APS系统在PCB智能工厂的应用与优化

在PCB（印制电路板）制造行业中，为了应对市场需求的快速变化、提高生产效率和优化资源利用等挑战，越来越多的PCB智能工厂开始引入和应用APS系统。APS系统作为一种专注于生产计划排程和优化的工具，集成了排程、优化和模拟等功能，被广泛应用到制造业中。

本文首先介绍APS系统对于PCB工厂的价值以及排产基本逻辑；然后阐述APS项目在工厂实施过程中面临的个性化规则缺失问题和部分解决方案；最后在整体上介绍所实施的APS系统在实时生产计划、资源调度与平衡等方面，为实际生产策划安排提供科学、高效的决策支持，为其他PCB制造业实施APS系统提供借鉴和参考。

1 基于 TOC 理论的 APS 系统

1.1 APS系统在PCB工厂的定位与价值

APS系统在PCB智能工厂的应用主要包括以下几个方面：

生产计划优化：通过分析订单需求、资源约束和工艺要求等数据，生成最优的生产计划，确保生产任务按时完成，并最大程度地提高资源利用率。

快速响应市场需求：PCB行业市场需求波动大，APS系统具备快速调整生产计划的能力，实时根据市场需求变化进行生产计划调整与优化，确保生产计划与市场需求保持一致。

资源协调与平衡：可以对工厂中的各类资源进行协调和平衡，包括人力资源、设备资源和材料资源，以最大程度地提高资源利用效率，避免资源浪费与瓶颈出现。

降低生产成本：通过优化生产计划、减少库存水平和降低生产过程中的浪费，降低生产成本，提高企业竞争力。

提升生产效率：实时监控和调度生产过程，及时发现和解决生产中的问题，提高生产效率和产品质量，缩短生产周期，加快交付速度。

上述APS系统优化功能的实现，不仅依赖于所使用的优化算法；更关键的是系统基础模型对物理工厂的正确表达，即工厂模型与现实的一致性。

1.2 基于TOC的APS系统原理

基于TOC的APS系统，是一种用于优化生产过程的先进技术工具，其计算原理主要包括以下几个关键步骤：

首先，通过对生产流程进行建模和分析，确定整个生产过程中的关键环节和约束条件。这些约束可以是设备的产能限制、人力资源的瓶颈、物料供应的不确定性等因素。

其次，根据生产计划和订单需求，结合实际的约束条件，利用数学建模和优化算法，对生产过程进行规划和调度。

这包括确定最优的生产顺序、分配资源和制定时间表，以最大程度地提高生产效率和资源利用率。

接着，监控和跟踪生产过程中的关键指标，如交付时间、生产成本、库存水平等，以及时发现并处理潜在的问题和风险。同时，系统还会根据实时数据对生产计划进行调整和优化，以应对突发情况和变化的需求。

最后，通过反馈机制和持续改进的方法，不断优化生产过程，提高生产效率和产品质量，实现持续改善和持久竞争优势。

总的来说，基于TOC理论的APS系统，通过识别和管理约束，优化生产计划和调度，实现生产过程的最大化价值，提高企业的竞争力。

2 个性化定制的排产规则

2.1 原生APS系统的排产缺陷

在实际的部署与应用过程中，原生APS系统在排产中可能存在一些缺陷，其中一个关键问题是缺少对PCB工厂的个性化约束规则。原生APS系统的功能和界面通常较为固定，难以满足不同行业和企业的个性化需求。在PCB制造这样的特定行业中，由于其复杂的工艺要求和资源限制，原生APS系统可能无法提供精准的排产解决方案。

例如定线、连批、切换等规则。定线规则，指同一工序，因产品技术要求差异需要分配到不同设备加工的判断规则。连批规则，指将不同产品安排到同一任务单中连续生产的判断规则，以最大程度地利用设备和材料资源。切换规则，要求在设备维度，对不同产品间的切换场景及必要产能损耗情况进行定性、定量描述，以支持系统准确评估产能负荷情况。

然而，原生APS系统往往无法充分考虑到这些特殊约束规则，导致排产计划的准确性和灵活性受到影响。例如，如果排产算法无法理解定线的需求，可能会导致排产的批次在某设备上因设备能力不满足技术要求无法生产，从而造成干扰和混乱；或者无法合理安排连批的生产顺序，导致资源利用率低下或者产品交付延迟等等。

为了解决这些问题，我们收集整理了定线、连批、切换等方面的排程规则，并将其作为补充的约束规则加入到定制化的APS系统中。通过灵活的规则设置和算法优化，定制化的APS系统可以更好地考虑这些特殊工艺要求和约束条件，提供精准的排产方案。

2.2 结合PCB工艺和制造信息的定制化排产规则

在设备指定方面，针对工厂设备加工能力以及产品技术要求的分析，总结了图形前处理、电镀、激光钻孔、机械钻孔等产线的定线规则，并整合到APS系统产品工艺路线中，以得到精确的设备派工以及负荷情况，为生产调度提供决策支持。

图1 APS产品工艺路线

图1展示了某产品加工路线与对应的设备组和优先级，优先级1为最高优先级。图中可见，该产品的凹蚀沉铜电镀工序指定电镀2#线加工；激光钻孔工序在X1和X2激光钻机组均可加工。在进行排产时，设备产能根据优先级由高到低进行分配。

连批生产是PCB工厂常见的需求，即将多个相关生产任务视为一个整体进行连续生产，以减少切换时间和提高生产效率。针对层压工序，混压规则的归纳与应用是提高产能利用率的重要手段。

混压规则允许将不同订单的产品一起作业，减少了单一订单的排队等待时间。图2展示了基于混压规则下的层压工序实时排产结果。该压次实现了同尺寸孤立批次与批量产品的混压，相比于单独进行每个订单的层压工序，混压规则提高了压机的利用率，减少切换时间，提高了生产效率。同时，也有助于推动产品设计的改进和优化，提高产品质量和生产效率。

图2 APS压合排产信息

设备切换是生产过程中必要的操作，但它会消耗一定的时间和资源。通过建模不同类型的设备切换，可以评估每种设备切换操作的时间成本和影响。这有助于准确评估生产能力，避免过度计划和资源浪费。

图3 APS设备切换类型设置

图3展示了定义在电镀2#的切换模式和优先级。通过绑定产品编码、沉铜段和电镀段的配方信息来确定换型模式和时间，实现对切换过程的定量描述，为后续针对设备切换的精益改善提供基础模型。排产方式SS（Start-Start），表示某个任务的开始时间，不必在上一任务的结束时间之后，即可连续上板，常见于连线设备。在甘特图中，可观察到不同批次生产时间部分重叠现象，如图4所示；另一类型为SE（Start-End），表示某个任务的开始时间，必须在上一任务的结束时间之后，在甘特图中可观察到不同批次生产时间相互独立。

个性化约束规则是原生APS系统在PCB工厂部署与应用中需要解决的关键问题。通过与技术团队和APS系统供应商的紧密合作，针对特定需求定制和优化约束规则，可以最大程度地发挥APS系统的优势，实现高效准确的排产和优化。

3 APS排产案例

3.1 实时生产计划

实时排产RTS，每隔2小时自动更新在制品、配方、物料、库存等信息进行重排，能够及时发现和反馈影响计划执行的生产扰动，向相关部门发送警报，包括生产、工艺、品质、设备、计划等部门。生产扰动主要包括品质异常隔离、市场暂停、计划暂停等。报警信息要求限时处理，超时未处理则升级。生产扰动消除后，在下一重排节点，系统将根据最新的信息纠正排产。最终，形成一套高效的异常处理闭环机制，实现局部排产错位的纠偏，保证承诺交期的可靠性。

图4 实时排产界面——图形DES线#2

图4展示了图形DES线#2的实时排产情况。图中，第一至第四批次，进行同料号连批排产；然后在执行切换后，继续进行连批排产。

针对在线异常情况，如批次异常暂停，APS实时排产功能提供了闭环的处理机制。当批次异常处于暂停状态时，实时排产在忽略该批次排产的同时，通过报警模块推送异常报警信息。待现场处理完成后进行批次放行，实时排产会在重排节点，读取该批次最新状态，继续排产。

3.2 资源调度与平衡

资源调度与平衡是制造业生产过程中的重要环节，旨在合理分配和利用各种生产资源，以满足生产计划要求并最大化资源利用效率。

资源调度与平衡主要涉及到资源的分配、任务的调度、瓶颈资源的管理以及资源分配的平衡与优化。

在资源分配与任务调度方面：（1）根据定线规则，精确分流，反映设备真实负荷情况；（2）在主计划排产计算结果基础上，结合产品BOM信息及实时库存，输出物料协同计划；（3）结合基础路径信息，输出搬运协同计划等等。

图5 图形前处理干法-湿法分流

根据主计划排产结果，以负荷率曲线反映各产线每日负荷情况以及剩余产能情况。以每周四停机保养的感光阻焊连线为例，如图7所示。

图6 物料协同计划

图7 主计划资源负荷曲线图

预排月产能统计与优化。针对超负荷的瓶颈设备的优化派工，支持多种策略，包括：收益优先、营收优先、成本优先等，如图8所示。

图8 预排月产能统计-排产优化策略

收益优先策略是指在处理瓶颈工序时，优先考虑生产能够带来最高收益的产品或订单。APS系统通过对不同产品或订单的收益水平进行评估和排序，优先安排生产高收益产品，以最大化企业的盈利。这种策略能够优化资源利用，提高生产效率，同时还能提高企业的经济效益和市场竞争力。

与收益优先策略不同，营收优先策略是指在处理瓶颈工序时，优先考虑生产能够为企业带来最高营收的产品或订单。APS系统通过对不同产品或订单的销售额进行评估和排序，优先安排生产高营收产品，以最大化企业的总营收。这种策略有利于提高企业的市场份额和营业额。成本优先策略是指在处理瓶颈工序时，优先考虑生产成本最低的产品或订单。APS系统通过对不同产品或订单的生产成本进行评估和排序，优先安排生产低成本产品，以最大程度地降低企业的生产成本。这种策略有利于提高企业的生产效率和盈利能力，降低生产成本，增加企业的竞争优势。

通过对APS系统中的收益优先策略、营收优先策略和成本优先策略的深入探讨，可以有效提高企业在处理瓶颈工序时的决策能力和生产效率。企业在选取合适的优先策略时，需综合考虑企业的经营模式、市场环境和资源限制，以实现最佳的生产调度和盈利优化。

4 结论

定制化的APS系统在PCB智能工厂中带来了诸多效益，并且在未来还有进一步发展的方向。

定制化的APS系统可以提供精确的排产计划和调度，以实现更高效的生产过程。它结合了PCB行业的特点和需求，通过实时数据和智能算法，生成高效准确的排产计划，满足不同类型的电路板产品和工艺流程的需求。

此外，定制化的APS系统能够优化资源和容量的管理，提高生产线利用率和产量。它准确分配和优化各种资源，包括设备、原材料和人力资源，确保生产环节的协同运作，实现最大化的产量和效益。

定制化的APS系统提供了实时的生产数据监控和预测能力，帮助企业管理人员及时了解生产状态并做出决策。通过收集和分析实时数据，APS系统能够预测生产瓶颈和风险，并提供解决方案，从而降低成本、提高质量和缩短交付周期。

在未来，定制化APS系统的发展方向可能包括深度学习和大数据分析，以提高智能化水平；结合物联网和工业互联网技术，实现实时监控和信息交互；以及协同规划和供应链管理整合，优化供应链效率和库存管理。

综上所述，定制化的APS系统通过提供精确的排产计划、优化资源利用、实时监控和预测能力，为PCB智能工厂带来了效益。未来，随着技术的不断进步，定制化APS系统在PCB智能工厂中的发展将更加智能化、数据驱动化、实时协同化和自动化，为企业创造更大的竞争优势。

来源：新工业网|作者：汕头超声印制板（三厂）有限公司 王碧海

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