在PCB(印制電路板)制造行業(yè)中，為了應(yīng)對市場需求的快速變化、提高生產(chǎn)效率和優(yōu)化資源利用等挑戰(zhàn)，越來越多的PCB智能工廠開始引入和應(yīng)用APS系統(tǒng)。APS系統(tǒng)作為一種專注于生產(chǎn)計劃排程和優(yōu)化的工具，集成了排程、優(yōu)化和模擬等功能，被廣泛應(yīng)用到制造業(yè)中。
本文首先介紹APS系統(tǒng)對于PCB工廠的價值以及排產(chǎn)基本邏輯;然后闡述APS項目在工廠實(shí)施過程中面臨的個性化規(guī)則缺失問題和部分解決方案;最后在整體上介紹所實(shí)施的APS系統(tǒng)在實(shí)時生產(chǎn)計劃、資源調(diào)度與平衡等方面，為實(shí)際生產(chǎn)策劃安排提供科學(xué)、高效的決策支持，為其他PCB制造業(yè)實(shí)施APS系統(tǒng)提供借鑒和參考。
一、基于 TOC 理論的 APS 系統(tǒng)
1.1 APS系統(tǒng)在PCB工廠的定位與價值
APS系統(tǒng)在PCB智能工廠的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：
生產(chǎn)計劃優(yōu)化：通過分析訂單需求、資源約束和工藝要求等數(shù)據(jù)，生成最優(yōu)的生產(chǎn)計劃，確保生產(chǎn)任務(wù)按時完成，并最大程度地提高資源利用率。
快速響應(yīng)市場需求：PCB行業(yè)市場需求波動大，APS系統(tǒng)具備快速調(diào)整生產(chǎn)計劃的能力，實(shí)時根據(jù)市場需求變化進(jìn)行生產(chǎn)計劃調(diào)整與優(yōu)化，確保生產(chǎn)計劃與市場需求保持一致。
資源協(xié)調(diào)與平衡：可以對工廠中的各類資源進(jìn)行協(xié)調(diào)和平衡，包括人力資源、設(shè)備資源和材料資源，以最大程度地提高資源利用效率，避免資源浪費(fèi)與瓶頸出現(xiàn)。
降低生產(chǎn)成本：通過優(yōu)化生產(chǎn)計劃、減少庫存水平和降低生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力。
提升生產(chǎn)效率：實(shí)時監(jiān)控和調(diào)度生產(chǎn)過程，及時發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)中的問題，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，加快交付速度。
上述APS系統(tǒng)優(yōu)化功能的實(shí)現(xiàn)，不僅依賴于所使用的優(yōu)化算法;更關(guān)鍵的是系統(tǒng)基礎(chǔ)模型對物理工廠的正確表達(dá)，即工廠模型與現(xiàn)實(shí)的一致性。
1.2 基于TOC的APS系統(tǒng)原理
基于TOC的APS系統(tǒng)，是一種用于優(yōu)化生產(chǎn)過程的先進(jìn)技術(shù)工具，其計算原理主要包括以下幾個關(guān)鍵步驟：
首先，通過對生產(chǎn)流程進(jìn)行建模和分析，確定整個生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和約束條件。這些約束可以是設(shè)備的產(chǎn)能限制、人力資源的瓶頸、物料供應(yīng)的不確定性等因素。
其次，根據(jù)生產(chǎn)計劃和訂單需求，結(jié)合實(shí)際的約束條件，利用數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化算法，對生產(chǎn)過程進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)度。
這包括確定最優(yōu)的生產(chǎn)順序、分配資源和制定時間表，以最大程度地提高生產(chǎn)效率和資源利用率。
接著，監(jiān)控和跟蹤生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)，如交付時間、生產(chǎn)成本、庫存水平等，以及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的問題和風(fēng)險。同時，系統(tǒng)還會根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)對生產(chǎn)計劃進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以應(yīng)對突發(fā)情況和變化的需求。
最后，通過反饋機(jī)制和持續(xù)改進(jìn)的方法，不斷優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改善和持久競爭優(yōu)勢。
總的來說，基于TOC理論的APS系統(tǒng)，通過識別和管理約束，優(yōu)化生產(chǎn)計劃和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的最大化價值，提高企業(yè)的競爭力。
二、個性化定制的排產(chǎn)規(guī)則
2.1 原生APS系統(tǒng)的排產(chǎn)缺陷
在實(shí)際的部署與應(yīng)用過程中，原生APS系統(tǒng)在排產(chǎn)中可能存在一些缺陷，其中一個關(guān)鍵問題是缺少對PCB工廠的個性化約束規(guī)則。原生APS系統(tǒng)的功能和界面通常較為固定，難以滿足不同行業(yè)和企業(yè)的個性化需求。在PCB制造這樣的特定行業(yè)中，由于其復(fù)雜的工藝要求和資源限制，原生APS系統(tǒng)可能無法提供精準(zhǔn)的排產(chǎn)解決方案。
例如定線、連批、切換等規(guī)則。定線規(guī)則，指同一工序，因產(chǎn)品技術(shù)要求差異需要分配到不同設(shè)備加工的判斷規(guī)則。連批規(guī)則，指將不同產(chǎn)品安排到同一任務(wù)單中連續(xù)生產(chǎn)的判斷規(guī)則，以最大程度地利用設(shè)備和材料資源。切換規(guī)則，要求在設(shè)備維度，對不同產(chǎn)品間的切換場景及必要產(chǎn)能損耗情況進(jìn)行定性、定量描述，以支持系統(tǒng)準(zhǔn)確評估產(chǎn)能負(fù)荷情況。
然而，原生APS系統(tǒng)往往無法充分考慮到這些特殊約束規(guī)則，導(dǎo)致排產(chǎn)計劃的準(zhǔn)確性和靈活性受到影響。例如，如果排產(chǎn)算法無法理解定線的需求，可能會導(dǎo)致排產(chǎn)的批次在某設(shè)備上因設(shè)備能力不滿足技術(shù)要求無法生產(chǎn)，從而造成干擾和混亂;或者無法合理安排連批的生產(chǎn)順序，導(dǎo)致資源利用率低下或者產(chǎn)品交付延遲等等。
為了解決這些問題，我們收集整理了定線、連批、切換等方面的排程規(guī)則，并將其作為補(bǔ)充的約束規(guī)則加入到定制化的APS系統(tǒng)中。通過靈活的規(guī)則設(shè)置和算法優(yōu)化，定制化的APS系統(tǒng)可以更好地考慮這些特殊工藝要求和約束條件，提供精準(zhǔn)的排產(chǎn)方案。
2.2 結(jié)合PCB工藝和制造信息的定制化排產(chǎn)規(guī)則
在設(shè)備指定方面，針對工廠設(shè)備加工能力以及產(chǎn)品技術(shù)要求的分析，總結(jié)了圖形前處理、電鍍、激光鉆孔、機(jī)械鉆孔等產(chǎn)線的定線規(guī)則，并整合到APS系統(tǒng)產(chǎn)品工藝路線中，以得到精確的設(shè)備派工以及負(fù)荷情況，為生產(chǎn)調(diào)度提供決策支持。
圖1 APS產(chǎn)品工藝路線
圖1展示了某產(chǎn)品加工路線與對應(yīng)的設(shè)備組和優(yōu)先級，優(yōu)先級1為最高優(yōu)先級。圖中可見，該產(chǎn)品的凹蝕沉銅電鍍工序指定電鍍2#線加工;激光鉆孔工序在X1和X2激光鉆機(jī)組均可加工。在進(jìn)行排產(chǎn)時，設(shè)備產(chǎn)能根據(jù)優(yōu)先級由高到低進(jìn)行分配。
連批生產(chǎn)是PCB工廠常見的需求，即將多個相關(guān)生產(chǎn)任務(wù)視為一個整體進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，以減少切換時間和提高生產(chǎn)效率。針對層壓工序，混壓規(guī)則的歸納與應(yīng)用是提高產(chǎn)能利用率的重要手段。
混壓規(guī)則允許將不同訂單的產(chǎn)品一起作業(yè)，減少了單一訂單的排隊等待時間。圖2展示了基于混壓規(guī)則下的層壓工序?qū)崟r排產(chǎn)結(jié)果。該壓次實(shí)現(xiàn)了同尺寸孤立批次與批量產(chǎn)品的混壓，相比于單獨(dú)進(jìn)行每個訂單的層壓工序，混壓規(guī)則提高了壓機(jī)的利用率，減少切換時間，提高了生產(chǎn)效率。同時，也有助于推動產(chǎn)品設(shè)計的改進(jìn)和優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
圖2 APS壓合排產(chǎn)信息
設(shè)備切換是生產(chǎn)過程中必要的操作，但它會消耗一定的時間和資源。通過建模不同類型的設(shè)備切換，可以評估每種設(shè)備切換操作的時間成本和影響。這有助于準(zhǔn)確評估生產(chǎn)能力，避免過度計劃和資源浪費(fèi)。
圖3 APS設(shè)備切換類型設(shè)置
圖3展示了定義在電鍍2#的切換模式和優(yōu)先級。通過綁定產(chǎn)品編碼、沉銅段和電鍍段的配方信息來確定換型模式和時間，實(shí)現(xiàn)對切換過程的定量描述，為后續(xù)針對設(shè)備切換的精益改善提供基礎(chǔ)模型。排產(chǎn)方式SS(Start-Start)，表示某個任務(wù)的開始時間，不必在上一任務(wù)的結(jié)束時間之后，即可連續(xù)上板，常見于連線設(shè)備。在甘特圖中，可觀察到不同批次生產(chǎn)時間部分重疊現(xiàn)象，如圖4所示;另一類型為SE(Start-End)，表示某個任務(wù)的開始時間，必須在上一任務(wù)的結(jié)束時間之后，在甘特圖中可觀察到不同批次生產(chǎn)時間相互獨(dú)立。
個性化約束規(guī)則是原生APS系統(tǒng)在PCB工廠部署與應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題。通過與技術(shù)團(tuán)隊和APS系統(tǒng)供應(yīng)商的緊密合作，針對特定需求定制和優(yōu)化約束規(guī)則，可以最大程度地發(fā)揮APS系統(tǒng)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的排產(chǎn)和優(yōu)化。
三、 APS排產(chǎn)案例
3.1 實(shí)時生產(chǎn)計劃
實(shí)時排產(chǎn)RTS，每隔2小時自動更新在制品、配方、物料、庫存等信息進(jìn)行重排，能夠及時發(fā)現(xiàn)和反饋影響計劃執(zhí)行的生產(chǎn)擾動，向相關(guān)部門發(fā)送警報，包括生產(chǎn)、工藝、品質(zhì)、設(shè)備、計劃等部門。生產(chǎn)擾動主要包括品質(zhì)異常隔離、市場暫停、計劃暫停等。報警信息要求限時處理，超時未處理則升級。生產(chǎn)擾動消除后，在下一重排節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)將根據(jù)最新的信息糾正排產(chǎn)。最終，形成一套高效的異常處理閉環(huán)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)局部排產(chǎn)錯位的糾偏，保證承諾交期的可靠性。
圖4 實(shí)時排產(chǎn)界面——圖形DES線#2
圖4展示了圖形DES線#2的實(shí)時排產(chǎn)情況。圖中，第一至第四批次，進(jìn)行同料號連批排產(chǎn);然后在執(zhí)行切換后，繼續(xù)進(jìn)行連批排產(chǎn)。
針對在線異常情況，如批次異常暫停，APS實(shí)時排產(chǎn)功能提供了閉環(huán)的處理機(jī)制。當(dāng)批次異常處于暫停狀態(tài)時，實(shí)時排產(chǎn)在忽略該批次排產(chǎn)的同時，通過報警模塊推送異常報警信息。待現(xiàn)場處理完成后進(jìn)行批次放行，實(shí)時排產(chǎn)會在重排節(jié)點(diǎn)，讀取該批次最新狀態(tài)，繼續(xù)排產(chǎn)。
3.2 資源調(diào)度與平衡
資源調(diào)度與平衡是制造業(yè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，旨在合理分配和利用各種生產(chǎn)資源，以滿足生產(chǎn)計劃要求并最大化資源利用效率。
資源調(diào)度與平衡主要涉及到資源的分配、任務(wù)的調(diào)度、瓶頸資源的管理以及資源分配的平衡與優(yōu)化。
在資源分配與任務(wù)調(diào)度方面：(1)根據(jù)定線規(guī)則，精確分流，反映設(shè)備真實(shí)負(fù)荷情況;(2)在主計劃排產(chǎn)計算結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品BOM信息及實(shí)時庫存，輸出物料協(xié)同計劃;(3)結(jié)合基礎(chǔ)路徑信息，輸出搬運(yùn)協(xié)同計劃等等。
圖5 圖形前處理干法-濕法分流
根據(jù)主計劃排產(chǎn)結(jié)果，以負(fù)荷率曲線反映各產(chǎn)線每日負(fù)荷情況以及剩余產(chǎn)能情況。以每周四停機(jī)保養(yǎng)的感光阻焊連線為例，如圖7所示。
圖6 物料協(xié)同計劃
圖7 主計劃資源負(fù)荷曲線圖
預(yù)排月產(chǎn)能統(tǒng)計與優(yōu)化。針對超負(fù)荷的瓶頸設(shè)備的優(yōu)化派工，支持多種策略，包括：收益優(yōu)先、營收優(yōu)先、成本優(yōu)先等，如圖8所示。
圖8 預(yù)排月產(chǎn)能統(tǒng)計-排產(chǎn)優(yōu)化策略
收益優(yōu)先策略是指在處理瓶頸工序時，優(yōu)先考慮生產(chǎn)能夠帶來最高收益的產(chǎn)品或訂單。APS系統(tǒng)通過對不同產(chǎn)品或訂單的收益水平進(jìn)行評估和排序，優(yōu)先安排生產(chǎn)高收益產(chǎn)品，以最大化企業(yè)的盈利。這種策略能夠優(yōu)化資源利用，提高生產(chǎn)效率，同時還能提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力。
與收益優(yōu)先策略不同，營收優(yōu)先策略是指在處理瓶頸工序時，優(yōu)先考慮生產(chǎn)能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來最高營收的產(chǎn)品或訂單。APS系統(tǒng)通過對不同產(chǎn)品或訂單的銷售額進(jìn)行評估和排序，優(yōu)先安排生產(chǎn)高營收產(chǎn)品，以最大化企業(yè)的總營收。這種策略有利于提高企業(yè)的市場份額和營業(yè)額。成本優(yōu)先策略是指在處理瓶頸工序時，優(yōu)先考慮生產(chǎn)成本最低的產(chǎn)品或訂單。APS系統(tǒng)通過對不同產(chǎn)品或訂單的生產(chǎn)成本進(jìn)行評估和排序，優(yōu)先安排生產(chǎn)低成本產(chǎn)品，以最大程度地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。這種策略有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和盈利能力，降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)的競爭優(yōu)勢。
通過對APS系統(tǒng)中的收益優(yōu)先策略、營收優(yōu)先策略和成本優(yōu)先策略的深入探討，可以有效提高企業(yè)在處理瓶頸工序時的決策能力和生產(chǎn)效率。企業(yè)在選取合適的優(yōu)先策略時，需綜合考慮企業(yè)的經(jīng)營模式、市場環(huán)境和資源限制，以實(shí)現(xiàn)最佳的生產(chǎn)調(diào)度和盈利優(yōu)化。
4 結(jié)論
定制化的APS系統(tǒng)在PCB智能工廠中帶來了諸多效益，并且在未來還有進(jìn)一步發(fā)展的方向。
定制化的APS系統(tǒng)可以提供精確的排產(chǎn)計劃和調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn)過程。它結(jié)合了PCB行業(yè)的特點(diǎn)和需求，通過實(shí)時數(shù)據(jù)和智能算法，生成高效準(zhǔn)確的排產(chǎn)計劃，滿足不同類型的電路板產(chǎn)品和工藝流程的需求。
此外，定制化的APS系統(tǒng)能夠優(yōu)化資源和容量的管理，提高生產(chǎn)線利用率和產(chǎn)量。它準(zhǔn)確分配和優(yōu)化各種資源，包括設(shè)備、原材料和人力資源，確保生產(chǎn)環(huán)節(jié)的協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)最大化的產(chǎn)量和效益。
定制化的APS系統(tǒng)提供了實(shí)時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和預(yù)測能力，幫助企業(yè)管理人員及時了解生產(chǎn)狀態(tài)并做出決策。通過收集和分析實(shí)時數(shù)據(jù)，APS系統(tǒng)能夠預(yù)測生產(chǎn)瓶頸和風(fēng)險，并提供解決方案，從而降低成本、提高質(zhì)量和縮短交付周期。
在未來，定制化APS系統(tǒng)的發(fā)展方向可能包括深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析，以提高智能化水平;結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控和信息交互;以及協(xié)同規(guī)劃和供應(yīng)鏈管理整合，優(yōu)化供應(yīng)鏈效率和庫存管理。
綜上所述，定制化的APS系統(tǒng)通過提供精確的排產(chǎn)計劃、優(yōu)化資源利用、實(shí)時監(jiān)控和預(yù)測能力，為PCB智能工廠帶來了效益。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，定制化APS系統(tǒng)在PCB智能工廠中的發(fā)展將更加智能化、數(shù)據(jù)驅(qū)動化、實(shí)時協(xié)同化和自動化，為企業(yè)創(chuàng)造更大的競爭優(yōu)勢。
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