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山巅云上探新路

山巅云上探新路

——重庆航凌电路板公司成功打造市级数字化车间纪略

本报记者  凌泽恩

数字化车间


工人操作数控设备

先后对 10 个生产工序,3 个质量检验工序,实施自动化、智能化及数字化设备的引进、升级改造。先后引进自动化、数字化设备共计 77 台套,实现了产品全工艺流程的数字化生产,替代了传统制造加工过程中的网版、菲林、图纸等工装工具。

对设备进行网络集成互联,数字化生产及检测设备90%实现网络集成互联。产品检验数据共享、分析和存储达到 100%。

自主研发 APS 生产计划排产系统,实现了基于标准作业时间的排产功能、基于设备状态和效率的智能排产以及订单插单排产功能。建立产品工单卡二维码管理平台,实现产品质量的批次性追溯,建立产品 BOM 清单管理,实现工序物料用量配送和单位能耗的降低。

重视绿色制造,先后投入 500余万元,推进节能减排,通过了重庆市清洁生产达标验收、GB/T24001:2016 环境体系认证,通过国家安全生产二级达标验收。打造的“定制化 PCB 产品柔性制造能力”通过专家评定,获得国家两化融合管理体系GB/T23001-2017 证书。

经过近 3 年来的努力,重庆航凌电路板有限责任公司基本建成覆盖产品全工艺流程的数字化快速生产线,形成了 1 个 PCB 产品快速制造及检测数字化车间,实现了产品全工艺数字化生产流程,在扩大公司生产能力的同时,也为公司实现产值、产量、质量和交付周期的提升奠定了基础。截至申报市级数字化车间时止,公司产值实现了 43%的增长率,年产能实现了 80%的增长;产品一次性质量合格率提升了近 10%;小批量(样品)订单交付周期由72 小时缩短至 36 小时,产品快速交付具有较强的竞争能力。数字化车间工艺能力上,最小线宽线距可达 0.075/0.075mm、孔纵横比可达 1:10,最小孔径达 0.2mm,工艺能力在 PCB 行业的刚性印刷板领域具备较强的竞争能力。数字化车间集成度方面,实现了设备的互联集成、运行数据的上传及数据资源在企业内部、外部及移动 APP 上共享访问,在设备集成、数据资源开发利用及企业管理水平均走在行业前列。

上季度,该公司PCB 产品快速制造及检测数字化车间获得了重庆市“数字化车间”的认定。


再谋新攀登


重庆航凌电路板有限公司成立于 2001年底,2015年迁建到现址永川区凤凰湖工业园区。是永川最早的信息产业标志性硬件企业之一。

公司产品定位于高附加值、高技术含量的中高端双面、多层、特殊印制电路板的研发、生产和销售,具备 1-32 层电路板及特种电路板的生产能力,主要应用于汽车电子、家电、通信、科研院所及军工电子领域,市场遍布国内及欧洲地区。

公司推行高效的现代化管理体系,建设有自动化、数字化程度较高的产品生产线,以“全面品管,品质零缺陷,客户完全满意”为品质方针,使产品的质量和可靠性得到有效保证,获得了一系列质量认证。

公司拥有 30 余项实用新型发明专利,2 项国家发明专利。具备特殊性能要求的聚四氟乙烯、金属基板、高密度互联板、陶瓷基板、FR-4 多层混压等产品的设计制造能力。公司是国家级高新技术企业、重庆市技术创新示范企业、中国电子学会电子制造与封装技术分会印制电路专委会常委委员单位、中国印制电路行业优秀民族品牌企业……

信息产业本就是一个高大上的产业。重庆航凌又是这样一个在高大上队伍里具有众多桂冠的企业。但该公司不满足于现状,积极进取,从2015 年搬迁重建开始,就瞄准智能化、数字化目标,以基于“小批量、多品种”订单结构的快速生产制造能力作为优先发展方向,用三年时间完成了这一数字化车间建设(目前,公司正致力于国内一流的中小批量、样板快速交付的 PCB 专业化智能工厂建设),在山之巅、云之上的高端行业中,为企业转型升级探索了新路。


明晰七大任务


PCB 行业中,数字化的生产设备是比较成熟的,也得到广泛的应用,但由于各个设备制造商对自己的产品进行了保护,各种设备的通信协议也不一致,造成 PCB 企业在进行设备联网、数据提取和共享等方面造成了障碍,给数字化车间建设带来较大难度。尤其是“小批量、多品种”生产模式中,产品受质量、交期、原辅物料等因素的影响,要比批量订单生产线更为复杂和多变,难度更大。

如何建设全流程“小批量、多品种”订单快速制造检测数字化车间?该公司提出了七大任务,以提升产品生产效率,缩短产品交付期;提升产品生产检测合格率;提升车间设备管控能力;达到产品全数字化生产之目的,减少生产辅助工装夹具的使用,降低生产成本,减少废水的排放及固废的产生,践行绿色制造。

——数控钻工序,利用数控钻设备,读取工程部门设计的 NC 代码,实现产品的数字化加工,并通过数字化检孔设备替代传统的菲林工具,实现对钻孔后的孔径、多孔、少孔的质量检测,提高产品质量可靠性。

——图形转移工序,利用激光直接成像设备对产品在图形转移工序实现全数字化生产制造,用数字化设备替代传统借助菲林通过曝光方式实现图形从菲林到 PCB 板上的转移,提高生产效率。

——网印字符工序,利用工业数字化打印机设备,对产品上的字符进行数字化喷码作业,替代传统的网版印刷模式,提高生产效率。

——终检工序,利用数字式外观检测机对产品外铣、孔、阻焊等产品的表观性能进行检测,替代传统的人工目检,保证产品的质量可靠性和稳定性。

——建立 APS 排产系统,实现订单制造进度在工序间的合理编制,实现订单加工在多设备间的合理分配,提高生产效率和设备利用率。

——数字化生产设备的集成联网,实现生产过程中,设备运行状态的可视;实现生产数据上传至服务器,实现产品质量检测数据共享、记录和分析。

——实现手机 APP 集成工序生产状态信息,管理人员通过手机平台,可以查看到车间生产状态。


引入高端智能装备77台(套)


要完成七大任务,建成数字化车间,首先要有完善的智能装备。

构成数字化车间的常规 PCB 产品制造的标准流程作业工序包含13个工序,其中生产工序10个,质量检验工序3个。为实现所有工序的自动化、数字化,该公司从国内外引进了具有较高数字化、自动化程度的生产及检测设备77 台(套)。在此基础上,公司对设备进行网络集成互联,实现生产及检测设备实时数据采集上传。关键工序智能装备的应用,提升了产品快速制造能力、提高了产品的制造质量。如针对图形转移工序引入了 LDI激光直接成像设备,将产品最小线宽线距提升至 0.05毫米,同时,取消了传统工艺方式中的菲林,实现了全数字化生产,显著降低了生产成本,提高了生产效率;针对网印字符工序,通过引进数字式喷墨打印机,取代了传统生产工艺中的网版使用,实现了字符的数字化打印,可将字符最小精度做到0.08毫米,在降低生产成本、提升效率的同时,产品质量得到了提升;针对质量检测的终检工序,引进全自动 CCD 光学产品外观自动检测机,从而解决了产品因人工目检的不足而可能存在的质量问题。


实施设备互联信息集成


围绕数字化车间建设,该公司完成设备联网共计 70 台,占智能化、自动化设备比例达到 90%,实现数字化车间设备应联尽联,完成了设备的信息化集成。底层设备与网络通信采用标准 TCP/IP协议进行,自动化设备控制系统主要通过RS232的9针接口、网卡、PLC 控制器等。对个别特殊生产设备加装外置式传感器、接入设备三色灯信号等方式,实现设备状态、生产数量的记录和显示。设备集成主要实现方式是通过与设备供应商达成共识,开放相关端口、对接设备传输协议或设备直接输出相关作业信息至服务器端来实现。

公司整体上实现了网络全覆盖,对数字化车间共划分为4 个网段,架设光纤传输通道,保证数据传输的稳定性和可控制。整个网络进行子网划分,各子网间通信须经过核心交换机进行,在保障通信速度的基础上,又增加了网络安全的可控手段。

在公司信息安全保障方面,对外数据访问通过硬件防火墙、上网行为管理网关进行控制,实行计算机 IP 与 MAC地址绑定进行授权访问,访问记录通过上网行为管理网关进行记录。公司内部数据访问的安全控制保障,通过设计用户访问权限进行授权。所有 NC 代码库均分类别存储,车间用户以授权用户名和密码进行验证访问。

所有对设备集成的数据采集的安全机制均以只读的方式进行,并不干预设备的正常工作。


实施生产过程数字化管控


在数字化车间建设过程中,公司对生产设备的运行状态的监控环节进行了建设,目前已实现对大部分生产设备和检测设备进行了实时监测。

在生产设备方面,已实现所有数字化生产设备联网互通,设备通过网络访问存放在服务器上的 NC 程序。对数控钻机、数控铣床的共计 70 台套设备实现了实时监控,监控内容包括:实时生产料号、设备故障信息记录与统计分析、设备生产过程信息记录等。对图形转移工序设备进行了生产计数统计。对所有检测设备实现了检测数据记录并上传数据库,并可进行相关 SPC 统计。

在生产计划调度和执行方面,公司自主研发了 APS 高级排产系统,集成了设备运行状态、设备保养维护计划、工厂倒班等影响生产排产的主要因素。基于 APS 排产系统,公司设计了手工排产计划、标准作业排产计划和智能排产计划。标准作业计划是基于工序标准作业时间来确定,适用于批量产品的生产进度排产;智能排产计划是综合考虑了设备产能、运行状态、产品加工效率等因素,以最短交货期为导向,实现的智能排产计划。智能排产计划更适用于数字化生产作业的条件,可分配生产任务至指定的工序机台。手工排产计划是应对插单、返工等产品加工过程中出现的异常情况,通过计划人员灵活编制生产计划。所有生产计划编制的结果,实时反馈到 ERP 系统和手机 APP 平台中,工序班组人员通过每日的计划会议、ERP 计划指示及手机 APP 平台接受生产计划编排的指令。

在 ERP 系统中,订单管理的相关功能,实现了对客户订单的下达和合同管理,产生订单的批次编码、数量、价格和订单类别管理;工艺路线及工艺参数的相关功能,实现了产品的工艺路线和产品加工参数管理。工单管理的相关功能实现了产品在线生产的二维码批次管理。

在 Auto_PE 系统中,工程及工艺设计的相关功能,实现了产品的制造设计,产生相关的数字化生产工具(NC 代码)。

在 Star_APS 系统中,设备集成监控的相关功能,实现了对工序设备的动态信息展示。

在 NC 系统中,集成了设备运行状态信息、生产数据记录等功能。

此外,还实施了物料配送自动化管控。针对产品在工序间的流转,提供了批次二维码管理功能,保证了产品流转的及时性和可追溯性。在原辅物料的进、存、销的过程中,实施了批次管理功能,对批次物料实施二维码管理,物料出库时通过扫描二维码,实现先进先出,达到批次管理的作用。原辅物料的配送通过软件系统,根据产品 BOM 结构及工序的生产情况进行自动用量计算,并通过专职人员配送至相关工序。


创新,引领转型升级


该公司车间智能化改造,在提升智能制造水平、提高产品质量、促进安全生产、实现绿色发展等方面取得了明显的经济和社会效益。“小批量、多品种”订单生产能力得到大幅提升,批量订单生产能力也同步得到提升,以数字化改造实施初期的2016年与数字化改造完成之后的2018年相比,产量增长80%,产值增长43%;降低了生产过程中出现参数设置、温湿度等客观因素影响产品质量的概率,也最大程度降低员工人为操作对产品质量的影响;在提升产品交付能力的同时,提升了产品合格率,产品一次合格率提升9.94个百分点;生产效率得到显著提升,建设后人均产出水平(元/人/天)由1311元提升到2057元,提升57%。此外,还实现了水、电耗用的降低,管理成本的降低。

而更重要的是,该公司数字化车间建设,具有极大的创新意义和示范意义,为企业转型升级探索出了一条新路:

总体上说,该公司通过数字化车间的建设,开展了设备互联、数据开发及利用、生产计划排产、产品批次追溯管理等工作,实现了生产设备的集成互联,设备运行状态数据的收集,生产计划排产及设备加工能力的分配等。对引领行业的转型升级具有一定的借鉴意义。

具体而言,一是基于 PLC 控制平台的自动化设备集成。通过构建基于各类生产设备之间通信协议集成,将多条自动化生产设备、检测设备进行了互联。借助于设备供应商的帮助,实现了设备信息状态的实时收集与上传,对生产计划人员、管理人员及时了解设备运行、加工状态起到了重要的作用。其创新点在于:设备的集成互联及相关信息的收集,很大程度上取决于设备供应商的配合,在实现设备集成建设项目前,应当与供应商取得充分沟通,明确所需的设备信息,开放设备端口或输出数据信息,在上位机或数字化设备的计算机中输出信息,自身再开发对应的数据读取软件模块,实现数据的上传。

二是异构型数据的集成、整合与数据资源共享。由于数字化车间的设备种类复杂多样,既有国内设备,也有国外设备,既有基于 Windows 平台的工控系统,也有基于 Linux 平台的工控系统。不同设备平台所产生的数据信息格式多种多样,如产生的数据有 TXT 格式、Excel 格式、Bat格式及设备直接存放在 Mysql 数据库等。要对这些异构型数据进行集成、整合,就要对这些数据资源进行梳理,最终全部归集到统一的数据库中进行管理。其创新点在于:针对不同设备的数据格式,开发对应的软件模块进行数据资源的读取,并实时或定期上传至公司统一的数据库。对设备直接将产生的数据提交至数据库的情况,通过开发中间件软件,实现多种数据库之间的数据互访。

三是数据的开发与利用。对设备状态信息、生产信息,经与设备供应商充分沟通,由其提供公司所需要的数据格式和内容,而后由公司实现数据集成与手机 APP 达到实时访问。其创新意义在于:利用公司的研发能力,开发了手机 APP 平台,实现了管理人员可随时随地了解车间生产状态。开发了 APS排产软件,实现了标准作业计划和智能排产计划,提高了设备利用率和产品准时交付率,提升了物料库存周转率等。

四是建立了柔性生产制造能力。通过建立数字化生产车间,针对公司的订单结构,实现了小批量、样品订单的全流程数字化生产制造;针对批量性订单实现自动化、规模化生产制造。其创新意义在于:在公司一个主体厂房内,实现了数字化生产车间和批量生产车间并存的特点(这在 PCB 行业中是比较少有的,也是重庆航凌的一个主要特色)。借助柔性制造的相关措施(智能排产、混合拼板生产等),实现了产品在数字化车间和批量生产车间的灵活调配,大大地提升了公司的生产能力。并借助柔性生产能力的建设,在 2018 年,公司通过国家两化融合管理评定,认定公司具备与定制化 PCB 产品相关的柔性制造能力。

 (重庆航凌电路板有限责任公司供图)


编辑: 李小川
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