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蒐集生產線上304個數據進行良率預測 燿華公開完整智慧製造生產線

  • 廖家宜

由於電子產品越趨強調功能性與輕薄短小等訴求,加上產品升級速度加快,種種市場變化都讓未來電路板的生產難上加難,製程複雜程度也遠勝從前。燿華電子副總經理李麗君便指出,像新一代的蘋果耳機AirPods其製程逾200道工序,相較早期的PCB多了十倍以上。這讓PCB產業必須儘快因應市場變化調整生產策略。


燿華電子在PCB A-Team計畫中擔任開路先鋒。燿華

相較於其他PCB業者,燿華的產品線有60%集中在消費性電子產品,製程複雜度的成長也帶給燿華一場嚴峻的考驗。因此對於燿華來說,現階段透過智慧製造讓產線升級是必須要走的路。去年10月,PCB A-Team計畫在台灣電路板協會(TPCA)的促成下,結合工業電腦大廠研華與PCB設備廠迅得機械等單位共同成軍。

而燿華便在A-Team計畫中擔任開路先鋒,以PCB產業最關鍵的濕製程做為示範產線,建立從電鍍、前處理、壓膜、曝光至蝕刻等生產流程的智慧化,而其中,燿華生產線之所以能達到智慧化的核心關鍵,便是於利用生產線上的大數據進行智慧動態排程,以及建立產品履歷追溯平台。

對於燿華來說,智慧動態排程為何如此重要?事實上,這和企業成本支出息息相關。李麗君指出,以電鍍生產線為例,產線上的設備資產費用高昂,每每造價上億元,但電鍍線卻是濕製程當中的生產瓶頸,對於業者來說,當然希望投資報酬率符合期待,而提升設備稼動率最能有效反應在成本節流上,因此燿華便決定在此次的A-Team計畫中,透過開發智慧動態排程技術取代過去人力派工,儘可能讓產能利用率達到100%。

燿華如何做到智慧動態排程?

以提升產能利用率為目標,燿華此次在示範產線上總共蒐集了304個數據節點,這些數據包括來自於生產線上取代傳統量表的感測器、機台設備的控制器或IPC以及點檢紀錄等。從生產線的設備層撈出304個數據後,下一步則由工研院接手進行大數據分析,剖析這304個數據中究竟哪些是最能直接影響生產品質的顯著因子,並依此建立生產線良率預測模組。

未來利用設備層的即時參數比對良率預測模組後,燿華就可以得知目前哪條生產線或設備具有較佳的生產良率,並將預測結果透過MES串連ERP與PLM系統完成智慧化自動排程,來配置不同的設備生產組合。因此當生產線面臨每日生產排程或緊急插單排程的需求時,系統便會透過良率預測結果建議適當的配置路線,如此一來不但可達到彈性生產,也有效取代過去透過人工排程降低效率,而讓產能的利用率儘可能達到100%。

而另一面,生產線上的大數據除了可利用於產線良率預測模組優化排程外,這些生產資訊還可被有效利用轉化為完整的產品履歷追溯平台。由於每一個生產環節將來都會被記錄下來,因此未來當客戶對產品有疑慮時,就可以透過異質資料整合平台追溯在過去某一時間點之下,該產品是在哪一條生產線上製作或曾經出過什麼問題等等。

燿華電子生產處經理邱垂康指出,產品履歷追溯平台的概念其實就是產品的「健保卡」,可以從中探查過往的病歷資料、追溯就醫紀錄等。除此之外,所有被記錄下來的生產資訊也能夠透過戰情室的呈現,實現生產流程「透明化」,未來不僅客戶受益,企業高層也能即時掌握工廠端的生產狀態下達決策。

「過往要花四個小時 只為了記錄量表資訊這件事」

採集設備層的數據通常被視為智慧製造的第一步,但這第一步看似簡單,卻讓製造業者走了很多年都無法真正跨出舊習。目前PCB產業在智慧製造的進展上,普遍存在單機智慧化不足的問題,最顯著的影響是由於舊設備不具備聯網、自動蒐集或彙整生產資訊的功能,因此一直以來主要還是藉由人工抄寫來獲取相關資訊。

你可能會因此好奇,生產線上的數據是靠人工取得還是設備自動生成,與優化排程、提高產能有什麼直接關係?但其實製程中的每一個步驟都是環環相扣的。


燿華以電鍍產線作為此次示範產線。燿華提供

燿華此次示範產線的重頭戲,是這條電鍍生產線。除了因電鍍不僅是濕製程的生產瓶頸,更是影響後續線路製程品質的關鍵,其次則是因為這條生產線上,有太多生產數據是靠傳統方式取得,也就是透過肉眼逐一手寫記錄。

實際走進產線,在電鍍槽周圍有許多傳統量表的身影。像浮子流量計就是一種監控電鍍槽內化學藥劑流量壓力的裝置。但時刻都在浮動的流量計所產生的數據幾乎每秒鐘都在變動,對燿華來說根本不可能24小時專人守候在一旁只為讀取即時量測的數據,因此過去燿華採取的是分班制的定時記錄,但如此一來準確率就會大幅降低。

而這又會面臨第二個問題。由於傳統量表尚未有大數據的概念,因此過去在判斷上也都是以範圍界定當作參考值,加上個人評判標準大不相同,「可能十個人來看發現十個數字都一樣」,邱垂康說。而這樣的數據紀錄一點意義都沒有。

不只浮子流量計,除此之外電鍍線上還有指針式的液壓表,類似於這種傳統量表在這條產線上大大小小加起來竟有上百個,邱垂康說,過往光是派員逐一記錄這些設備數據,就要花4個小時,但這四個小時所帶來的「效益」,不過是降低效率且正確率堪憂,而且也降低員工的附加價值。

邱垂康指出,大數據的時代除了講求即時性外,更要「錙銖必較」才能減少數據間的誤差,維度越高才能真正發揮數據價值。因此燿華便在這些傳統量表上加裝感測器,讓指針式的跳動改以數值化的方式呈現,讓量測結果不再只是「大概」或是「平均值」,不僅大幅降低人工記錄的失誤率風險,更提升採集設備資訊的效率。

事實上,在電鍍之後的前處理製程環境中同樣佈建著許多液壓表。前處理製程主要在基板鍍銅後,將其表面粗化以利後續壓膜與曝光。光是同一段工序中,機台內就可能同時多達28個噴頭在運作,一旦其中一個噴頭壓力不對造成噴洗不均,讓基板表面粗化的程度不一便會影響線路品質。因此液壓表的作用主要是用以偵測噴頭壓力,確保噴洗品質。

同樣地,前處理產線上的液壓表,以及後續包括壓膜、蝕刻等生產線上,也面臨跟電鍍線一樣的問題,生產資訊幾乎來自操作人員以目視記錄,或是另外利用影像辨識輸出。這些數據資料的取得不但格式不一,也有時間延滯的問題,更因為人工記錄有失誤風險,導致過去燿華蒐集到的準確率總是與實際狀況有所落差。

在這樣的情況下,生管人員根本無法在第一時間內掌握到各設備的狀態,導致在排貨配置機台的過程中困難重重而無法預料,在換線時更增加操作人員確認與備料的時間,往往耗時25~30分鐘,這些閒置時間對於消費者來說可能無感,但對製造業的生產線來說卻非常關鍵,試著想想,一台造價可能數億元的生產線真得可以容許短暫的閒置而毫無生產力嗎?


電鍍生產線的浮子流量計在判別上僅能目視刻度而無法取得更精密的數據。燿華提供

複製半導體成功模式建構標準語言

採集設備層的數據你可以看做是讓設備「開口說話」,但在各製造業中,每一種設備都可能來自不同廠商生產,也就是不同「國家」,語言隔閡往往是溝通的最大阻礙,而不同設備間缺乏標準的通訊協定也讓OT層的數據難以進一步打開溝通的大門,因此就算成功採集到各種設備的生產資訊,製造業者仍須透過途徑轉化為有效可利用的格式與標準,讓統一的資訊平台可以活用這些來自不同源頭的關鍵數據。

因此,此次PCB A-Team就跟隨半導體產業在先進智慧製造的腳步,複製其在SECS/GEM通訊標準的成功經驗,先在IaaS層開發Smart Box Gateway連結工廠內的舊機台或新機台已內建的標準介面,再統一透過SECS/GEM通訊標準將來自不同廠牌的機台設備與由研華主導的WISE-PaaS智慧製造共通平台連接起來,而未來SaaS層的軟體開發商就可以透過統一平台的標準模組進行資料擷取與分析,開發PCB智慧製造的專屬應用服務。像前述工研院為燿華開發的良率預測模組,也是基於此種形式因應而生。

智慧戰情室讓生產資訊透明化 精準控制生產變異

戰情室是現今製造業者強調數據可視化的一種呈現。基本上只要與成本支出相關的數據,往往都是企業高層最想掌握的資訊類型。而燿華位於土城二廠總公司內的戰情室也是如此。

燿華電子生產處資深專案經理張嘉純舉例,包括能夠有效提升成本節流的能源管理、出貨表現與達成率、與產能擴充或產線利用率息息相關的設備/產線實時稼動率、關乎良率的生產線品質監控等,都是這次在戰情室內主要呈現的內容,當然未來還可以再依據需求由IT部門開發擴充其他應用。

張嘉純指出,像在生產線品質監控的應用上,燿華也在電鍍槽內透過感測器監控各種化學藥劑的濃度,包括目前被認為最直接影響電鍍品質的光澤劑與硫酸銅。而在通過機聯網建構統一資訊平台後,過去這些必須要靠人工事後抽樣化驗的步驟也都一一被線上檢測取代,也能夠更即時精準地控制電鍍槽產品生產變異。


除了基本生產線動態監控畫面外,燿華戰情室也能掌控工廠能源管理,包括即時用電、碳排放量與省電度數等資訊。燿華提供

事實上,現行PCB產業智慧化的程度與半導體產業相比仍有很大的差距,業者自行預估大多只有「工業2.5」左右,而大部分的PCB業者目前都只做到基本資訊化,或單站製程的自動化控制,對於智慧製造的投入與發展都還在探索中。但是透過像燿華這樣的示範產線建置,另一方面也可以讓更多引頸期盼的中小型板廠描繪出更具體明確的發展方向,以擴散效應加速整個PCB產業升級。