PCB智能工厂关键技术-设备自动化与数据采集

产业智能官

以下文章来源于新智造理想家 ，作者范立新

新智造理想家

聚焦制造，聚焦工厂数字化，聚焦制造运营管理硬核技术的推广

1、PCB智能制造面临的障碍

当前，有越来越多的PCB制造企业在规划自身发展的智能制造时间表，有些企业推崇通过局部设备的持续改造实现，有的企业希望通过新购一些工站智能化生产线实现，也有的企业制定了明确的工业4.0发展战略，通过投资新工厂直接按照智能制造的标准进行设计、设备采购和制程改善，让新工厂在投产时直接实现生产工艺流程高度自动化和柔性化，产品良率高且交付周期短。通过智能工厂项目的建设，业主均期望达到压缩生产周期，可追溯性强，毛利率高，盈利能力强的目标，从而促进企业实现数字化转型升级和品质跨越的战略。

然而在智能工厂项目推进的过程中也遇到了很多现实的挑战：

1

机台设备联网困难

• 机台缺乏标准化通讯接口，每台设备都要客制化专门的连接驱动程序或配置，联网成本投入大
• 机台程序进行了加密，设备无法输出资料，要输出资料需要支付机台供应商额外的高额费用
• 旧有设备没有数据采集传感器或PLC不能加装联网模块，不易扩展
• 机台联网程度低，致使工厂运作现况不透明，无法实现全制程的追溯

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是否该投资智能工厂项目

• 旧厂区设计受场地、空间或机台自身能力限制难以导入自动化
• 不易评估智能工厂投资效益，无法像购买设备一样精确的计算出ROI
• 对单台设备、单个自动化生产线及局部子系统可以实现整合，但对整厂缺乏生产数据整合与制程控制能力
• 受制于现有工厂投资及运行现状的困扰，难以拟定工厂智能制造或I4.0发展策略

3

企业缺少智能制造规划师或领军人物

• IT组织承担了大部分智能制造改造的项目，在ERP的基础上开发了车间管理模块，而且稳定运行十余年，IT团队是这些系统的建设者、开发者、拥护者
  
• 现有系统不能满足越来越多的汽车电子客户或者高端消费型电子客户严苛稽核的要求，但又难以割舍已用多年的老旧系统并投资新一代制造运营系统
  
• PCB智能工厂需要全制程、全设备、全流程的自动化，需要导入MES、WMS、AGV，甚至需要对现有工艺制程或设备进行颠覆性改造，需要从内部和外部整体供应链的角度设计和规划制造过程，一些企业缺少智能制造的规划者或领军人物
  
• IT团队、智能制造设备团队、工艺制程团队、物流仓储团队还不能高效、无障碍的协作为智能制造的新目标达成一致意见或者取得颠覆性突破

为了应对这些挑战，笔者通过本文就机台设备联网、数据采集与控制等专题展开介绍，以期对PCB智能制造的建设企业有所帮助。

2、EAP自动化机台联网的作用

为了更好的推进PCB设备整合的标准化和导入成熟的系统应用经验，首先为大家介绍EAP（Equipment Automatic Program设备自动化程序），EAP系统最早用于控制半导体设备进行自动化生产，与MES系统整合，校验产品信息，自动做账，同时收集产品生产过程中的制程数据和设备参数数据，帮助提高半导体工厂的生产效率，避免人工操作失误，提高产品良率，目前已经成为半导体制造业的标配系统。由于PCB的生产过程与半导体的制程有很多相似之处，目前正逐步被PCB行业协会、PCB设备供应商、PCB制造企业等广泛接受，用于收集、运算、整合PCB设备相关数据，将其上报至MES系统，或从MES系统获取数据下载至设备做处理、执行，从而建立机台与系统之间的Recipe、在制品等自动化数据采集、上下料、过站、程序下载的能力。

EAP系统主要实现如下功能：

● 与MES系统整合，自动校验产品生产信息和Recipe，自动过站（Track In/Track Out）。

● 预先支持SECS、PLC、OPC等通讯协议

● 与设备控制系统整合，Load/Unload Cassette, 选择Recipe，控制设备自动进行生产，同时跟踪产品整个的生产过程。

● 支持与RMS、APC系统整合，校验Recipe参数和微调Recipe参数。

● 支持与FDC系统整合，实时采集生产过程中的制程数据和设备参数数据。

● 实时采集设备状态数据和警报信息。

● 通过设备改造，支持非标设备接入EAP系统从而达到自动化生产。

● 提供EAP Monitor工具监控、维护EAP系统。

通过EAP系统的导入，可以帮助PCB制造企业打造四重境界：

第一重：数据采集

避免手工输入错误

减少数据录入时间

提供设备OEE数据

第二重：基础自动化

Recipe的选择和验证

避免机台Recipe设置错误

自动WIP在制品跟踪

改善质量和良率

第三重：高级自动化

设备控制，Run to Run，Recipe管理，

控制设备的启停

强制性验证

闭环反馈

第四重：全面自动化

新建智能工厂追求的最高境界

实现AMHS（Automatic Material Handing System）自动物料搬送

减少错误的批次匹配

减少搬送时间，提高生产效率

减少人为污染，增加存储空间

最少操作人员投入，降低生产成本

3、西门子自动化机台整合解决方案

针对机台设备数据采集与监控西门子在不同行业提供了不同的解决方案。

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SIMATIC WinCC(Windows Control Center)--视窗控制中心，西门子最经典的过程监视系统。作为西门子TIA（全集成自动化）理念中的关键组成之一，实现了自动化系统与IT系统之间的互联互通。WinCC能为工业领域提供完备的监控与数据采集（SCADA）功能，同时远远超越传统SCADA系统的范畴，支撑了更多聚焦于生产线和车间的“透明化运营管理”功能，帮助企业实实在在地解决在生产制造环节的“数从何来”“数存何处”“数有何用”的基础问题，助力企业实现终极“数字化”。

SIMATIC WinCC，适用于任何行业任何应用的正确系统。从移动端访问所有终端设备，提取智能数据，分析数据并进行报告，通过可调整的开放式系统，与未来接轨。目前Simatic Wincc已经在汽车制造、冶金、食品饮料、能源、矿业等众多行业得到广泛应用.

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半导体、太阳能、PCB行业解决方案：PAC

西门子PAC解决方案源自Camstar时代与znt-Richter公司的的合作。znt-Richter（https://www.znt-richter.com/）是一家全球性的IT公司。在过去的30多年里，znt（znt-Richter集团的成员）已成功开发出适用于制造行业的软件解决方案，帮助客户提高生产工艺和产品质量，确保其符合严格的法律规定。通过增强生产过程的可视性和控制能力，有助于客户优化资源配置，降低生产运营成本，提高生产量和新产品直通率，以及加速创新。PAC即是znt公司的拳头产品，它已经实现与西门子Opcenter Execution Semiconductor的无缝集成，并可以与其一起配置销售。

pac是一个强大的、开放的设备集成解决方案平台，广泛应用在医疗设备、半导体、太阳能、电子制造和其他高科技行业。

pac与车间MES系统连接，通过预配置和可扩展的插件来建立设备、MES、数据库系统、配方管理系统、设备工程系统和制程控制系统之间的通信。通过这个集成平台，可以把MES的数据与生产过程整合起来。

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SMT解决方案：Valor IoT

Valor IoT来自于Mentor Graphics，该公司集中了超过15年的专业电子装配制造系统软件的研发经验，最新研发了新一代信息数据互联系统，继承了功能强大的专业软硬件，以OML的通讯标准，将PCBA产业链中的各种设备与各个流程的各种复杂多变的信息数据进行标准化后，通过这一专业平台进行信息互联，数据互换。使得智能工厂的各个单位之间，管理层级之间，流程之间可便捷的进行数据互联，从而一劳永逸地解决了电子装配智能制造中最大的障碍-信息互联。可为所有现场设备、物料管理、产品品质、可追溯性、以及全球的供应链运营提供可视化能力，进而提升整个供应链的运作效能，以此即插即用的系统为基础，可立即开启PCBA电子装配制造企业工业4.0之路。

此外西门子也推出Valor IoT制造分析解决方案（IoT Manufacturing Analysics），完备的大数据分析与商业智能平台，可用来监控及管理全球电子制造的运营，已实现准确、实时的制造利用率以及设备OEE。

备注：

2016年11月，西门子宣布以45亿美元现金的价格收购Mentor Graphics，Mentor Graphics是目前电子设计自动化(EDA)行业三大巨头之一，其业务覆盖从集成电路(IC)和系统单芯片(SoC)设计到汽车电子设计解决方案等广泛领域。

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云端IIoT解决方案：Mindsphere MindConnect Nano

MindSphere是西门子推出的基于云的开放式物联网操作系统，自2016年4月发布以来受到了行业的广泛关注。MindSphere之所以有着强大的行业影响力就在于西门子不但在构建工业互联网理念，而且有着比较广泛的行业应用实践，包括一系列数字化工厂和无人工厂都是以MindSphere平台为核心构建。

对工业设备的数据采集，西门子提供了一个MindConnect的工具盒子，可以让设备轻松连接入网。在这里可以找到Nano这种即插即用的工具，而配套的网关、软件也都使得连接变得容易，并且可以轻松集成到MES软件上。当然，这个即插即用目前是有限制条件的，要么设备支持西门子S7的通讯协议，要么支持OPC UA这个新一代通讯协议。当然Nano应该只是一个面向既有产品的过渡手段，而对于西门子新自动化设备而言，这种工具干脆就会直接成为数字化设备的一部分。

MindConnect Nano实质上是一款嵌入式工控机，通过预先进行配置的方式与MindSphere进行连接通讯。在硬件上支持的接口主要包括USB、PCIe插槽、串口以及以太网口。支持的通讯协议包括西门子S7系列的以太网通讯协议以及OPC UA。Nano能够通过安全的网络连接向MindSphere传输加密数据，保证数据安全。Nano只能与MindSphere共同使用。

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Nano扮演的角色类似于位于云平台和现场设备之间的工业网关，既完成数据采集（包括建立通讯），又完成数据向云端的加密传输。

MindSphere平台主要依托Nano这一网关型硬件产品，向上与MindSphere的云端进行连接，向下与西门子的众多具有以太网通讯能力的硬件产品、以及支持通用协议的其他品牌产品进行通讯，完成数据采集与传输。如果设备的通讯协议比较特殊，用户可以基于Nano中的开源软件自行开发设备通讯与数据采集程序。

4、西门子PAC EAP设备自动化方案

有些行业的设备集成标准已经建立起来了，并应用了多年（例如SECS / GEM，ModBus等等），基于这些设备标准，pac开发出标准的业务逻辑，可以作为行业自动化控制的基础；pac支持多种传输协议标准，如SECS / GEM，OPC，现场公共总线或专有接口如TCP / IP，串行通信或文件传输等等；pac处理或者预处理生产、量测和来自设备的数据，供其他系统使用；内置的临时数据存储器允许不同的数据转换，譬如，收集设备生产过程中的数据，把这些数据（以累积或详细的格式）转发给MES或其他系统；pac也支持设备状态的可视化。

pac与MES之间的通信是双向的。除了发送数据给MES，pac也可以接收来自MES的指令——执行定义在MES的逻辑，例如配方下载等等。收到MES指令后，pac会被触发，进而向设备发送相应的控制命令。

pac的管理平台是可配置型的，其树状结构类似于Windows的资源管理器。通过配置可以满足大多数客户的需求，无需代码编程。此外，pac脚本框架也可以帮助客户实现特定的业务流程或其他连接。

pac采用的是Java和Spring技术以及消息总线架构，支持平台独立（可以运行在多种硬件平台和操作系统上），实现快速、简单的调整，轻松扩展。

通过PAC EAP系统的导入可以帮助企业达成以下目标：

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设备自动化结合了设备、控制系统和信息技术，其主要目标是优化生产、提升产品品质和提供更好的服务。实施自动化的正确动机是为了提高生产力，和超越当前人类劳动所能达到的质量，实现经济规模化，和/或提供可预见的质量水平的产品，最终实现良率提升和柔性保障。

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降低设备或产线宕机成本和修复成本

在智能工厂环境下，如果关键设备不能正常运转，工厂的生产就会陷入停顿，从而影响到对客户承诺的交付，最终会对企业的现金流和收入带来不利影响。在一个典型的半导体晶圆厂（基于2000年的数据），据估计，关键的生产设备停机每小时相当于100,000美元的损失；反之亦然，降低关键设备1%的停机时间。可以提高收入、增加机会和节约近100,000,000美元的成本。此类宕机状况在高度自动化的PCB工厂依然应当得到重视。

全制程实时自动化数据采集

• 自动收集设备数据
• 信息准确客观
• 不依赖操作员
• 宕机日志 – 详细的宕机报告（原因代码）
• 历史数据分析
• 查看实时的设备性能
• 主动而不是被动报警
• 自动显示OEE指标
• 减少了对生产作业的影响
• 可连接任何机台
• 监控设备事件
• 自动发送作业完成的事件给MES

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降低人为污染带来报废或不良风险。

随着PCB设计与制造对短效轻薄及高密度要求的提升，PCB制造对无尘室的洁净要求在逐步向半导体产业靠拢，对无尘室的无尘度不断提出新的要求，而无尘室作为寸土寸金之地，工厂不可能无限制的增加无尘室的面积来满足生产要求，EAP可以帮助企业打通物流系统，实现自动物料搬送，减少因物料存储而挤占设备空间，提高生产设备的利用率。同时减少人员活动，以极大程度的保障无尘室的洁净环境。

目前西门子PAC已在数十家跨国型半导体企业成功推广和应用。在过去PCB行业没有所谓的通讯标准，2019年9月在TPCA的努力下，已经将这PCB机台通讯标准纳入到了SEMI的正式标准中，形成SEMI A3 PCBECI-PCB Equipment Communication Interface。这一举措将大大促进PCB设备通讯的标准化推广。也使得EAP系统在从半导体业向PCB业成功导入和复制半导体制造业的先进经验成为可能。

西门子PAC EAP设备自动化系统可以用于半导体制造、PCB制造、太阳能制造、医疗器械制造等多个业务领域，为企业设备标准化、自动化、智能化提供一劳永逸的平台级开放式解决方案。

5、西门子PCBA IoT解决方案

对于大多数FCB柔性电路板的制造，后端会伴随着SMT生产的工艺，为了更好的整合SMT设备，实现从PCB到PCBA的电子组装等设备的整合与数据采集的全线贯通，西门子还提供了Valor IoT智能制造信息互联系统。

Valor IoT智能制造信息互联系统可直接与SMT生产线的各个设备：贴片机、印刷机、回流炉、AOI、SPI等检测设备，以及各人工站点，返修工站等进行数据信息互联。因此，可直接进行设备、流程管控。同时，将数据信息以OML的标准输出，可直接被MES、ERP、供应链管理、PLM等系统使用。

Valor IoT解决方案的核心是两套盒子：

●白色盒子为Data Acquisition Unit (DAU)，即数据采集单元。作为前端的连接设备部署在生产层，直接与设备及生产线连接，主要功能是从产线采集数据，包括贴片机、丝网印刷机、回流焊炉、检验和试验设备，以及手动操作等系统，并对数据进行标准化规整。同时还可以根据接收到的应用指令来控制机器运行。

●黑色盒子为System Processing Unit (SPU)，即系统处理单元。这是一个简单的即插即用硬件解决方案，作为工厂的一个网关和线路控制器部署在网络层。主要功能是接收和处理来自生产层中各种物联设备产生的各种数据并生成线性仪表板，同时作为中心节点对物联设备进行管理并分配角色。

通过部署这两套盒子，企业可以完成数据采集和产线管控的整个过程。企业可以根据梳理的数据采集需求，将需要采集的设备及产品直接与Data Acquisition Unit (DAU)相连，可以通过数据线连接也可以通过传感器实现无线连接，每条产线可分不同的DAU设备部署。DAU采集了数据之后直接转换为基于OML（电子生产制造通信协议）的标准化数据，通过不同的产线标记进行数据归类，由黑色盒子单元System Processing Unit (SPU)接收和处理，完成数据的准确性验证，最后通过工厂网关来进行统一的数据分配。

需要强调的是，与传统的SCADA与MES对接有所不同，Valor IoT不仅可以能实现与上层MES的数据对接，还可提供一套基于OML协议的SDK开发环境，企业可以通过提供的API接口，进而简单的二次开发就能实现与ERP、CRM、PLM等上层应用系统的直接对接。这种应用方式极大的降低了系统之间的集成难度，减少了对复杂系统的二次开发过程。

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6、寄语

“ PCB智能工厂的实现离不开设备的高度自动化、数字化、智能化，需要设备本身具有很好系统开放性，以便PCB设备业主在规划智能工厂时进行集成整合。对于新开发设备建议直接支持SEMI A3 PCBECI-PCB Equipment Communication Interface，对于老旧型号建议积极为PCB设备业主打开通讯端口，提高设备利用效能，充分发挥自动化及制程控制优势，降低老旧工厂及新工厂的智能制造建设成本，为智造铺路，持续扩大您所服务的客户群。

寄设备供应商

开放、互联、智能、高效，降低设备整合成本”

“ 建设PCB智能工厂是一项极其复杂系统工程，不仅仅是实施MES和EAP系统就可以达成效果，亦不仅仅是导入了大量的机械手机器人、AGV就可以将良率做到99%，需要在建厂之初就通盘考虑设备、制程、自动化物流搬送、工序级作业调度、加药、污水处理、能源、厂房、系统整合等一系列要素，它们既相互依存又相互制约的存在，要让这所有的要素有内在智造灵魂及和谐的存在。

寄智能制造规划者

高透明，高柔性，高良率，高产能，将工厂、设备、制程、物流发挥到极致”

作者，范立新，西门子数字工业软件，半导体及快消品行业技术主管

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