论文面向电子电路SMT的MES系统构建应用研究

面向电子电路SMT的MES系统构建应用研究摘要：针对SMT生产面临的人员、设备、物料等问题不能及时反馈和协调处理而影响生产效率这一问题，将制造执行系统(MES)引入表面贴装行业，以提高SMT企业计划的实时性和灵活性，有效改善生产线的运行效率，同时加强SMT生产的监控和管理能力。本文参照了国际上广泛应用的MES技术以及设计制造一体化思想，详细论述了符合当前电子装配行业的MES系统的组成、技术要求等方面内容，构建在SMT生产线上应用MES系统的一套完整方案。并将该系统成功运用于某SMT生产线当中，取得了良好的效果。关键词：制造执行系统；表面贴装技术；构建；应用Construction and Application of Manufacturing Execution Systemin Electronic Surface Mounted Technology IndustrySHEN Zhen-fang1, HE Hui-sen2, ZHUANG Qian-hai2, JIANG Jian-guo3, ZANG Ming-xiang3, HUANG Zhan-wu2 (1. The Technologic Part of China Electronics Technology Group Corporation NO. 54TH Research Institute, Shijiazhuang, 050081, China)(2. Institute of Electronic CAD, Xidian University, Xian 710071, China)(3. Computer School, Xidian University, Xian 710071, China)Abstract： To improve the low efficiency caused by late information feedback and communication, and 1to improve the efficient and flexible of the producing plan. Manufacturing Execution System (MES) was introduced into Surface Mounted Technology (SMT) industry. While the advanced idea such as MES in other industry and manufacture integration with design were referenced, the structure、specification of proper MES which can be fit for the SMT work shop were described, and an entire project of the construction and application of MES in SMT industry was proposed. And the development of MES in SMT is prospected at last. This project has been successfully used in a SMT product line, and good performance was gotten.Key Words：Manufacturing Execution System; Surface Mounted Technology; Construction; Application0 引言随着国际竞争日益激烈，现代制造企业需要不断提高管理和监控能力，从而快速应对生产制造过程中的突发事件。表面贴装（Surface Mounted Technology，SMT）行业作为电子电路的支柱产业，也面临着同样的问题。车间生产过程的复杂性和不可预测性导致物料异常、设备变更、人员调整、生产计划变更和紧急任务插入等意外状况的发生；同时，这些车间往往还在采用手工模式处理异常事件，效率相对不高，使得很多问题难以得到及时处理而造成工期延误，产品质量也无法得到保障。传统方法通过实施MRPII/ERP来加强管理，但这只是一种黑箱作业，并没有对实际生产做出实时有效的监管，而无法满足今天复杂多变的竞争需要。因此，如何将此黑箱作业透明化，找出并解决任何影响产品品质和成本的问题，提高计划的实时性和灵活性，同时又能改善生产线的运行效率已成为每个企业所关心的问题。制造执行系统(Manufacturing Executive System，MES)是企业计算机对制造信息的集成，是企业实施敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段1。MES通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当车间有实时事件发生时，MES能够对此及时做出响应，并对它们进行约束和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少企业的内耗，有效地规范车间的生产运作，同时提升工厂及时交货的能力、改善物料的流通性能，提高生产回报率。MES还能通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关生产行为的关键任务信息2。国内目前对MES系统的应用也做了大量的研究，如文献3介绍了某车用空调制造企业采用MES系统对生产车间多种异常事件实施管理，文献4描述了一种基于知识集成的车间制造系统运行模式，文献5则介绍了一种适用于半导体制造产业的智能MES系统，等等。虽然MES已经在钢铁、汽车、半导体、化工、制药等制造领域取得了巨大成效，然而作为21世纪的核心产业之一的SMT行业，却迟迟未实现MES的普及。如果MES能够在SMT行业实现广泛应用，必然能够实现生产效率的飞跃，同时对于质量的提高和物资的节约，也会有很大帮助。本文在参考ERP、MRP II、SFC等先进的企业管理技术6，以及设计制造一体化的思想的基础上，详细分析了MES系统在电子装配行业构建时的组成结构、技术要求等方面的内容，提出了一套能够在在SMT生产线上应用MES系统的完整方案，对其中制造数据的提取与转换、生产计划管理等关键技术做了深入研究，最后结合实际应用案例，验证了该方案的可行性。1 电子电路表面贴装MES系统结构电子电路表面贴装MES系统主要由四个功能模块及三个数据库组成7-9，它们以计算机局域网络为硬件基础，相互作用，协调动作，构成面向SMT完整的MES系统。其具体功能结构如图1所示。图1 电子电路MES系统功能结构图(1) 数据采集模块数据采集是实现MES的根本，需要有高度的实时性和准确性。数据采集模块主要负责监控设备的网络组态、通讯接口（协议）设置、采集参数的定义、数据的采集以及把采集到的数据以一定格式存储到数据库中，在不影响原有设备正常工作的前提下，实现分散设备的集中监控。对于SMT生产而言，需要采集数据的设备主要包括焊膏印刷机、点胶机、贴装机、回流焊炉以及飞针测试仪、X-Ray测试机台、光学检测仪（AOI）等各种检测设备。另外，由于各个设备的生产厂商不同，其操作系统、数据结构、通讯接口都会有很大差异，不具有统一的规范，因此必须要同时考虑各种设备通讯接口，还要考虑车间中相关传感器的模拟信号和开关量信号10。(2) 车间生产管理模块车间生产管理模块主要包括SMT车间排产优化、SMT车间物料管理、车间生产计划管理及生产管理数据、制造数据的可视化等四个方面的内容。SMT车间排产优化技术，将SMT车间的生产计划细化为具体的生产作业过程，即对企业现有的流程、设备、计划订单细化为生产作业过程，并进行优化处理，形成车间排产方案。SMT车间的物料管理包括：物料的入库和出库管理、线上物料状态采集、库存物料状态采集、上料防错技术等。针对SMT生产中的上料防错问题，开发适用于SMT的对料系统，使用条码标签标识管控对象，开发后台控制软件，实现SMT在线上料防错。车间生产计划管理，研究开发适应多品种变批量的生产计划管理模块，对生产计划的生成、调度、变更等执行情况进行实时监控、跟踪和记录。生产管理数据及制造数据的可视化技术，利用可视化技术的交互性及多维性，用图像、图形和动画等来显示对象或事件数据的多个属性或变量，以交互的方式管理使用生产管理数据及制造数据，提高对生产过程的监控能力。(3) 数据处理模块利用基于多线程的处理手段，对制造数据进行统计、分析与查询，并将其以图形、图表或动画等方式直观表达，同时提供报警分析、过程趋势分析及数据存储等数据处理功能。数据处理包括三个方面内容：实时数据显示：负责显示需要监控的订单和工艺文件的相关信息。以数据和曲线的方式，实时显示设备关键参数的信息，并与工艺文件中的设定值进行对比，及时发现问题，产生报警信息。历史数据查询：负责进行条件查询。历史数据SPC分析：负责对选择的数据项进行X-R控制图分析。(4) 软件接口模块该模块是本系统与计划管理、物料管理以及电路电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）工具等软件的接口，实现本系统与它们的衔接和数据共享。其核心是对异构EDA电路设计文件中制造数据的提取、审查与转换11，由计算机替代完成原有的手动转换和人工审查，实现对多种软件的良好兼容和快速转换，以缩短生产准备时间，并降低错误率。(5) 数据库MES系统的三个数据库为表面贴装元器件物理参数数据库、表面贴装关键设备参数数据库以及表面贴装工艺参数数据库。其中表面贴装元器件物理参数数据库主要记录表面贴装元器件的物理封装参数，表面贴装关键设备参数数据库记录相关设备各项工作状态的长期历史数据，表面贴装工艺参数数据库则记录了表面贴装各种工艺的参数要求，通过对三个数据库的不断完善和补充，可以实现信息的复用和共享，有效指导表面贴装生产12。2 电子电路MES系统实施工作流程电子电路表面贴装MES系统以网络、数据库和技术标准规范为基础，通过该系统的建立，来实现优化配置生产线、缩短编程和新产品数据导入的时间、缩短生产周期、实时监控生产运行状态、提高产品质量、与相关系统的数据共享等多方面的目标。其具体流程可分为以下两大部分。（1）针对SMT生产线中焊膏印刷机、贴装机、回流焊炉等关键设备，采集相应的制造数据，并进行数据处理。一方面将数据用于质量监控处理，进而分析贴装质量，出现质量问题启动报警系统告警。例如通过采集线上物料的状态，当物料将用尽时实现及时报警，或是使用条码技术和自动检查功能防止上错料，并在出错时提供多种报警方式；另一方面对采到的数据的格式进行转换，将制造数据和生产管理数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，以动画、图表或图形的形式直观显示SMT生产状态，以提高对SMT生产线的监控能力。（2）通过接口软件与EDA软件衔接，从EDA设计数据文件中提取与制造相关的信息，并转换为SMT关键设备可接受的数据，并进行虚拟贴装的可制造性分析。实现从设计数据到制造数据转换的出错率的降低，生产准备时间的缩短以及生产效率的提高。根据对生产计划的执行情况进行实时监控，将SMT车间的生产计划细化为具体的生产作业过程，与计划管理系统衔接，提取生产计划信息，结合工艺过程数据，运用排产优化算法，进行生产加工计划排产和优化处理，形成优化的车间排产方案，实现全面的车间生产管理。3 MES系统具体关键技术方案3.1 异构EDA设计中制造数据的提取与转换异构EDA软件设计数据具有相对的独立性或封闭性，各自独立的系统往往难以支持其它格式的数据。实现异构EDA设计数据的提取和转换，提取这些数据并对其进行分析，自动地获取并显示完整的PCB板资料，如：元器件、电路连接、孔、封装形状、外部和内部铜箔等。其意义在于为实现从EDA设计文件数据中提取与制造相关的信息，自动转换为表面贴装生产设备可接受的数据，同时为工艺审查和贴装仿真提供数据支持，以降低从设计数据到制造数据转换的出错率，缩短生产准备时间，提高生产效率13。在异构的存储结构下，实际隐藏着的是由PCB所决定的参数共性，不同的只是它们的描述方法。当前常用EDA工具所生成的设计数据文件的组织方式通常有两种，一是单一数据源文件，基于PC的中小型EDA工具产生的PCB设计数据大部分属于此类，其文件结构是平铺式的，PCB板本身以及板上各元件的信息顺序记录在此设计文件中，如Protel、PowerPCB等，在Protel的PCB设计文件*.pcb中，FT、FP、FS、FV、FA、FF均为电路板上所包含的元素；CT、CP、CS、CV、CA、CF均为器件上所包含的元素。其中，FT、CT代表线段，FP、CP代表焊盘，FS、CS代表字符，FV、CV代表过孔，FA、CA代表圆弧，FF、CF代表填充区。元器件封装模块描述段通常以标识符COMP开始，以标识符ENDCOMP表示元器件封装模块描述段的结束，如图2所示；二是层次型文件，基于图形工作站的大型EDA工具所产生。PCB设计数据需要从多个彼此联系的文件中获取，总体上各文件间呈层次关系（如PCB元件焊盘/过孔的层次结构），如Mentor EN系列就为此类。图2 Protel文件结构说明异构EDA转换接口的工作流程如下：自动识别客户端上传的EDA文件格式并将其传至对应的入口，各入口用来接收其能识别的EDA设计文件类型，并根据其文件结构通过不同的转换算法，最后在服务器端输出已被规范的中间文件，再由中间文件生成直接供给贴装机生产用的CAD文件，以及为工艺参数审查和贴装流程仿真所使用的元器件参数文件和PCB基板参数文件。其流程示意图如图3所示。各类文件的转换算法可以参考文献11和13。在提取与转换过程中引入中间文件的好处是：在没有中间文件的情况下，当设计人员在贴装生产或者数据审查后想修改设计，那么只能在原来的EDA设计软件里重新修改设计并输出文件，然后再做一遍数据信息转换的工作，如若结果不理想需重新修改，工作往往需要不断重复，导致时间跨度长且修改效率低的问题。而引入中间文件后，由于其结构简单易于修改的优点，生产人员可通过直接在中间文件上修改而快速查看审查结果，同时快速得到生产所用的CAD文件。如此反复修改直到效果满意后再据此重新修改设计和制造数据，可以达到节约修改时间、提高生产效率的目的。图3 设计制造数据的提取与转换流程3.2 适用于柔性制造的生产计划管理生产计划管理作为车间生产管理模块的核心，其重要性不言而喻。正如图4所示，其肩负了与车间排产优化，物料管理，企业计划管理、生产过程监控四个方面的协调工作，因此可分为下面4个子模块14：（1）生产任务管理模块 负责采集生产线上的信息，对现有的生产任务的执行情况进行实时监控，管理者能随时查阅到生产任务的进度、每个任务中投入的人力、物力等信息，并能依此来判断能不能按期交货。系统将以图形化的方式把生产任务的进度、状态等信息显示出来供用户查阅，使用户得到的信息更直观。（2）设备管理模块 主要负责对生产线上各种设备的运行、维修和保养情况进行记录，用户可随时监控并估算生产线上每台设备的性能、工作能力等信息，并以此判定设备是否需检修，更换。从而保证生产效率、平衡设备的生产能力和生产任务之间的关系。为管理者做出合理的决策提供帮助。（3）生产过程管理模块 主要记录的是生产任务执行过程中发生的一系列行为。记录SMT生产线上取料、用料情况，各个设备目前正在加工的任务，具体工件的状态等信息。从生产过程管理模块中提取出和任务进度有关的信息为生产任务管理模块提供支持。（4）产品管理模块 主要是记录产品的质量信息，并对问题产品的处理进行实时记录。各个部门的负责人通过使用具有不同权限的账号登录系统，对应该由本部门处理的表单进行处理。在登录系统并进入到产品管理模块的时候，系统会为用户分配不同的可操作的控件，以避免越权操作。图4 车间生产管理逻辑关系生产计划管理是在生产计划的指导下，根据物料需求计划输出的制造订单，按照交货期的前后和生产优先级选择原则以及车间的生产资源情况（如设备、物料的可用性、加工能力大小等），将产品的生产计划以订单的形式下达给适当的车间。同时，在生成订单过程中，实时采集车间生产的动态信息，了解生产进度，发现问题并及时解决。生产计划管理模块需完成的功能有：计算生产线上空闲程度调度生产任务，情况变化时对计划的调整或修改、对生产线上设备的运行情况、生产过程和产品状况进行即时记录以方便事后查询、以及各种统计报表的生成与输出。生产计划管理系统的业务流程图如图5所示。图5 生产计划管理业务流程图4 实例说明为验证该方案的有效性，使用基于VC+6.0和SQLSEVER2000的技术构建系统，并将其运用于中国电子科技集团某SMT生产线上，在构建时使用了如下的硬件配置：图6 SMT车间MES系统网络结构a) 一条完整的表面贴装生产线，拥有焊膏印刷机、贴装机、回流焊炉以及相应的测试设备，形成自动化的流水线。设备工作状况良好，具有RS232以及RJ45等通用PC的数据接口；b) 数据服务器一台，配有通用RJ45接口的以太网卡，大容量的数据存储介质，作为中心数据存储设施；c) 兼容PC若干台，配有通用RJ45接口以太网卡，可以通过TCP/IP协议与局域网连接，用于数据的采集以及多种数据处理工作；d) 条码打印机及配套扫描枪一台或若干台，用于物料等条码管理工作。e) 网络环境采用树型拓扑结构，就可以满足信息汇集的基本需求。应用国际互联网普遍使用的TCP/IP协议，对目前大多数计算机网络而言具有良好的兼容性兼容该协议。具体网络拓扑结构如图6所示。为检测系统运行效果，在实时监控生产运行状态、缩短编程和新产品数据导入的时间、优化配置管理生产线、数据的存储与可视化等方面进行了功能和性能上的测试。其具体运行效果如图7所示，该软件与原有SMT生产线结合良好，确实有效地加强车间管理能力，实现了缩短生产周期、提高产品质量的目的。图7 SMT车间MES系统运行示例5 结束语本文提出了一种可以适用于SMT生产的MES系统方案，建立了系统的体系结构和实施方案，该系统通过加强生产监控和各个部门之间信息共享，实现实时监控生产运行状态、缩短编程和新产品数据导入的时间、优化配置管理生产线、与相关系统的数据共享等功能。使得高度自动化的SMT生产中可以及时发现生产过程中的各个影响质量参数的工艺变化，更为直观地反馈给工程师、操作人员和管理人员；使整个生产的每一个环节都能更为迅速地收到讯息，并做出相应的策略，有效地降低生产成本和提高产品质量，实现近零缺陷生产。并对其中制造数据的提取与转换、生产计划管理两项关键技术做了深入研究。以中国电子科技集团某SMT生产线为例，进行完整MES系统的构建和应用，取得了良好的效果，有效提高了企业的生产管理能力和生产效率。参考文献1 Mark Gonia, Senior Director of Sales, Semiconductor and Electronics Camstar Systems, Inc. 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