產業智能官
以下文章來源於新智造理想家 ，作者范立新
新智造理想家
聚焦製造，聚焦工廠數字化，聚焦製造運營管理硬核技術的推廣
原創 范立新 新智造理想家
1、PCB智能製造面臨的障礙
當前，有越來越多的PCB製造企業在規劃自身發展的智能製造時間表，有些企業推崇通過局部設備的持續改造實現，有的企業希望通過新購一些工站智能化生產線實現，也有的企業制定了明確的工業4.0發展戰略，通過投資新工廠直接按照智能製造的標準進行設計、設備採購和製程改善，讓新工廠在投產時直接實現生產工藝流程高度自動化和柔性化，產品良率高且交付周期短。通過智能工廠項目的建設，業主均期望達到壓縮生產周期，可追溯性強，毛利率高，盈利能力強的目標，從而促進企業實現數字化轉型升級和品質跨越的戰略。
然而在智能工廠項目推進的過程中也遇到了很多現實的挑戰：
1
機台設備聯網困難
- 機台缺乏標準化通訊接口，每台設備都要客制化專門的連接驅動程序或配置，聯網成本投入大
- 機台程序進行了加密，設備無法輸出資料，要輸出資料需要支付機台供應商額外的高額費用
- 舊有設備沒有數據採集傳感器或PLC不能加裝聯網模塊，不易擴展
- 機台聯網程度低，致使工廠運作現況不透明，無法實現全製程的追溯
2
是否該投資智能工廠項目
- 舊廠區設計受場地、空間或機台自身能力限制難以導入自動化
- 不易評估智能工廠投資效益，無法像購買設備一樣精確的計算出ROI
- 對單台設備、單個自動化生產線及局部子系統可以實現整合，但對整廠缺乏生產數據整合與製程控制能力
- 受制於現有工廠投資及運行現狀的困擾，難以擬定工廠智能製造或I4.0發展策略
3
企業缺少智能製造規劃師或領軍人物
- IT組織承擔了大部分智能製造改造的項目，在ERP的基礎上開發了車間管理模塊，而且穩定運行十餘年，IT團隊是這些系統的建設者、開發者、擁護者
- 現有系統不能滿足越來越多的汽車電子客戶或者高端消費型電子客戶嚴苛稽核的要求，但又難以割捨已用多年的老舊系統並投資新一代製造運營系統
- PCB智能工廠需要全製程、全設備、全流程的自動化，需要導入MES、WMS、AGV，甚至需要對現有工藝製程或設備進行顛覆性改造，需要從內部和外部整體供應鏈的角度設計和規劃製造過程，一些企業缺少智能製造的規劃者或領軍人物
- IT團隊、智能製造設備團隊、工藝製程團隊、物流倉儲團隊還不能高效、無障礙的協作為智能製造的新目標達成一致意見或者取得顛覆性突破
為了應對這些挑戰，筆者通過本文就機台設備聯網、數據採集與控制等專題展開介紹，以期對PCB智能製造的建設企業有所幫助。
2、EAP自動化機台聯網的作用
為了更好的推進PCB設備整合的標準化和導入成熟的系統應用經驗，首先為大家介紹EAP（Equipment Automatic Program設備自動化程序），EAP系統最早用於控制半導體設備進行自動化生產，與MES系統整合，校驗產品信息，自動做帳，同時收集產品生產過程中的製程數據和設備參數數據，幫助提高半導體工廠的生產效率，避免人工操作失誤，提高產品良率，目前已經成為半導體製造業的標配系統。由於PCB的生產過程與半導體的製程有很多相似之處，目前正逐步被PCB行業協會、PCB設備供應商、PCB製造企業等廣泛接受，用於收集、運算、整合PCB設備相關數據，將其上報至MES系統，或從MES系統獲取數據下載至設備做處理、執行，從而建立機台與系統之間的Recipe、在制品等自動化數據採集、上下料、過站、程序下載的能力。
EAP系統主要實現如下功能：
● 與MES系統整合，自動校驗產品生產信息和Recipe，自動過站（Track In/Track Out）。
● 預先支持SECS、PLC、OPC等通訊協議
● 與設備控制系統整合，Load/Unload Cassette, 選擇Recipe，控制設備自動進行生產，同時跟蹤產品整個的生產過程。
● 支持與RMS、APC系統整合，校驗Recipe參數和微調Recipe參數。
● 支持與FDC系統整合，實時採集生產過程中的製程數據和設備參數數據。
● 實時採集設備狀態數據和警報信息。
● 通過設備改造，支持非標設備接入EAP系統從而達到自動化生產。
● 提供EAP Monitor工具監控、維護EAP系統。
通過EAP系統的導入，可以幫助PCB製造企業打造四重境界：
第一重：數據採集
避免手工輸入錯誤
減少數據錄入時間
提供設備OEE數據
第二重：基礎自動化
Recipe的選擇和驗證
避免機台Recipe設置錯誤
自動WIP在制品跟蹤
改善質量和良率
第三重：高級自動化
設備控制，Run to Run，Recipe管理，
控制設備的啟停
強制性驗證
閉環反饋
第四重：全面自動化
新建智能工廠追求的最高境界
實現AMHS（Automatic Material Handing System）自動物料搬送
減少錯誤的批次匹配
減少搬送時間，提高生產效率
減少人為污染，增加存儲空間
最少操作人員投入，降低生產成本
3、西門子自動化機台整合解決方案
針對機台設備數據採集與監控西門子在不同行業提供了不同的解決方案。
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通用解決方案：WinCC SCADA數據採集與監控
SIMATIC WinCC(Windows Control Center)--視窗控制中心，西門子最經典的過程監視系統。作為西門子TIA（全集成自動化）理念中的關鍵組成之一，實現了自動化系統與IT系統之間的互聯互通。WinCC能為工業領域提供完備的監控與數據採集（SCADA）功能，同時遠遠超越傳統SCADA系統的範疇，支撐了更多聚焦於生產線和車間的「透明化運營管理」功能，幫助企業實實在在地解決在生產製造環節的「數從何來」「數存何處」「數有何用」的基礎問題，助力企業實現終極「數字化」。
SIMATIC WinCC，適用於任何行業任何應用的正確係統。從移動端訪問所有終端設備，提取智能數據，分析數據並進行報告，通過可調整的開放式系統，與未來接軌。目前Simatic Wincc已經在汽車製造、冶金、食品飲料、能源、礦業等眾多行業得到廣泛應用.
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半導體、太陽能、PCB行業解決方案：PAC
西門子PAC解決方案源自Camstar時代與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。在過去的30多年裡，znt（znt-Richter集團的成員）已成功開發出適用於製造行業的軟體解決方案，幫助客戶提高生產工藝和產品質量，確保其符合嚴格的法律規定。通過增強生產過程的可視性和控制能力，有助於客戶優化資源配置，降低生產運營成本，提高生產量和新產品直通率，以及加速創新。PAC即是znt公司的拳頭產品，它已經實現與西門子Opcenter Execution Semiconductor的無縫集成，並可以與其一起配置銷售。
pac是一個強大的、開放的設備集成解決方案平台，廣泛應用在醫療設備、半導體、太陽能、電子製造和其他高科技行業。
pac與車間MES系統連接，通過預配置和可擴展的插件來建立設備、MES、資料庫系統、配方管理系統、設備工程系統和製程控制系統之間的通信。通過這個集成平台，可以把MES的數據與生產過程整合起來。
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SMT解決方案：Valor IoT
Valor IoT來自於Mentor Graphics，該公司集中了超過15年的專業電子裝配製造系統軟體的研發經驗，最新研發了新一代信息數據互聯繫統，繼承了功能強大的專業軟硬體，以OML的通訊標準，將PCBA產業鏈中的各種設備與各個流程的各種複雜多變的信息數據進行標準化後，通過這一專業平台進行信息互聯，數據互換。使得智能工廠的各個單位之間，管理層級之間，流程之間可便捷的進行數據互聯，從而一勞永逸地解決了電子裝配智能製造中最大的障礙-信息互聯。可為所有現場設備、物料管理、產品品質、可追溯性、以及全球的供應鏈運營提供可視化能力，進而提升整個供應鏈的運作效能，以此即插即用的系統為基礎，可立即開啟PCBA電子裝配製造企業工業4.0之路。
此外西門子也推出Valor IoT製造分析解決方案（IoT Manufacturing Analysics），完備的大數據分析與商業智能平台，可用來監控及管理全球電子製造的運營，已實現準確、實時的製造利用率以及設備OEE。
備註：
2016年11月，西門子宣布以45億美元現金的價格收購Mentor Graphics，Mentor Graphics是目前電子設計自動化(EDA)行業三大巨頭之一，其業務覆蓋從集成電路(IC)和系統單晶片(SoC)設計到汽車電子設計解決方案等廣泛領域。
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雲端IIoT解決方案：Mindsphere MindConnect Nano
MindSphere是西門子推出的基於雲的開放式物聯網作業系統，自2016年4月發布以來受到了行業的廣泛關注。MindSphere之所以有著強大的行業影響力就在於西門子不但在構建工業網際網路理念，而且有著比較廣泛的行業應用實踐，包括一系列數字化工廠和無人工廠都是以MindSphere平台為核心構建。
對工業設備的數據採集，西門子提供了一個MindConnect的工具盒子，可以讓設備輕鬆連接入網。在這裡可以找到Nano這種即插即用的工具，而配套的網關、軟體也都使得連接變得容易，並且可以輕鬆集成到MES軟體上。當然，這個即插即用目前是有限制條件的，要麼設備支持西門子S7的通訊協議，要麼支持OPC UA這個新一代通訊協議。當然Nano應該只是一個面向既有產品的過渡手段，而對於西門子新自動化設備而言，這種工具乾脆就會直接成為數字化設備的一部分。
MindConnect Nano實質上是一款嵌入式工控機，通過預先進行配置的方式與MindSphere進行連接通訊。在硬體上支持的接口主要包括USB、PCIe插槽、串口以及乙太網口。支持的通訊協議包括西門子S7系列的乙太網通訊協議以及OPC UA。Nano能夠通過安全的網絡連接向MindSphere傳輸加密數據，保證數據安全。Nano只能與MindSphere共同使用。
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Nano扮演的角色類似於位於雲平台和現場設備之間的工業網關，既完成數據採集（包括建立通訊），又完成數據向雲端的加密傳輸。
MindSphere平台主要依託Nano這一網關型硬體產品，向上與MindSphere的雲端進行連接，向下與西門子的眾多具有乙太網通訊能力的硬體產品、以及支持通用協議的其他品牌產品進行通訊，完成數據採集與傳輸。如果設備的通訊協議比較特殊，用戶可以基於Nano中的開源軟體自行開發設備通訊與數據採集程序。
4、西門子PAC EAP設備自動化方案
有些行業的設備集成標準已經建立起來了，並應用了多年（例如SECS / GEM，ModBus等等），基於這些設備標準，pac開發出標準的業務邏輯，可以作為行業自動化控制的基礎；pac支持多種傳輸協議標準，如SECS / GEM，OPC，現場公共總線或專有接口如TCP / IP，串行通信或文件傳輸等等；pac處理或者預處理生產、量測和來自設備的數據，供其他系統使用；內置的臨時數據存儲器允許不同的數據轉換，譬如，收集設備生產過程中的數據，把這些數據（以累積或詳細的格式）轉發給MES或其他系統；pac也支持設備狀態的可視化。
pac與MES之間的通信是雙向的。除了發送數據給MES，pac也可以接收來自MES的指令——執行定義在MES的邏輯，例如配方下載等等。收到MES指令後，pac會被觸發，進而向設備發送相應的控制命令。
pac的管理平台是可配置型的，其樹狀結構類似於Windows的資源管理器。通過配置可以滿足大多數客戶的需求，無需代碼編程。此外，pac腳本框架也可以幫助客戶實現特定的業務流程或其他連接。
pac採用的是Java和Spring技術以及消息總線架構，支持平台獨立（可以運行在多種硬體平台和作業系統上），實現快速、簡單的調整，輕鬆擴展。
通過PAC EAP系統的導入可以幫助企業達成以下目標：
1
實現生產加工自動化，提高製程效率，縮短製造周期，提高產能和客戶滿意度。
設備自動化結合了設備、控制系統和信息技術，其主要目標是優化生產、提升產品品質和提供更好的服務。實施自動化的正確動機是為了提高生產力，和超越當前人類勞動所能達到的質量，實現經濟規模化，和/或提供可預見的質量水平的產品，最終實現良率提升和柔性保障。
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降低設備或產線宕機成本和修復成本
在智能工廠環境下，如果關鍵設備不能正常運轉，工廠的生產就會陷入停頓，從而影響到對客戶承諾的交付，最終會對企業的現金流和收入帶來不利影響。在一個典型的半導體晶圓廠（基於2000年的數據），據估計，關鍵的生產設備停機每小時相當於100,000美元的損失；反之亦然，降低關鍵設備1%的停機時間。可以提高收入、增加機會和節約近100,000,000美元的成本。此類宕機狀況在高度自動化的PCB工廠依然應當得到重視。
3
全製程實時自動化數據採集
- 自動收集設備數據
- 信息準確客觀
- 不依賴操作員
- 宕機日誌 – 詳細的宕機報告（原因代碼）
- 歷史數據分析
- 查看實時的設備性能
- 主動而不是被動報警
- 自動顯示OEE指標
- 減少了對生產作業的影響
- 可連接任何機台
- 監控設備事件
- 自動發送作業完成的事件給MES
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降低人為污染帶來報廢或不良風險。
隨著PCB設計與製造對短效輕薄及高密度要求的提升，PCB製造對無塵室的潔凈要求在逐步向半導體產業靠攏，對無塵室的無塵度不斷提出新的要求，而無塵室作為寸土寸金之地，工廠不可能無限制的增加無塵室的面積來滿足生產要求，EAP可以幫助企業打通物流系統，實現自動物料搬送，減少因物料存儲而擠占設備空間，提高生產設備的利用率。同時減少人員活動，以極大程度的保障無塵室的潔凈環境。
目前西門子PAC已在數十家跨國型半導體企業成功推廣和應用。在過去PCB行業沒有所謂的通訊標準，2019年9月在TPCA的努力下，已經將這PCB機台通訊標準納入到了SEMI的正式標準中，形成SEMI A3 PCBECI-PCB Equipment Communication Interface。這一舉措將大大促進PCB設備通訊的標準化推廣。也使得EAP系統在從半導體業向PCB業成功導入和複製半導體製造業的先進經驗成為可能。
西門子PAC EAP設備自動化系統可以用於半導體製造、PCB製造、太陽能製造、醫療器械製造等多個業務領域，為企業設備標準化、自動化、智能化提供一勞永逸的平台級開放式解決方案。
5、西門子PCBA IoT解決方案
對於大多數FCB柔性電路板的製造，後端會伴隨著SMT生產的工藝，為了更好的整合SMT設備，實現從PCB到PCBA的電子組裝等設備的整合與數據採集的全線貫通，西門子還提供了Valor IoT智能製造信息互聯繫統。
Valor IoT智能製造信息互聯繫統可直接與SMT生產線的各個設備：貼片機、印刷機、回流爐、AOI、SPI等檢測設備，以及各人工站點，返修工站等進行數據信息互聯。因此，可直接進行設備、流程管控。同時，將數據信息以OML的標準輸出，可直接被MES、ERP、供應鏈管理、PLM等系統使用。
Valor IoT解決方案的核心是兩套盒子：
●白色盒子為Data Acquisition Unit (DAU)，即數據採集單元。作為前端的連接設備部署在生產層，直接與設備及生產線連接，主要功能是從產線採集數據，包括貼片機、絲網印刷機、回流焊爐、檢驗和試驗設備，以及手動操作等系統，並對數據進行標準化規整。同時還可以根據接收到的應用指令來控制機器運行。
●黑色盒子為System Processing Unit (SPU)，即系統處理單元。這是一個簡單的即插即用硬體解決方案，作為工廠的一個網關和線路控制器部署在網絡層。主要功能是接收和處理來自生產層中各種物聯設備產生的各種數據並生成線性儀錶板，同時作為中心節點對物聯設備進行管理並分配角色。
通過部署這兩套盒子，企業可以完成數據採集和產線管控的整個過程。企業可以根據梳理的數據採集需求，將需要採集的設備及產品直接與Data Acquisition Unit (DAU)相連，可以通過數據線連接也可以通過傳感器實現無線連接，每條產線可分不同的DAU設備部署。DAU採集了數據之後直接轉換為基於OML（電子生產製造通信協議）的標準化數據，通過不同的產線標記進行數據歸類，由黑色盒子單元System Processing Unit (SPU)接收和處理，完成數據的準確性驗證，最後通過工廠網關來進行統一的數據分配。
需要強調的是，與傳統的SCADA與MES對接有所不同，Valor IoT不僅可以能實現與上層MES的數據對接，還可提供一套基於OML協議的SDK開發環境，企業可以通過提供的API接口，進而簡單的二次開發就能實現與ERP、CRM、PLM等上層應用系統的直接對接。這種應用方式極大的降低了系統之間的集成難度，減少了對複雜系統的二次開發過程。
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6、寄語
「 PCB智能工廠的實現離不開設備的高度自動化、數字化、智能化，需要設備本身具有很好系統開放性，以便PCB設備業主在規劃智能工廠時進行集成整合。對於新開發設備建議直接支持SEMI A3 PCBECI-PCB Equipment Communication
Interface，對於老舊型號建議積極為PCB設備業主打開通訊埠，提高設備利用效能，充分發揮自動化及製程控制優勢，降低老舊工廠及新工廠的智能製造建設成本，為智造鋪路，持續擴大您所服務的客戶群。
寄設備供應商
開放、互聯、智能、高效，降低設備整合成本」
「 建設PCB智能工廠是一項極其複雜系統工程，不僅僅是實施MES和EAP系統就可以達成效果，亦不僅僅是導入了大量的機械手機器人、AGV就可以將良率做到99%，需要在建廠之初就通盤考慮設備、製程、自動化物流搬送、工序級作業調度、加藥、污水處理、能源、廠房、系統整合等一系列要素，它們既相互依存又相互制約的存在，要讓這所有的要素有內在智造靈魂及和諧的存在。
寄智能製造規劃者
高透明，高柔性，高良率，高產能，將工廠、設備、製程、物流發揮到極致」
作者，范立新，西門子數字工業軟體，半導體及快消品行業技術主管