Информационные системы автоматизации сборочно-монтажных производств
Геннадий Мартынов, компания «Диполь»
Gennadiy.Martynov@dipaul.ru
В последнее время специалисты отмечают устойчивый тренд, направленный на повышение уровня автоматизации сборочно-монтажного производства. На самом деле, эти процессы являются продолжением тенденции по внедрению информационных систем на предприятии, позволяющих упорядочить и систематизировать выполнение технологических операций, снизить их трудоемкость, сократить количество ошибок. Традиционно внедрение информационных систем начинается с бухгалтерского учета, что является логичным при развертывании программных комплексов. Однако сейчас мы вплотную подошли к автоматизации иного рода, выходящей за классические рамки бухгалтерского учета.
Сегодня сложно найти предприятие, не использующее информационные системы (ИС), ведь руководители давно осознали важность подобных комплексов для правильного построения и автоматизации бизнес-процессов. В подавляющем большинстве случаев лидирующие позиции занимают решения на базе продуктов 1С, распространяемые непосредственно на производственную сферу. Но также встречаются решения на базе таких продуктов, как, например, «Парус», «Галактика» и др. В том числе, применяются и программы иностранной разработки: SAP, Axapta/Navision.
Философия внедрения ИС, при всем их кажущемся многообразии, схожа. Упомянутые выше платформы представляют собой набор подходов и шаблонов, которые возможно адаптировать под конкретные задачи конкретного предприятия. При этом в каждом случае составляется индивидуальный план внедрения продукта, определяются области, требующие первоначальной автоматизации, формируется стратегия дальнейшего развития платформы.
К сожалению, внедрение ИС не всегда проходит гладко и зачастую вызывает нарекания внутри предприятия. В действительности успех внедрения зависит не столько от возможностей самих систем (в наше время они являются очень мощными информационными комплексами), сколько от «веса» и знаний команды, занимающейся внедрением, а также от понимания важности процесса и воли руководства предприятия. Данная статья посвящена не причинам и следствиям проблем, возникающих при развертывании ИС (это тема отдельного разговора), а, в первую очередь, современным вызовам, стоящим перед отраслью производства электроники и выходящим далеко за рамки автоматизации бухгалтерского учета.
Постановка задачи
Современное сборочно-монтажное производство электронных изделий все больше нуждается во внедрении автоматизированных систем управления (АСУ) для повышения гибкости и оперативности управления, выражающимися, в конечном итоге, в увеличении экономической эффективности деятельности предприятия.
Автоматизация в данной сфере может вестись по нескольким направлениям. Это может быть поиск специализированных комплексов, специально разработанных для производства, или дальнейшее расширение функционала уже используемой на предприятии ERP-системы. При любом варианте на определенном этапе встанет задача взаимодействия развертываемой платформы с оборудованием или отдельными решениями, которые ранее были внедрены на предприятии на отдельных участках без привязки к глобальной управляющей системе.
Практический опыт специалистов компании «Диполь» также свидетельствует о том, что в большинстве случаев автоматизация сборочно-монтажного производства начинается с линии поверхностного монтажа, так как именно на этом участке происходит активный расход электронных компонентов, что, в свою очередь, тесно взаимосвязано с экономической составляющей работы предприятия. Таким образом, автоматизированный монтаж естественным образом приближен к процессу интеграции в общую ИС по управлению предприятием.
Наша компания давно занимается поставками специализированного оборудования для поверхностного монтажа, обладающего всем необходимым для полноценной интеграции его во внешние системы ERP или MES. В большинстве случаев такие возможности документированы специально, а иногда потенциал для построения взаимодействия открывается сам собой, в процессе изучения оборудования. Перспективы по созданию тесной взаимосвязи между оборудованием и внешней управляющей системой огромны, и это подтверждается нашим успешным опытом.
Специализированные программные решения для управления производством называются MES (Manufacturing Execution System). Как правило, такие решения подразумевают тесное взаимодействие с установленным на предприятии оборудованием для более четкого планирования производственных заказов и ресурсов. Однако такие системы могут решать, в том числе, задачи, традиционно присущие системам ERP (Enterprise Resource Planning). Следует отметить, что многие задачи планирования и управления ресурсами предприятия могут с успехом решаться в обеих системах, что, несмотря на сохранение общего вектора развития указанных систем, постепенно приводит с стиранию четкой границы между ними.
Процесс изучения способов интеграции сборочного оборудования с третьими системами начинался с продукции компании MYCRONIC, с которой у нас налажено давнее стратегическое партнерство. В настоящий момент мы способны выполнить интеграцию оборудования и сопутствующих программных пакетов MYCRONIC с внешними ERP-системами на самом тесном уровне, широко применяя ранее наработанные модели.
Следует отдельно отметить, что оборудование компании MYCRONIC уже обладает уникальным, мощным и функциональным набором модулей, позволяющим максимально автоматизировать производственные процессы, связанные с автоматической сборкой печатных плат. Различные приложения, входящие в комплект поставки, охватывают не только процесс удаленного программирования оборудования, но и «краеугольный камень» любого производства — процесс работы с используемыми на линии компонентами, начиная от их приемки на складе и заканчивая автоматизированной загрузкой их в питатели автомата. Набор приложений для оборудования MYCRONIC включает также модуль планирования производства, модуль, занимающийся мониторингом процесса сборки изделий, своевременно информирующий оператора о скором окончании компонентов в питателях и подсказывающий, где и как удобнее получить элементы для пополнения питателя. Отдельного внимания заслуживает приложение MYTrace, позволяющее построить систему прослеживаемости производства, способное выдать подробнейший отчет об установленных на плату компонентах и т.д. Среди оборудования, производимого MYCRONIC, имеется не только серия роботов по установке SMD-компонентов, а также каплеструйных принтеров для нанесения широкого круга SMD-материалов (включающих паяльные пасты), но и автоматизированные системы хранения компонентов, также поставляемые вместе с комплектом программного обеспечения, способного выполнить автоматическое комплектование новых изделий, обеспечить работу с MSD (влагочувствительными) компонентами, а также вести четкий контроль выдачи материалов.
На начальном этапе полноценное внедрение этих программ позволяет решить большинство задач по автоматизации производства, но, по мере технологического роста предприятия, и эта область требует дальнейшего развития. Наша практика показывает, что объединение имеющихся инструментов в единый комплекс, тесно связанный с внешней ERP- или MES-системой, выводит эффективность работы предприятия на недостижимый ранее уровень. Для человека, обладающего опытом работы на производстве, этот факт становится очевидным. Именно тесное сотрудничество различных отделов, действующих в рамках общей системы, должно являться конечной целью внедрения эффективной системы по управлению производством.
Уровни взаимодействия
Есть несколько примеров задач, требующих конкретного решения на производстве.
Часто возникает потребность автоматического списания компонентов, смонтированных на линии поверхностного монтажа, в ERP-системе предприятия. Такое списание, в том числе, должно учитывать технологические потери компонентов в процессе сборки. Наличие подобного взаимодействия минимизирует частоту проведения инвентаризации и значительно повышает точность учета материалов на складе. Как следствие, это открывает большие перспективы для более гибкого планирования производства, способного реагировать на неожиданные скачки производственного плана.
Все чаще руководители задумываются об автоматическом получении информации по мере сборки печатных плат на участке. Это позволяет оперативно контролировать уровень незавершенного производства, а также улучшить точность планирования операций. Нередко возникает потребность в формировании подробного отчета об операциях, проведенных с платой, включающего информацию о всех установленных элементах (безусловно, система прослеживаемости не ограничивается этим уровнем, но он справедлив в применении к автоматической SMT-сборке).
Есть, в том числе, запрос на унификацию обозначений компонентов (номенклатурная позиция, англ. part number): когда и в ERP-системе, и на линии поверхностного монтажа используются одинаковые наименования компонентов, это значительно упрощает подготовку и дальнейшее сопровождение конструкторской и технологической документации.
Несколько реже встречается потребность автоматической оценки себестоимости сборки изделия, включающей как классический учет количества точек пайки на плате, так и оценку времени, затрачиваемого на сборку изделия, с учетом времени, ушедшего на подготовку и настройку оборудования. Также многие интересуются реальной статистикой загрузки сборочной линии для проведения глубокого анализа работы участка и поиска путей повышения эффективности работы оборудования.
Решая подобные задачи, возможно организовать взаимодействие со внешними системами с использованием различных технологий. Это может быть обмен через XML-файлы посредством отдельного специализированного сервиса (в большинстве случае это веб-сервис, хотя мы можем реализовать взаимодействие и через Windows-сервис), либо напрямую по TCP/IP, минуя «посредников» в виде дополнительных надстроек.
Несмотря на схожесть задач, каждый проект является уникальным. Мы, безусловно, активно используем готовые шаблоны в различных случаях, что значительно ускоряет развертывание конечного решения, но, тем не менее, каждый раз приходится разрабатывать специализированный модуль.
В большинстве случаев все начинается с формирования команды проекта, включающей ответственных за реализацию интеграции как со стороны оборудования (компания «Диполь»), так и специалистов со стороны непосредственного заказчика, разбирающихся в особенностях существующей системы ERP или MES предприятия. Также на начальном этапе фиксируется способ организации взаимодействия, согласуется формат обмена информацией, и т.д. После утверждения технических деталей проекта и сроков его реализации, проект запускается в разработку.
Любое внедрение проходит через несколько стадий, и, в конечном итоге, наступает этап тестирования, когда происходит финальная настройка готового решения и ввод его в эксплуатацию. Наличие сильной ИТ-службы у заказчиков существенно упрощает развертывание любой разработки. Важность ИТ-сферы адекватно оценивается современными руководителями, поэтому в настоящее время наметилось устойчивое снижение количества проблем при запуске специализированных разработок.
Существующие наработки
Как упоминалось, нами разработано большое количество инструментов, позволяющих реализовать полноценную интеграцию оборудования MYCRONIC со сторонними системами.
В данном обсуждении мы отдельно отметим два модуля, доступных нашим заказчикам и значительно упрощающих разработку специализированных средств взаимодействия между системами.
Во-первых, для упрощения процесса взаимодействия с базой данных MYCRONIC разработан специализированный адаптер Microsoft .NET (dot Net), инкапсулирующий логику подключения и обмена информацией с оборудованием и предоставляющий пользователю простую объектную модель для управления данными. Использование упомянутого адаптера позволяет решать такие задачи, как:
• формирование полного перечня SMT-компонентов, необходимых для сборки одной или нескольких партий печатных плат;
• автоматический подсчет количества точек пайки на плате или группе плат;
• контроль существующих программ сборки на наличие изменений;
• синхронизация обозначений имен компонентов со сторонними программами;
• оценка корректности описания корпусов в машине и их доводка;
• формирование плана производства на линии.
Инкапсуляция — термин, используемый в программировании для обозначения процесса сокрытия внутренней логики работы системы, что делает ее недоступной для внешних запросов и систем. Применение этого подхода позволяет успешно разбивать исходную задачу на отдельные подзадачи, конструируя конечное решение путем комбинации различных «черных ящиков». При этом конкретный способ решения отдельных подзадач, в силу сокрытия деталей реализации, никаким образом не влияет на функционал исходной системы.
Во-вторых, для анализа эффективности использования оборудования нами разработано специализированное приложение Performance Analyser, позволяющее в автоматическом режиме обрабатывать хранящиеся в машине протоколы сборки с целью расчета эффективного времени работы оборудования. Данное приложение может работать в режиме непосредственного подключения к базе данных автомата MYCRONIC путем ввода IP-адреса сервера, а также способно анализировать протокол работы (лог) оборудования, экспортированный заранее и хранящийся в виде файла на жестком диске. В результате разбора лога пользователь получает сводный pdf-отчет, показывающий среднюю эффективность работы оборудования за выбранный период. Рабочий день в отчете разбивается на несколько категорий, включающих непосредственный монтаж компонентов, различные простои во время сборки, время, затрачиваемое оператором на переналадку оборудования, а также неиспользуемое время. Каждая из указанных категорий, в свою очередь, также разбивается на несколько подкатегорий. Таким образом, становятся понятными основные причины потери времени в процессе монтажа компонентов.
Технически алгоритм разбора представляет собой отдельный объект («класс» на языке программиста), описывающий правила трактовки событий из файла лога работы оборудования. Объект упомянутого класса после создания сериализуется (сохраняет свое состояние) и индексируется для дальнейшего использования. В момент запуска программы происходит десериализация (восстановление исходного состояния) имеющихся алгоритмов, пользователь в настройках получает возможность выбрать алгоритм, наиболее полно отвечающий его задачам.
Ключевой особенностью подхода, положенного в основу анализа лога, является отделение процесса разбора информации, записанной в файле, от алгоритма трактовки сохраненных данных. Другими словами, алгоритм разбора лога (англ. parsing) не является частью исходного кода программы, а представляет собой отдельный модуль, подгружаемый независимо. Это позволяет динамически настраивать формы отчетов, которые возможно извлечь из сохраненной информации, что открывает большой потенциал использования данного подхода в различных сферах.
В качестве примера можно привести отчет с подробной информацией о каждом установленном и сброшенном в процессе сборки компоненте, включающем сведения о носителе (в поверхностном монтаже используются три типа носителей: катушка, пенал или поддон), из которого он был захвачен. На основе данного отчета можно, например, выдавать протоколы по всем установленным компонентам на каждую печатную плату по ее серийному номеру, а также проводить списание элементов в системе учета материалов. Эта функциональность реализована в отдельной библиотеке кода, что позволяет использовать данную возможность в других проектах.
Описанное выше приложение сейчас доступно нашим заказчикам в тестовом режиме.
Пример работы с .NET_адаптером для взаимодействия с базой данных MYCRONIC
Адаптер представляет из себя сборку, полностью написанную на языке C# с поддержкой .Net Framework 3.5. Для начала использования библиотеки необходимо добавить ссылку на нее в проекте, а также указать использование нового пространства имен MYDATA:
using MYDATA;
Взаимодействие с базой данных MYCRONIC осуществляется через создание объекта подключения TRP, где в качестве параметров конструктора необходимо указать IP-адрес удаленного сервера. IP-адрес также представляет собой объект System.Net.IPAddress.
TRP connection = new TRP (new System.Net.IPAddress (0xF000A8C0)); // 192.168.0.240
После создания подключения к серверу, взаимодействие с удаленной машиной реализуется путем вызова свойств и методов созданного объекта. Отдельные сущности в базе данных также описываются в виде классов. В терминологии MYCRONIC принята следующая иерархия объектов: «Схема» (Layout) -> «Панель» (Panel) -> «Плата» (PCB) -> «Компонент» (Component) -> «Корпус» (Package). Соответственно, эта иерархия отображается на соответствующие классы библиотеки: MYDATALayout -> MYDATAPanel -> MYDATAPCB -> MYDATAComponent -> MYDATAPackage.
Указанные классы имеют как общий набор методов, поддерживающих чтение и запись в базу данных объектов этих классов, так и специализированные методы, характерные для каждого конкретного компонента.
Большинство методов и свойств библиотеки классов документированы в формате XML, что упрощает применение описываемого адаптера в коде.
Ниже приводится небольшой пример работы с указанной библиотекой. В данном примере после установления соединения с сервером происходит чтение полного списка печатных плат с указанием количества компонентов в каждой плате. Потом выводится список всех имеющихся компонентов. Обращение к серверу MYCRONIC в данном примере реализовано в синхронной манере (пример на языке C# c применением среды разработки Visual Studio Community 2015) (рис. 4).
Перспективы
Помимо автоматизации процесса поверхностного монтажа, встречаются запросы, выходящие на совсем иной уровень. Такие запросы уже предполагают наличие полноценной MES. Но и в этом случае мы готовы предоставлять собственные решения, не уступающие по глубине интеграции описанным ранее. Поставляемую MES компании Aegis мы также готовы адаптировать под нужды конкретного предприятия, предлагая не просто фиксированные шаблоны автоматизации бизнес-процессов, а функционал, максимально учитывающий запросы конечных пользователей. Недаром сама система позиционирует себя как The Adaptive Framework of Manufacturing Operations, что означает «Настраиваемая платформа для производственных операций».
Максимально утилизируя функционал указанной платформы (штатное взаимодействие с большинством производителей оборудования, автоматический контроль соблюдения технологического процесса сборки изделия, контроль используемой элементной базы и фиксацию в базе конкретных исполнителей каждой операции, автоматическое управление технологической документацией), есть возможность построить мощнейшую систему контроля производственного процесса. В каждом отдельном случае мы не только подбираем состав готовых модулей системы, исходя из первичных требований заказчиков, но в процессе первичного анализа бизнес-процессов на предприятии пытаемся выявить узкие места и предложить действительно эффективное решение. Мы готовы выйти за рамки привычного шаблона внедрения, по которому работают поставщики сторонних систем, не имеющие прямого влияния на развитие платформы. А за счет глубокого понимания внутренней архитектуры поставляемой нами системы мы готовы предлагать решения по тонкой настройке ее под инфраструктуру заказчика, беря на себя функции разработчика.
В современном мире достаточно сложно строить долгосрочные прогнозы, однако все говорит о том, что развитие информационной сферы станет определяющей силой в ближайшие десятилетия. Новая промышленная революция, известная сейчас под термином Индустрия 4.0, о которой все чаще пишут в отечественных и зарубежных изданиях, предполагает беспрецедентный уровень взаимодействия между системами. Новейшая история также преподает жестокие уроки, показывая, что игнорирование или недостаточное внимание к зарождающимся технологиям способно уничтожить целые отрасли, казалось бы, стабильной сферы. Поэтому и свою стратегию дальнейшего развития компании мы строим, тщательно соотнося ее с требованиями времени. Увеличение числа запросов на тесное взаимодействие элементов производственных систем в ближайшее время будет определяющим вектором технического прогресса, и мы готовы к таким вызовам.
