以前陈旧模式（纸质单据、人工录入等），从而避免过多的人工输入环节，确保结果的准确可靠。对于质量管理，一般会实时监测生产线上一些关键质量点的数据，包括各工艺参数，各阶段抽样指标，成品检测结果等，这些数据将会全面的描述一件成品的生产过程中的质量情况，构成质量管理的核心内容。

2.9.人员管理功能模块

该模块主要是对人员数据进行管理。人员信息录入后，与考勤绩效形成数据间的关联。人员排班的编制、管理，电子工票以及使用人员的权限控制等都在该部分进行设计和实现。现阶段围绕人员管理方面的需求，一般体现在排班、绩效管理、安全等级三个方面，其中结合生产数据还可以实现人员工资的核算、投入产出比核算等。

2.10.库房管理功能模块

该模块的功能主要是对仓库（物料库、成品库）的整个出入库过程以及库存状态进行管理，全过程应支持数字采集管理（条码扫描或电子标签等）。物品从到货验收再到生产投料全程条码化，以此记录物品名称、物料批号、规格、数量、供应商批号等信息，利用条码跟踪和验证物料，实现物料管理的智能化。库存管理对生产过程中的领料、返工和报废等操作进行管控，在操作过程中尽可能的减少人工记录的操作量，确保准确程度以及效率的提升。

2.11.能源管理功能模块

能源是生产的核心，所以，对工厂、车间或产线的用能情况进行合理的预测分析是十分必要的。

对于生产过程中的能耗进行实时统计分析，能耗超标要产生报警提醒，原理则是因为能耗不会无缘无故的拉高或落低，这其中异常的原因往往值得深入探究。那么对各级能源计量表间的平衡分析，找出能耗异常的环节，提出改善能耗的合理措施就是能源管理功能模块的重点内容。

有些企业或管理者对能源方面的需求不是很强烈，这也就意味着在节能方面的功能可以不用做过多的设计，而是将能源管理功能的方向转向从能源消耗上分析生产中隐含的一些不利因素，如：设备的老化，人工的倦怠、不合理的计划变动等，再配合其他过程数据以确定并及时的处理发现的这些不利因素。

2.12.可扩展功能模块

该部分功能主要是面向客户和社会开放的，可以是接口程序也可以是一个完整的应用程序，主要用于客户及时的了解自己订单信息，增强厂家与社会的联系，如适时的发布通告、产品信息等，同时可用于收集客户的意见和建议，加强企业与社会间联系。

业务人员也可以利用该扩展功能快速的实现相关数据的访问。该功能将会以开放数据接口为主，方便厂家在此项目基础之上做更多的扩展定制，从而获得一个拥有自主特色的门户型平台。

3．工业网络安全建设

关于工业网络的安全性建设，本解决方案中主要推荐采用工业通讯网关、工业安全隔离网关以及工业防火墙来完成。具体下来主要涉及力控的三款网络安全产品：pSafetyLink系列工业安全隔离网关、pFieldComm系列工业通信网关、HC-ISG系列工业防火墙。通过构建工业网络安全性平台，保障数据和运行环境的安全运行。