如何让你的工厂更智能

作者:Mentor Graphics公司:Zac Elliott

对于电子制造商来说,要将他们的业务转变为能够自主优化互连工艺的智能工厂,需要集成许多不同的计算机系统。鉴于这项工作的复杂性和成本,除了最大的制造商之外,通往智能工厂的道路似乎遥不可及。为了能够广泛采用智能工厂功能,需要降低复杂性、工作量和成本带来的障碍。本文描述了一种通用方法,从小型到大型制造商都可以开始使用它来构建智能工厂基础设施。

电子组装面临的挑战

鉴于现有的管理复杂制造过程的技术水平和自动化程度,计算机集成制造(CIM)系统是任何电子制造运营的重要组成部分。许多不同的计算机系统、自动化机器人和技术专家共同工作,就是为了执行制造和简化流程、优化供应链和管理产品质量。将这些现有部分链接在一起是一项艰巨的任务,需要由工艺技术专家、产品工程师、业务资源和业务流程所有者组成的多学科团队。

随着业务需要更大的灵活性、更低的支出和更严格的质量标准,电子组装行业正在迅速提高自动化和逻辑分析来应对这些挑战。智能工厂和工业4.0的发展,旨在集成制造流程与业务流程,实现运营自动化和持续优化。

尽管集成可能是一个复杂而昂贵的提议,但是紧密耦合用于管理设备、工厂和企业的系统可以提供切实的好处。不仅在单台设备之间,而且在设备和业务系统之间共享信息和控制能力,为进一步自动化和优化复杂制造过程提供了机会。

电子制造的迫切需求

制造商需要解决方案,使他们能够在工业4.0和建设智能工厂的基础上取得切实进展。SMT设备供应商的反应是扩大其CIM系统的范围,从控制单台机器扩展到管理整个生产线或其他辅助过程,如物料管理。通过与其他设备供应商的合作,他们现在可以提供端到端的解决方案。

设备供应商创建的系统是针对特定设备平台的最佳解决方案,并开始解决集成、自主制造的需求,但它们忽略了大多数智能工厂功能所需的业务流程。制造商通常也有多种设备供应商。一个既定的制造现场有多个SMT平台和各种第三方设备平台。考虑到这些情况,创建智能工厂的通用方法对于较小的制造商来说更有意义,以便能够以最小的复杂度和成本,集成和连接这些异构环境。

通用智能工厂基础设施

我们可以从定义一个更通用的基础设施开始。现有的CIM应用程序可以分成三个主要的功能层:工艺流程、现场和企业应用(图1)。

工艺流程应用

在最底层,工艺流程应用控制或管理既定的制造过程。包括设备供应商应用程序、可编程逻辑控制器(PLC)、传感器,运行设备和收集数据的定制应用程序,以及人员或工艺指导等。这些应用可以创建对其他进程或更高级别基础设施有价值的事件数据。它们通常需要来自高层基础结构的信息,例如材料信息、工作指令和流程控制。

现场应用

位于工艺流程应用之上的是管理整个生产流程的现场应用程序。MES基础设施、工艺过程、质量管理、材料管理和有限的生产计划应用是典型的现场应用功能。在许多情况下,这些应用程序使用工艺流程创建的事件数据来积极管理生产运行。现场应用程序通过与进程相关的操作提供所需的工艺流程控制、工作订单细节和材料信息。

企业应用

最顶层是企业应用,管理更高级别、跨功能的业务流程。企业应用程序的一些例子有ERP、MES、制造运营管理(MOM)、产品生命周期管理(PLM)和业务分析。这些应用程序可以接收与进程相关的应用程序聚合的数据,然后由现场应用程序汇总。企业应用程序负责为现场应用程序提供总体资源、材料和生产计划。

一旦我们在智能工厂的应用程序层之间进行了划分,我们就可以看到一个清晰的数据流:业务需求从企业应用程序向下流动到现场应用程序。现场应用程序将需求转化为具体的制造计划,然后流入工艺过程应用程序。工艺流程应用程序收集事件数据,将其发送回现场应用程序。现场应用程序聚合并汇总相关的事件数据,最终发送到企业应用程序。

使用共同语言来建立信任

除了数据的连接和交换之外,还需要规范化的数据以集成不同的自动化过程并使人类决策计算机化。规范化数据是用一种语言表示的数据,无论信息的来源如何,其含义都是一致的。

目前,在电子组装行业中,还没有标准定义智能工厂流程中建模制造过程所需的复杂数据内容。尽管一些供应商有支持他们自己技术的专有接口,但是需要技术专家将数据内容从一种技术映射到另一种技术。现有的标准关注于连接和移动数据,但是对于复杂数据内容不承担可信决策所必需的责任。因此,现有的集成和解决方案往往将焦点限制在更大的业务流程的一小部分,或者它们仅在合作伙伴-供应商解决方案或定制集成之间点对点地工作。

用规范化语言应用物联网(IoT)

在制造业中,物联网(IoT)的出现为连接过程和获取数据提供了增强能力,但仍然必须定义一个基础设施来管理这些能力,并在大量可能的数据流之间分发信息。考虑到前面讨论的三个级别的应用程序,如果我们假设使用单一语言进行标准化,那么可以通过定义每个应用程序层的职责来连接工厂(图2)。

重新定义应用程序在智能工厂的职责

在连接的工厂中,过程应用程序负责与设备和操作员交换原始数据,并将事件和信息规范化为用于外部使用的单一语言。在内部,每个应用程序可以针对给定的设备或过程优化地工作,但是每个应用程序都使用相同的通用接口来描述制造操作。

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