何立發(fā)，龍文卿，潘春榮，岳林，李澤勤

（1.龍南駿亞精密電路有限公司，江西 贛州 341700；2.江西理工大學機電工程學院，江西 贛州 341000）

0 引言

為應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等數(shù)字技術日漸成熟，全球經(jīng)濟逐漸開始向數(shù)字經(jīng)濟轉(zhuǎn)型[1]。面對新技術革命和產(chǎn)業(yè)變革帶來的激烈競爭和千變?nèi)f化的市場需求，特別是新冠肺炎疫情對全球制造業(yè)產(chǎn)生的深刻影響，亟須推動我國傳統(tǒng)制造業(yè)的優(yōu)化升級，通過數(shù)字化技術對傳統(tǒng)制造業(yè)賦能，使我國制造業(yè)從全球價值鏈分工中的低端向高端躍進[2]。

在數(shù)字技術對傳統(tǒng)制造業(yè)賦能的實踐中，物聯(lián)網(wǎng)技術是制造業(yè)數(shù)字賦能的基礎，它通過各種傳感器技術感知實物，借由網(wǎng)絡進行實時通訊和反饋控制[3]。大數(shù)據(jù)技術是制造業(yè)數(shù)字賦能的核心，可幫助企業(yè)全面深入地了解生產(chǎn)、設備、品質(zhì)和能耗等方面的現(xiàn)狀和問題，進而優(yōu)化產(chǎn)品設計、生產(chǎn)過程、工藝流程和計劃排產(chǎn)等核心制造環(huán)節(jié)，是提升制造業(yè)生產(chǎn)力、競爭力、創(chuàng)新力的關鍵要素[4]。

隨著市場經(jīng)濟的成熟和發(fā)展，對電路板制造業(yè)管理而言，客戶需求變得越來越快，產(chǎn)品多樣化、小批量和短生命周期的現(xiàn)象日趨增多。傳統(tǒng)的人工收集設備和品質(zhì)信息，人工調(diào)取加工參數(shù)，人工編制生產(chǎn)計劃的管理模式面臨著設備稼動率較低、能源利用率較低、工人數(shù)量較多、報廢率較高等問題，加上用工成本和原材料價格的不斷上升，使企業(yè)面臨著巨大的經(jīng)營壓力[5]。

基于上述因素，很多電路板企業(yè)開始在自動化改造和借助ERP、MES系統(tǒng)等方面尋求改善，但碰到了很多難題，如設備狀態(tài)參數(shù)和運行參數(shù)未實時采集，各IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)未實現(xiàn)有效集成，未實現(xiàn)全生產(chǎn)流程透明化和追溯，大數(shù)據(jù)分析和人工智能等新技術應用較少，導致行業(yè)難點痛點得不到解決[6]。

1 系統(tǒng)設計

自主研究開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的電路板制造運營管理系統(tǒng)遵循“以目標為導向、以邏輯為支撐、以標準為基礎、向數(shù)據(jù)要財富”的原則，采用工業(yè)PON、5G等新技術改造內(nèi)網(wǎng)，通過將大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等信息技術與制造技術相融合，對工廠進行數(shù)字化、智能化升級，實現(xiàn)關鍵設備數(shù)據(jù)提取和監(jiān)控管理，實現(xiàn)產(chǎn)品全流程追溯，進行大數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化計劃排產(chǎn)和生產(chǎn)過程，充分利用企業(yè)資源，最終起到提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低運營成本的作用。

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集+數(shù)據(jù)管理+數(shù)據(jù)應用的整體系統(tǒng)架構，端管云一體協(xié)同，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、管理及應用，總體構架可以分為五層：數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、物聯(lián)管理層、工業(yè)平臺層、企業(yè)應用層，整體技術架構如圖1所示。

圖1 制造運營管理系統(tǒng)整體架構圖

1.1 數(shù)據(jù)采集層

電路板工廠使用大量的用于生產(chǎn)及檢測、產(chǎn)品標識解析、物流、水電氣計量、監(jiān)控等的設備，種類繁多、復雜，對不具備通訊功能的部分設備加裝網(wǎng)絡擴展模塊后，通過硬連接和軟連接兩種方式實現(xiàn)關鍵設備的數(shù)據(jù)采集。硬連接是指直接連接控制設備的PLC、I/O控制卡、各類傳感器以及其他硬件如智能網(wǎng)關、擴展模塊等，軟連接是指通過設備的工控系統(tǒng)、設備數(shù)據(jù)庫、操作日志等以軟件方式進行系統(tǒng)對接和數(shù)據(jù)采集。

1.2 網(wǎng)絡傳輸層

網(wǎng)絡傳輸是工廠主要設備信息化的基礎，包括工廠內(nèi)設備與服務器、內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)間的數(shù)據(jù)傳輸，工廠內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)間的交互，移動端對工廠內(nèi)網(wǎng)的訪問等。系統(tǒng)利用工業(yè)PON、工業(yè)WIFI和5G改造內(nèi)網(wǎng)，實時準確地實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上傳和系統(tǒng)控制指令的下達。工業(yè)PON在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構中處于車間級網(wǎng)絡位置，通過工業(yè)級ONU設備實現(xiàn)光網(wǎng)絡到設備層的連接，通過ODN實現(xiàn)工業(yè)設備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等到OLT的匯聚，最終通過OLT與企業(yè)網(wǎng)絡的對接，從而實現(xiàn)產(chǎn)線數(shù)據(jù)到企業(yè)IT系統(tǒng)的可靠傳輸。網(wǎng)絡層采用雙核心設計，兩臺核心交換機通過虛擬化技術虛擬成一臺邏輯設備，簡化拓撲，提升可靠性，實現(xiàn)毫秒級的故障恢復。

1.3 物聯(lián)管理層

在物聯(lián)管理層搭建統(tǒng)一的在線可擴展的物聯(lián)平臺，具備大量電路板行業(yè)常用設備的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序。新設備在接入網(wǎng)絡傳輸層后，對沒有現(xiàn)成驅(qū)動的新設備，需要開發(fā)對應的設備驅(qū)動插入到物聯(lián)平臺，并配置驅(qū)動和地址信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；已有驅(qū)動的同類設備需要配置驅(qū)動和地址信息實現(xiàn)連接。通過該平臺可大大減小開發(fā)的工作量，方便用戶維護，接入新設備時可以正常采集數(shù)據(jù)。物聯(lián)平臺采集到的數(shù)據(jù)存儲在設備數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫和日志數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫中。

1.4 工業(yè)平臺層

工業(yè)平臺層主要包括工業(yè)云平臺，通過虛擬化、云計算技術，將硬件、軟件有效集中形成IaaS資源池，按需提供服務，實現(xiàn)業(yè)務快速上線和網(wǎng)絡、安全、計算、存儲等資源的彈性擴展，形成高效、便捷、可靠的企業(yè)級云服務架構，以信息安全等級保護為指導，從網(wǎng)絡、主機、應用、數(shù)據(jù)等多維度進行安全考慮，建設縱深安全防御體系。工業(yè)平臺層以Web API接口與中間表等方式對外部提供數(shù)據(jù)對接，是串聯(lián)企業(yè)各項業(yè)務系統(tǒng)相互協(xié)同、各類生產(chǎn)設備與控制系統(tǒng)信息交互等工作的基礎。

1.5 企業(yè)應用層

基于信息化的聯(lián)網(wǎng)設備以及總體中控平臺、各車間中控平臺，在應用層進行制造運營管理的應用開發(fā)與部署，以交互的形式完成使用者對工廠的感知與管理。制造運營管理應用主要分為感知應用、分析應用、報警應用與遠程控制應用。通過數(shù)據(jù)可視化和多終端支持技術，實現(xiàn)服務運維的各類視圖，滿足不同場景下的業(yè)務需求。同時利用設備模板、組態(tài)設計、視圖設計、報表引擎等工具，封裝上層的業(yè)務功能，提供計劃排產(chǎn)、設備管理、生產(chǎn)管理、品質(zhì)管理、倉庫管理、資源管理、績效管理、預警告警、報表管理等服務功能。

系統(tǒng)基于MVVM+SOA的架構，業(yè)務邏輯主要集中在業(yè)務功能組件，前端展示支持電腦、手機、PDA以及平板電腦等。系統(tǒng)采用SqlSugar ORM框架，支持SQL Server、Oracle以及MySQL等主流數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫無縫切換。所有服務采用高效率的WCF通信協(xié)議，同時使用高倍率的數(shù)據(jù)壓縮技術。系統(tǒng)以微軟.NET架構為基礎，為各類業(yè)務插件提供工業(yè)級的創(chuàng)建、執(zhí)行平臺，以及低成本的擴展方式，為信息管理團隊提供面向客戶需求的快速建模方法論以及技術實現(xiàn)手段，解決用戶“個性化需求與通用系統(tǒng)的通用性”之間的矛盾以及實施系統(tǒng)后“用戶需求的快速變化性與通用系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性”之間的矛盾。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 設備管理

設備管理模塊建立詳細的可動態(tài)維護的設備檔案，借助設備物聯(lián)平臺實現(xiàn)關鍵設備的狀態(tài)監(jiān)控和工藝、品質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，對影響品質(zhì)的關鍵參數(shù)進行監(jiān)控和預警，根據(jù)生產(chǎn)的電路板型號自動下發(fā)加工參數(shù)（如前處理線、蝕刻線等）、資料（如曝光、外觀檢測設備等）或程序（如鉆機、鑼機等）到指定設備，避免人工誤操作。對設備全生命周期進行精確跟蹤記錄，建立設備維修標準化流程和維修知識庫，自動生成設備預防性保養(yǎng)提示，進行設備備件精細化管理。

2.2 生產(chǎn)管理

利用激光或機械鉆孔設備在每一張在制電路板上生成具有唯一身份信息的二維碼，在所有工序上設置固定式或手持式讀碼器，對電路板從投料到成品出貨全過程中所涉及的物料、人員、設備、能耗、水資源、生產(chǎn)流程、環(huán)境、工藝參數(shù)、工程資料與工具以及關鍵品質(zhì)數(shù)據(jù)等信息進行采集與記錄，實現(xiàn)全流程追溯。借助讀碼數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在制品自動過站計數(shù)，并同步上傳給ERP系統(tǒng)實現(xiàn)在制品統(tǒng)計分析，進行流程防呆和物料防錯，對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況通過短信、微信和郵件進行預警。

圖2 平臺技術架構

2.3 計劃排產(chǎn)

以往在電路板制造企業(yè)，生產(chǎn)排程主要是基于Excel以及計劃人員的經(jīng)驗，效率低，生產(chǎn)資源利用不充分。在實現(xiàn)設備物聯(lián)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集后，系統(tǒng)建立不同產(chǎn)品在不同工序的標準工時數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)根據(jù)訂單情況和基于歷史大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析出的設備產(chǎn)能自動生成生產(chǎn)計劃，推送車間排產(chǎn)計劃和設備排產(chǎn)計劃到指定人員和看板，并進行計劃實施情況的跟蹤，提供產(chǎn)出情況、人均效率、計劃達成率、周轉(zhuǎn)率、線平衡率等數(shù)據(jù)，用于各級人員的績效考核。

圖3 系統(tǒng)主要功能模塊

2.4 品質(zhì)管理

系統(tǒng)對包括首件、IPQC以及AOI、電測、FQC等關鍵工序和產(chǎn)品物理性能、藥水化驗等檢測工作進行數(shù)據(jù)采集并自動生成統(tǒng)計分析報表，根據(jù)品質(zhì)標準設置品質(zhì)基線，對于超出品質(zhì)基線的數(shù)據(jù)進行實時預警。

系統(tǒng)完成從產(chǎn)品反向追溯生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，并可以從某一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)正向追溯到和這個環(huán)節(jié)相關的全部產(chǎn)品，快速有效地找出品質(zhì)問題發(fā)生的原因并最小范圍地精準鎖定存在品質(zhì)風險的產(chǎn)品。

通過審視產(chǎn)品設計、生產(chǎn)過程管控、產(chǎn)品檢驗等過程資料，系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的不合理處，并予以提示，依托動態(tài)完善的品質(zhì)專家?guī)炜焖偬岢鰝溥x處理方案，降低各類批量不良及功能性缺陷的發(fā)生頻率。

2.5 倉庫管理

系統(tǒng)實現(xiàn)儲位精細化管控和物料條碼化管理，為每個儲位賦予唯一的編碼，為每一個物料或成品的最小包裝賦予唯一條碼，材料或成品入庫時掃描物料和儲位條碼進行綁定記錄；出庫時系統(tǒng)按照先進先出或者零散料優(yōu)先等規(guī)則自動建議儲位，對現(xiàn)有倉庫的物料呆滯、超期等問題進行實時監(jiān)控與自動預警，同時對物料的安全庫存進行有效監(jiān)控。

2.6 資源管理

系統(tǒng)對智能遠傳電表和水表上傳的用電用水數(shù)據(jù)進行記錄和統(tǒng)計分析，幫助能源管理員進行能源異常排查、節(jié)能改造和管理改善。對配電系統(tǒng)主要變壓器負荷、負載效率、損耗及電量平衡等參數(shù)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測并給出運行評價，為及時調(diào)控配電設施容量，排查配電安全隱患提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)對廢水和廢氣處理設施和排放指標數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和故障預警，對可燃氣及有毒氣體檢測、消防報警系統(tǒng)進行集中監(jiān)控，提升安全、環(huán)保管理水平。

3 系統(tǒng)應用情況

3.1 生產(chǎn)管理改善

從生產(chǎn)管理角度看，系統(tǒng)對關鍵設備狀態(tài)和工藝參數(shù)、在制品數(shù)據(jù)、品質(zhì)數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等進行了實時監(jiān)控，各級管理層通過大屏、看板、PC端系統(tǒng)、手機APP可以實時掌握設備稼動率、計劃達成情況和品質(zhì)數(shù)據(jù)，緊急情況下系統(tǒng)還能通過預警平臺將數(shù)據(jù)發(fā)布到各級管理人員的移動終端，使公司對各種異?；蛲话l(fā)狀況進行調(diào)整及處理的效率顯著提高。

系統(tǒng)打通了MES、ERP、財務系統(tǒng)、工程設計系統(tǒng)等相關的生產(chǎn)經(jīng)營信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了跨平臺數(shù)據(jù)集成，打破了數(shù)據(jù)壁壘并解決了設備數(shù)據(jù)孤島問題。通過多維度的實時和歷史數(shù)據(jù)分析挖掘和透視，建立了可視化生產(chǎn)運營績效管理體系，將目標分解，讓全員參與，對未達標指標進行追蹤及預警，使績效管理實現(xiàn)閉環(huán)，為公司決策、生產(chǎn)運營、設備管理、現(xiàn)場管理提供了全方位的數(shù)據(jù)分析和決策支持，全面優(yōu)化了管理過程。

圖4 電腦端制造運營管理系統(tǒng)界面

3.2 產(chǎn)品研制周期縮短

通過MES與ERP和工程設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成，制造運營管理系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化選擇最優(yōu)的工藝流程、加工參數(shù)和物料配方，一次打樣通過率顯著提升；計劃排產(chǎn)模塊給出的合理設備排產(chǎn)和物料調(diào)配，大幅縮減工序流轉(zhuǎn)和料號切換過程中的等待時間，導致產(chǎn)品研制周期大幅縮短。

3.3 生產(chǎn)效率提升

在系統(tǒng)的監(jiān)控下，各設備按照標準工時的要求，快速完成生產(chǎn)、換板、告警處理、設備日保養(yǎng)等項目的內(nèi)容；系統(tǒng)采用標桿原則，參考歷史最短加工時間，進行嚴格管控，將相同產(chǎn)品和相近產(chǎn)品的生產(chǎn)耗時偏差控制在5%以內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)合產(chǎn)品特性、產(chǎn)品品質(zhì)數(shù)據(jù)、各類化驗數(shù)據(jù)、設備能力數(shù)據(jù)等，利用大數(shù)據(jù)技術動態(tài)生成最佳工藝參數(shù)并下發(fā)給設備，大幅提升了首板一次通過率，縮短了料號切換時間，提高了設備稼動率。

根據(jù)歷史大數(shù)據(jù)計算得到不同類型的產(chǎn)品在各工序上的標準工時，建立自動排產(chǎn)數(shù)學模型，每天每班自動生成最佳的各車間生產(chǎn)計劃、主要設備的生產(chǎn)計劃、原輔料調(diào)配計劃，減少設備待機時間，生產(chǎn)效率顯著提升。

3.4 產(chǎn)品良率提升

系統(tǒng)自動采集直接影響產(chǎn)品品質(zhì)的工藝參數(shù)，通過對關鍵參數(shù)的管控，對于工藝參數(shù)超標現(xiàn)象及時預警處理，減少了因參數(shù)設定問題帶來的批量性品質(zhì)問題。系統(tǒng)有物料防錯功能，對過期物料、產(chǎn)品超時進行管控，并嚴格監(jiān)控人員崗位技能資格、工治具使用次數(shù)、設備能力達標狀況及具體表現(xiàn)數(shù)據(jù)等，通過這些防錯與精細化管理方式，避免重大的品質(zhì)風險。

通過全流程追溯可以精準重現(xiàn)產(chǎn)品現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境，如設備、工藝參數(shù)以及品質(zhì)檢測結(jié)果等，對于產(chǎn)品的不良問題能夠進行快速準確定位，并采集及記錄不合格品處理的全過程，完成不良品的精準隔離和處置，減少了因為無法區(qū)分不良品和合格產(chǎn)品而將整批產(chǎn)品進行返工甚至報廢的現(xiàn)象，產(chǎn)品良率明顯提升。

4 結(jié)論

為了解決電路板企業(yè)在管理、品質(zhì)、成本等方面的難點痛點，我們研究了基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的電路板制造運營管理系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術與經(jīng)典管理理論、先進制造技術相融合，充分利用企業(yè)資源，實現(xiàn)提質(zhì)增效降本，為電路板企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字賦能提供了參考性建議。未來，隨著大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生和人工智能等新一代信息技術的不斷發(fā)展，IT與OT技術將深入融合互通，對電路板行業(yè)的數(shù)字賦能研究將不再局限于企業(yè)內(nèi)部的優(yōu)化提升，而是關注產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，打造行業(yè)數(shù)字經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)，進而改變制造模式，形成新的商業(yè)模式。