李少飛，韓棟梁，賀宵琛

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

基于MES和SCADA系統(tǒng)的LTCC基板數(shù)字化制造車間設(shè)計

李少飛，韓棟梁，賀宵琛

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

LTCC基板應(yīng)用前景廣泛，但其制造成本高、制造過程復(fù)雜、成品率較低等因素制約了其快速發(fā)展。為此，設(shè)計基于MES和SCADA系統(tǒng)的LTCC基板數(shù)字化制造車間，對生產(chǎn)過程進(jìn)行全面管控，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

LTCC基板；MES系統(tǒng)；SCADA系統(tǒng)；系統(tǒng)集成

LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)低溫共燒陶瓷技術(shù)興起于20世紀(jì)90年代，LTCC基板具有優(yōu)越的高頻性能、易于實現(xiàn)無源器件集成、適合小型化等優(yōu)良特性，在航天航空、軍事電子、移動通信、汽車電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

目前我國有近百條LTCC基板制造生產(chǎn)線，其中多半用于國防事業(yè)。隨著信息電子產(chǎn)品向著微小型化和高性能方向發(fā)展，LTCC基板產(chǎn)品市場需求激增。但LTCC基板制造屬于離散制造，其制造過程復(fù)雜、制造周期長、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差、成品率較低，導(dǎo)致價格昂貴，無法滿足市場要求，迫切需要通過數(shù)字化制造改變LTCC基板制造現(xiàn)有狀況，提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和成品率、降低制造成本。本文通過設(shè)計基于MES(Manufacturing Execution System)和SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)的LTCC基板數(shù)字化制造車間來有效提升LTCC基板制造水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本單位擁有LTCC基板全套生產(chǎn)設(shè)備及檢測設(shè)備，信息化方面擁有ERP(Enterprise Resource Planning)系統(tǒng)及PLM(Product Lifecycle Management)系統(tǒng)，基于現(xiàn)狀引入了MES和SCADA系統(tǒng)，構(gòu)成整個LTCC基板數(shù)字化制造車間，其整體架構(gòu)如圖1所示[2]。

系統(tǒng)整體架構(gòu)分為4層：工藝設(shè)備層、SCADA控制層、MES執(zhí)行層、ERP/PLM管理層。

工藝設(shè)備層：包括全套工序設(shè)備、檢測設(shè)備、傳輸線和緩存庫，可滿足LTCC基板制造的工藝技術(shù)要求。其關(guān)鍵工序有打孔、填孔、整平、印刷、開腔、疊片、燒結(jié)等。

SCADA控制層：主要完成工藝過程中的自動化控制和可視化管理，通過與設(shè)備層通訊實現(xiàn)工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)、報警信息等關(guān)鍵信息的采集及監(jiān)控。

MES執(zhí)行層：MES系統(tǒng)以生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)執(zhí)行為主線，并實現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、質(zhì)量等各種數(shù)據(jù)的傳遞和采集。針對數(shù)字化車間的生產(chǎn)管理和現(xiàn)場執(zhí)行，進(jìn)行全面的生產(chǎn)過程集中管控，解決生產(chǎn)可追溯性、生產(chǎn)管控和與其他系統(tǒng)集成問題。

ERP/PLM管理層：ERP系統(tǒng)主要包含人力資源、財務(wù)管理、采購管理、主數(shù)據(jù)管理、物料需求計劃和訂單管理。基于顧客訂單制定產(chǎn)品的主生產(chǎn)計劃，然后基于產(chǎn)品生成進(jìn)度計劃，是MES系統(tǒng)生產(chǎn)計劃的重要來源。PLM系統(tǒng)是一個設(shè)計、工藝一體化的工程數(shù)據(jù)中心，將產(chǎn)品全生命周期的各類產(chǎn)品數(shù)據(jù)，匯集到數(shù)據(jù)中心，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為核心，進(jìn)行合理的存儲、分類和屬性擴(kuò)展，實現(xiàn)數(shù)據(jù)間有序的關(guān)聯(lián)，是MES系統(tǒng)生產(chǎn)圖紙和工藝數(shù)據(jù)的源頭[3]。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.1 MES系統(tǒng)

MES系統(tǒng)即制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)，是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)執(zhí)行管理、生產(chǎn)跟蹤/追溯、成品庫管理、物料管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、工具工裝管理、生產(chǎn)監(jiān)視、產(chǎn)品工藝管理、數(shù)據(jù)分析等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。下面介紹MES的主要功能模塊。

1) 生產(chǎn)計劃管理。生產(chǎn)計劃是生產(chǎn)管理的神經(jīng)中樞，直接影響到資源安排、成本控制、交貨周期、設(shè)備應(yīng)用效率等多個方面。MES接收ERP系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)訂單，PLM系統(tǒng)同時將帶有工位信息的BOM及工藝文件跟隨生產(chǎn)訂單一并下發(fā)。MES通過APS高級排產(chǎn)引擎遵循一定的排產(chǎn)原則進(jìn)行優(yōu)化排產(chǎn)，形成細(xì)化到設(shè)備、生瓷片層的生產(chǎn)工單，下發(fā)到對應(yīng)的工位進(jìn)行生產(chǎn)。

2) 生產(chǎn)執(zhí)行管理。MES與SCADA系統(tǒng)集成，實時采集設(shè)備執(zhí)行信息，通過該信號觸發(fā)MES系統(tǒng)生產(chǎn)訂單、生產(chǎn)工單的執(zhí)行狀態(tài)流轉(zhuǎn)。在生產(chǎn)執(zhí)行過程中，MES對生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)及其相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)控管理，內(nèi)容包括生產(chǎn)任務(wù)狀態(tài)、執(zhí)行進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)等。

3) 生產(chǎn)跟蹤/追溯。在MES系統(tǒng)中，提供對在線生瓷片的生產(chǎn)信息跟蹤，以及基板全生產(chǎn)過程的追溯。

生產(chǎn)跟蹤：可對構(gòu)成基板的每層生瓷片生產(chǎn)工藝信息進(jìn)行查詢。

產(chǎn)品追溯：可對已經(jīng)下線或入庫的基板(成品)進(jìn)行生產(chǎn)全程信息查詢。

質(zhì)量追溯：可對基板加工過程中的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。

在制品查詢：可對基板和生瓷片的生產(chǎn)加工情況進(jìn)行查詢。

4) 數(shù)據(jù)分析。決策數(shù)據(jù)分析：為高級管理人員提供車間整體運營績效、生產(chǎn)運行狀態(tài)和偏差分析，對其日常工作提供決策支持。

生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)分析：為生產(chǎn)調(diào)度管理人員提供生產(chǎn)情況監(jiān)控和分析，實現(xiàn)從原材料、生產(chǎn)過程、庫存等各環(huán)節(jié)的監(jiān)視和指揮，對問題的根源性進(jìn)行分析，輔助管理人員和決策人員做出及時的決策。

設(shè)備管理數(shù)據(jù)分析：為設(shè)備管理人員提供設(shè)備實時運行狀態(tài)、設(shè)備績效分析。通過多角度的設(shè)備運行維護(hù)監(jiān)視，當(dāng)運行出現(xiàn)偏差或問題時，系統(tǒng)能以直觀的方式提供給管理人員，識別問題的根本原因。

2.2 SCADA系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，通過與生產(chǎn)設(shè)備的PLC或工控機(jī)通訊對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

1) 設(shè)備狀態(tài)采集：SCADA系統(tǒng)能實時監(jiān)控生產(chǎn)線上各設(shè)備的運行狀態(tài)，對現(xiàn)場終端及各自動化設(shè)備的工作狀態(tài)等信息進(jìn)行采集，并對故障狀態(tài)日志進(jìn)行統(tǒng)計與展示。

2) 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集：通過與生產(chǎn)線集成，SCADA系統(tǒng)能獲取生產(chǎn)線的加工狀態(tài)，即從生產(chǎn)線上線點開始，對生瓷片的加工過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集內(nèi)容包括生瓷片已完成工序、各工序加工時間以及對應(yīng)加工設(shè)備。

3) 質(zhì)量數(shù)據(jù)采集：生瓷片上線后，SCADA系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)置的AOI檢測設(shè)備和質(zhì)量監(jiān)控點采集相關(guān)質(zhì)量數(shù)據(jù)。

4) 工藝數(shù)據(jù)采集：SCADA系統(tǒng)實時采集各設(shè)備的關(guān)鍵加工工藝參數(shù)，并將各產(chǎn)品與其生產(chǎn)工藝進(jìn)行綁定歸檔，便于生產(chǎn)工藝員對殘次品進(jìn)行質(zhì)量分析與追溯，輔助優(yōu)化各設(shè)備的生產(chǎn)工藝，從而達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)、提高產(chǎn)品合格率的目標(biāo)。

5) 關(guān)鍵物料信息采集：SCADA系統(tǒng)可通過連接現(xiàn)場掃碼設(shè)備或通過數(shù)據(jù)錄入方式采集產(chǎn)品的關(guān)鍵物料信息，并將關(guān)鍵物料信息與產(chǎn)品進(jìn)行綁定。

6) 環(huán)境數(shù)據(jù)采集：SCADA系統(tǒng)實時采集影響生產(chǎn)質(zhì)量的環(huán)境因素數(shù)據(jù)。

2.2.2 生產(chǎn)調(diào)度、控制

SCADA根據(jù)MES系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)訂單執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)，能對生產(chǎn)線所有在線設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，如復(fù)位、啟動、暫停等操作，還能完成復(fù)雜的調(diào)度和控制工作。以打孔機(jī)控制為例，具體實現(xiàn)方法如圖2所示。

圖2 打孔機(jī)控制

生產(chǎn)線打孔工序配置有12臺打孔機(jī)，SCADA接收MES系統(tǒng)下發(fā)的各打孔機(jī)生產(chǎn)任務(wù)，控制各打孔機(jī)根據(jù)序列號調(diào)用相應(yīng)的加工程序，加工完成后反饋生產(chǎn)批次完成信號。當(dāng)某一臺打孔機(jī)故障停機(jī)后，SCADA系統(tǒng)可依據(jù)設(shè)備信息重新自動安排打孔任務(wù)。

2.3 系統(tǒng)集成

在LTCC基板制造過程中，各信息系統(tǒng)之間需要頻繁地交換數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)集成可以減少信息的冗余，實現(xiàn)信息的共享。針對不同系統(tǒng)之間的集成，需要采用不同的集成方式。數(shù)字化車間主要以MES系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的相互傳遞，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息流如圖3所示。

2.3.1 集成內(nèi)容

1) MES與ERP集成：MES系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)的集成包括人員信息、部門信息、客戶信息、供應(yīng)商信息、倉庫信息、訂單信息、原材料及成品的出入庫單據(jù)、盤點數(shù)據(jù)等信息的集成。

2) MES與PLM集成：MES系統(tǒng)可接收PLM系統(tǒng)中的設(shè)計圖紙、工藝文件、BOM清單等數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流和信息流的同步性與一致性。

3) MES與SCADA集成：MES系統(tǒng)給SCADA系統(tǒng)下達(dá)生產(chǎn)訂單，SCADA系統(tǒng)將采集的工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息、產(chǎn)品生產(chǎn)過程信息、關(guān)鍵物料信息、質(zhì)量信息、報警信息、環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至MES系統(tǒng)。

4) SCADA與設(shè)備集成：SCADA系統(tǒng)采集設(shè)備的生產(chǎn)信息，并對設(shè)計監(jiān)視與控制。

2.3.2 集成方式

1) OPC通訊。OPC(OLE for Process Control)通訊指用于過程控制的OLE，通過在設(shè)備的應(yīng)用程序中開發(fā)定制的OPC Client與SCADA控制層進(jìn)行通訊。SCADA與設(shè)備集成主要采取此種方式[4]。

2) 數(shù)據(jù)庫通訊。數(shù)據(jù)庫通訊指現(xiàn)場設(shè)備直接通過控制程序向MES開放的指定的數(shù)據(jù)庫表格中存儲當(dāng)前工件的加工質(zhì)量數(shù)據(jù)以及工藝數(shù)據(jù)。MES與SCADA集成主要采取此種方式[5]。不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之間可以采用創(chuàng)建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的dblink(Database Link)，通過dblink就可以像訪問本地數(shù)據(jù)一樣訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)。MES與ERP/PLM集成主要采取此種方式。

3) Web Service通訊。Web Service是一個平臺獨立的，低耦合的，自包含的、基于可編程的Web的應(yīng)用程序，可使用開放的XML(標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語言下的一個子集)標(biāo)準(zhǔn)來描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和配置這些應(yīng)用程序，用于開發(fā)分布式的互操作的應(yīng)用程序。對于使用上述方式進(jìn)行交互比較困難或無法實現(xiàn)的系統(tǒng)，使用該方式可有效實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交互，有效節(jié)約開發(fā)特定應(yīng)用接口的花費。

3 結(jié)束語

在本單位現(xiàn)有LTCC基板生產(chǎn)線及信息化基礎(chǔ)上，引入MES和SCADA系統(tǒng)，建設(shè)完成LTCC基板數(shù)字化制造車間，實時掌握生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)生產(chǎn)和管理提供準(zhǔn)確及時的決策依據(jù)，極大提高了LTCC基板生產(chǎn)效率及良品率，降低了生產(chǎn)成本，在國防LTCC基板智能制造領(lǐng)域具有示范作用，促進(jìn)了國防電子制造業(yè)智能制造技術(shù)的發(fā)展。

[1] 楊邦朝,胡永達(dá).LTCC技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電子元件與材料,2014(11):5-9.

[2] 曹偉偉.引入MES的油品罐區(qū)綜合自動化系統(tǒng)[J].化學(xué)工程與裝備,2012(8):121-124.

[3] 張杰.基于制造企業(yè)PLM和ERP的系統(tǒng)集成[J].科技信息,2012(5):158-159.

[4] 胡景軍,陳云,洪詩定.SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)Web服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)[J].化工自動化及儀表,2013,40(11):1395-1398.

[5] 王景勝,李曉會.通用式組態(tài)軟件在與MES系統(tǒng)對接中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化,2013(24):15-18.

Design of Digital Manufacturing Workshop for LTCC Substrate Based on MES and SCADA System

Li Shaofei, Han Dongliang, He Xiaochen

(TheSecondResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

LTCC substrate is widely used in electronic industry, but the development is limited by high cost, complex manufacturing process, low yield and so on. In order to improve product quality and reduce production costs, the digital manufacturing workshop for LTCC substrate is designed based on MES and SCADA system, the whole production process of LTCC substrate is managed and controlled digitally.

LTCC substrate; MES system; SCADA system; system integration

2017-02-14

李少飛(1987- )，男，山西晉城人，碩士，主要從事信息系統(tǒng)開發(fā)與管理工作。

1674- 4578(2017)02- 0059- 04

TN405；TP315

A