基于物联网和大数据的电路板制造运营管理系统的研究与应用

何立发，龙文卿，潘春荣，岳林，李泽勤

（1.龙南骏亚精密电路有限公司，江西 赣州 341700；2.江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000）

0 引言

为应对新一轮科技革命和产业变革，物联网、大数据、云计算等数字技术日渐成熟，全球经济逐渐开始向数字经济转型[1]。面对新技术革命和产业变革带来的激烈竞争和千变万化的市场需求，特别是新冠肺炎疫情对全球制造业产生的深刻影响，亟须推动我国传统制造业的优化升级，通过数字化技术对传统制造业赋能，使我国制造业从全球价值链分工中的低端向高端跃进[2]。

在数字技术对传统制造业赋能的实践中，物联网技术是制造业数字赋能的基础，它通过各种传感器技术感知实物，借由网络进行实时通讯和反馈控制[3]。大数据技术是制造业数字赋能的核心，可帮助企业全面深入地了解生产、设备、品质和能耗等方面的现状和问题，进而优化产品设计、生产过程、工艺流程和计划排产等核心制造环节，是提升制造业生产力、竞争力、创新力的关键要素[4]。

随着市场经济的成熟和发展，对电路板制造业管理而言，客户需求变得越来越快，产品多样化、小批量和短生命周期的现象日趋增多。传统的人工收集设备和品质信息，人工调取加工参数，人工编制生产计划的管理模式面临着设备稼动率较低、能源利用率较低、工人数量较多、报废率较高等问题，加上用工成本和原材料价格的不断上升，使企业面临着巨大的经营压力[5]。

基于上述因素，很多电路板企业开始在自动化改造和借助ERP、MES系统等方面寻求改善，但碰到了很多难题，如设备状态参数和运行参数未实时采集，各IT系统的数据未实现有效集成，未实现全生产流程透明化和追溯，大数据分析和人工智能等新技术应用较少，导致行业难点痛点得不到解决[6]。

1 系统设计

自主研究开发的基于物联网和大数据的电路板制造运营管理系统遵循“以目标为导向、以逻辑为支撑、以标准为基础、向数据要财富”的原则，采用工业PON、5G等新技术改造内网，通过将大数据、云计算、人工智能等信息技术与制造技术相融合，对工厂进行数字化、智能化升级，实现关键设备数据提取和监控管理，实现产品全流程追溯，进行大数据分析，优化计划排产和生产过程，充分利用企业资源，最终起到提升产品质量，提高生产效率，降低运营成本的作用。

系统采用数据采集+数据管理+数据应用的整体系统架构，端管云一体协同，实现企业数据的采集、汇聚、管理及应用，总体构架可以分为五层：数据采集层、网络传输层、物联管理层、工业平台层、企业应用层，整体技术架构如图1所示。

图1 制造运营管理系统整体架构图

1.1 数据采集层

电路板工厂使用大量的用于生产及检测、产品标识解析、物流、水电气计量、监控等的设备，种类繁多、复杂，对不具备通讯功能的部分设备加装网络扩展模块后，通过硬连接和软连接两种方式实现关键设备的数据采集。硬连接是指直接连接控制设备的PLC、I/O控制卡、各类传感器以及其他硬件如智能网关、扩展模块等，软连接是指通过设备的工控系统、设备数据库、操作日志等以软件方式进行系统对接和数据采集。

1.2 网络传输层

网络传输是工厂主要设备信息化的基础，包括工厂内设备与服务器、内网、外网间的数据传输，工厂内网与外网间的交互，移动端对工厂内网的访问等。系统利用工业PON、工业WIFI和5G改造内网，实时准确地实现现场数据的上传和系统控制指令的下达。工业PON在工业互联网体系架构中处于车间级网络位置，通过工业级ONU设备实现光网络到设备层的连接，通过ODN实现工业设备数据、生产数据等到OLT的汇聚，最终通过OLT与企业网络的对接，从而实现产线数据到企业IT系统的可靠传输。网络层采用双核心设计，两台核心交换机通过虚拟化技术虚拟成一台逻辑设备，简化拓扑，提升可靠性，实现毫秒级的故障恢复。

1.3 物联管理层

在物联管理层搭建统一的在线可扩展的物联平台，具备大量电路板行业常用设备的数据采集驱动程序。新设备在接入网络传输层后，对没有现成驱动的新设备，需要开发对应的设备驱动插入到物联平台，并配置驱动和地址信息实现数据的采集；已有驱动的同类设备需要配置驱动和地址信息实现连接。通过该平台可大大减小开发的工作量，方便用户维护，接入新设备时可以正常采集数据。物联平台采集到的数据存储在设备数据库、生产数据库和日志数据库等数据库中。

1.4 工业平台层

工业平台层主要包括工业云平台，通过虚拟化、云计算技术，将硬件、软件有效集中形成IaaS资源池，按需提供服务，实现业务快速上线和网络、安全、计算、存储等资源的弹性扩展，形成高效、便捷、可靠的企业级云服务架构，以信息安全等级保护为指导，从网络、主机、应用、数据等多维度进行安全考虑，建设纵深安全防御体系。工业平台层以Web API接口与中间表等方式对外部提供数据对接，是串联企业各项业务系统相互协同、各类生产设备与控制系统信息交互等工作的基础。

1.5 企业应用层

基于信息化的联网设备以及总体中控平台、各车间中控平台，在应用层进行制造运营管理的应用开发与部署，以交互的形式完成使用者对工厂的感知与管理。制造运营管理应用主要分为感知应用、分析应用、报警应用与远程控制应用。通过数据可视化和多终端支持技术，实现服务运维的各类视图，满足不同场景下的业务需求。同时利用设备模板、组态设计、视图设计、报表引擎等工具，封装上层的业务功能，提供计划排产、设备管理、生产管理、品质管理、仓库管理、资源管理、绩效管理、预警告警、报表管理等服务功能。

系统基于MVVM+SOA的架构，业务逻辑主要集中在业务功能组件，前端展示支持电脑、手机、PDA以及平板电脑等。系统采用SqlSugar ORM框架，支持SQL Server、Oracle以及MySQL等主流数据库，实现数据库无缝切换。所有服务采用高效率的WCF通信协议，同时使用高倍率的数据压缩技术。系统以微软.NET架构为基础，为各类业务插件提供工业级的创建、执行平台，以及低成本的扩展方式，为信息管理团队提供面向客户需求的快速建模方法论以及技术实现手段，解决用户“个性化需求与通用系统的通用性”之间的矛盾以及实施系统后“用户需求的快速变化性与通用系统的相对稳定性”之间的矛盾。

2 系统主要功能

2.1 设备管理

设备管理模块建立详细的可动态维护的设备档案，借助设备物联平台实现关键设备的状态监控和工艺、品质数据的采集，对影响品质的关键参数进行监控和预警，根据生产的电路板型号自动下发加工参数（如前处理线、蚀刻线等）、资料（如曝光、外观检测设备等）或程序（如钻机、锣机等）到指定设备，避免人工误操作。对设备全生命周期进行精确跟踪记录，建立设备维修标准化流程和维修知识库，自动生成设备预防性保养提示，进行设备备件精细化管理。

2.2 生产管理

利用激光或机械钻孔设备在每一张在制电路板上生成具有唯一身份信息的二维码，在所有工序上设置固定式或手持式读码器，对电路板从投料到成品出货全过程中所涉及的物料、人员、设备、能耗、水资源、生产流程、环境、工艺参数、工程资料与工具以及关键品质数据等信息进行采集与记录，实现全流程追溯。借助读码数据，实现在制品自动过站计数，并同步上传给ERP系统实现在制品统计分析，进行流程防呆和物料防错，对生产过程中出现的异常情况通过短信、微信和邮件进行预警。

图2 平台技术架构

2.3 计划排产

以往在电路板制造企业，生产排程主要是基于Excel以及计划人员的经验，效率低，生产资源利用不充分。在实现设备物联和产品数据采集后，系统建立不同产品在不同工序的标准工时数据库，系统根据订单情况和基于历史大数据统计分析出的设备产能自动生成生产计划，推送车间排产计划和设备排产计划到指定人员和看板，并进行计划实施情况的跟踪，提供产出情况、人均效率、计划达成率、周转率、线平衡率等数据，用于各级人员的绩效考核。

图3 系统主要功能模块

2.4 品质管理

系统对包括首件、IPQC以及AOI、电测、FQC等关键工序和产品物理性能、药水化验等检测工作进行数据采集并自动生成统计分析报表，根据品质标准设置品质基线，对于超出品质基线的数据进行实时预警。

系统完成从产品反向追溯生产过程的各个环节，并可以从某一个生产环节正向追溯到和这个环节相关的全部产品，快速有效地找出品质问题发生的原因并最小范围地精准锁定存在品质风险的产品。

通过审视产品设计、生产过程管控、产品检验等过程资料，系统能够及时发现生产过程中的不合理处，并予以提示，依托动态完善的品质专家库快速提出备选处理方案，降低各类批量不良及功能性缺陷的发生频率。

2.5 仓库管理

系统实现储位精细化管控和物料条码化管理，为每个储位赋予唯一的编码，为每一个物料或成品的最小包装赋予唯一条码，材料或成品入库时扫描物料和储位条码进行绑定记录；出库时系统按照先进先出或者零散料优先等规则自动建议储位，对现有仓库的物料呆滞、超期等问题进行实时监控与自动预警，同时对物料的安全库存进行有效监控。

2.6 资源管理

系统对智能远传电表和水表上传的用电用水数据进行记录和统计分析，帮助能源管理员进行能源异常排查、节能改造和管理改善。对配电系统主要变压器负荷、负载效率、损耗及电量平衡等参数数据进行监测并给出运行评价，为及时调控配电设施容量，排查配电安全隐患提供数据支撑。系统对废水和废气处理设施和排放指标数据进行监控和故障预警，对可燃气及有毒气体检测、消防报警系统进行集中监控，提升安全、环保管理水平。

3 系统应用情况

3.1 生产管理改善

从生产管理角度看，系统对关键设备状态和工艺参数、在制品数据、品质数据、能耗数据等进行了实时监控，各级管理层通过大屏、看板、PC端系统、手机APP可以实时掌握设备稼动率、计划达成情况和品质数据，紧急情况下系统还能通过预警平台将数据发布到各级管理人员的移动终端，使公司对各种异常或突发状况进行调整及处理的效率显著提高。

系统打通了MES、ERP、财务系统、工程设计系统等相关的生产经营信息系统，实现了跨平台数据集成，打破了数据壁垒并解决了设备数据孤岛问题。通过多维度的实时和历史数据分析挖掘和透视，建立了可视化生产运营绩效管理体系，将目标分解，让全员参与，对未达标指标进行追踪及预警，使绩效管理实现闭环，为公司决策、生产运营、设备管理、现场管理提供了全方位的数据分析和决策支持，全面优化了管理过程。

图4 电脑端制造运营管理系统界面

3.2 产品研制周期缩短

通过MES与ERP和工程设计系统数据集成，制造运营管理系统根据历史数据优化选择最优的工艺流程、加工参数和物料配方，一次打样通过率显著提升；计划排产模块给出的合理设备排产和物料调配，大幅缩减工序流转和料号切换过程中的等待时间，导致产品研制周期大幅缩短。

3.3 生产效率提升

在系统的监控下，各设备按照标准工时的要求，快速完成生产、换板、告警处理、设备日保养等项目的内容；系统采用标杆原则，参考历史最短加工时间，进行严格管控，将相同产品和相近产品的生产耗时偏差控制在5%以内。系统结合产品特性、产品品质数据、各类化验数据、设备能力数据等，利用大数据技术动态生成最佳工艺参数并下发给设备，大幅提升了首板一次通过率，缩短了料号切换时间，提高了设备稼动率。

根据历史大数据计算得到不同类型的产品在各工序上的标准工时，建立自动排产数学模型，每天每班自动生成最佳的各车间生产计划、主要设备的生产计划、原辅料调配计划，减少设备待机时间，生产效率显著提升。

3.4 产品良率提升

系统自动采集直接影响产品品质的工艺参数，通过对关键参数的管控，对于工艺参数超标现象及时预警处理，减少了因参数设定问题带来的批量性品质问题。系统有物料防错功能，对过期物料、产品超时进行管控，并严格监控人员岗位技能资格、工治具使用次数、设备能力达标状况及具体表现数据等，通过这些防错与精细化管理方式，避免重大的品质风险。

通过全流程追溯可以精准重现产品现场的生产环境，如设备、工艺参数以及品质检测结果等，对于产品的不良问题能够进行快速准确定位，并采集及记录不合格品处理的全过程，完成不良品的精准隔离和处置，减少了因为无法区分不良品和合格产品而将整批产品进行返工甚至报废的现象，产品良率明显提升。

4 结论

为了解决电路板企业在管理、品质、成本等方面的难点痛点，我们研究了基于物联网和大数据的电路板制造运营管理系统，将物联网、大数据等信息技术与经典管理理论、先进制造技术相融合，充分利用企业资源，实现提质增效降本，为电路板企业实现数字赋能提供了参考性建议。未来，随着大数据、数字孪生和人工智能等新一代信息技术的不断发展，IT与OT技术将深入融合互通，对电路板行业的数字赋能研究将不再局限于企业内部的优化提升，而是关注产业链协同，打造行业数字经济生态系统，进而改变制造模式，形成新的商业模式。