当前，全球制造业面临着生产成本不断攀升、劳动力资源短缺、客户需求个性化、竞争加剧等诸多挑战。随着数字化技术、工业自动化技术和人工智能技术的迅速发展，制造业正在进入智能制造时代。印制电路板（PCB）行业同样面临这些问题。

本文从回顾智能制造的发展历程，聚焦到当前PCB行业智能制造实践上来，并从PCB智能制造实践涉及的智能制造关键使能技术、智能制造成熟度模型标准、智能制造规划方法、智能制造方案实施注意事项4个方面，分享智能制造在PCB行业实践的理论知识和经验。

1 智能制造的发展历程

智能制造的概念经历了提出、发展和深化等不同阶段。最早在20世纪80年代，美国的Wright和Bourne在专著《制造智能》中首次提出：“通过集成知识功能、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制来对制造技工的技能与专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产”。1991年，美国、日本、欧盟等国家和组织在共同发起实施的“智能制造系统国际合作研究计划”中提出“智能制造系统是一种在整个制造过程中贯穿智能活动，并将这种智能活动与智能机器有机融合，将整个制造过程从订货、产品设计、生产到市场销售等各环节以柔性方式集成起来的能发挥最大生产力的先 进生产系统”。美国国家标准与技术研究院在《智能制造系统现行标准体系》报告中提到，智能制造区别于其他基于技术的制造范式，是一个有着增强能力、面向下一代制造的目标愿景，它基于新兴的信息和通信技术，并结合了早期制造范式的特征。

我国的智能制造研究开始于1986年，中国科学院院士杨叔子开展了人工智能与制造领域中的应用研究工作。工业和信息化部在《智能制造发展规划（2016—2020年）》中定义，智能制造是“基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式”。智能制造是制造业价值链各个环节的智能化，是融合了信息与通信技术、工业自动化技术、现代企业管理技术、先进制造技术和人工智能技术5大领域技术的全新制造模式。

中国的PCB产业在改革开放后得到了迅猛发展。但因PCB个性化定制的料号繁多、工艺要求复杂等特点，长期存在能耗高、污染大等问题，同时还面临着效率低、成本高、交期紧和质量管理难度大等问题。随着同质化竞争愈演愈烈，原材料和人力等成本不断上涨，不断压缩PCB企业的利润空间。因此，传统PCB制造模式已难以满足智能化新时期PCB行业的生产需求。近几年国内的众多PCB厂纷纷加大在智能制造方面的投入，期望掌握智能化工厂建设的关键技术，在PCB智能制造中脱颖而出。

2 智能制造关键使能技术

智能制造的推进离不开使能技术的支撑。实践中有研究机构提出了5类关键技术的集合，基于此可以快速理解一些智能制造的概念，并对智能制造有一个整体认识，为智能制造实践建立基础，见表1。在规划和建设一座理想的智能制造的PCB工厂之前，有必要认清这些技术关键点。下面分别详细介绍一下各项技术的概念和内容。

表1 智能制造关键使能技术列表

2.1 信息与通信技术

信息与通信技术（ICT）是信息技术和通信技术创新发展和融合应用的产物。当前，我国正在大力推进5G+工业互联网应用。比如在PCB的设备上部署的物联网盒子，将各类传感器采集的数据通过4G或5G的SIM卡传到工业互联网平台，再通过工业大数据和人工智能技术进行分析处理。

信息技术的应用更离不开工业软件的作用，工业软件是计算机科学、数学、物理和管理学等各领域科学技术蓬勃发展与交叉融合的产物。本文主要聚焦在PCB企业应用的业务支撑软件。

PCB工厂应用的软件一般分3类。

（1）产品数字化软件：支持PCB生产厂家进行研发创新的工具类和平台类软件。具体包括计算机辅助制造（CAM）、电子设计自动化（EDA）、产品数据管理/产品生命周期管理（PDM/PLM）以及一些专用软件，比如阻抗模拟软件、工艺仿真软件、电磁场仿真软件等。

（2）管理软件：支持企业业务运营的各类软件，包括企业资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）、客户关系管理（CRM）、供应链管理（SCM）、供应商关系管理（SRM）、企业资产管理（EAM）、人力资本管理（HCM）、商业智能（BI）、高级计划和排程（APS）、质量管理系统（QMS）、项目管理（PM）、能源管理系统（EMS）、移动设备管理（MDM）、实验室管理系统（LIMS）、业务流程管理（BPM）、协同办公与企业门户等。

随着移动通信技术的普及，越来越多的管理软件支持手机APP、基于角色分配权限、集成位置信息，能够将相关信息推送到不同类型的用户。

（3）工控软件：支持对设备和自动化产线进行管控、数据采集和安全运行的软件，包含先进过程控制（APC）、集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、分布式数控与生产数据采集（DNC/MDC），以及工业网络安全软件等。其中，DCS、PLC和SCADA的控制软件与硬件设备紧密集成，是建设PCB智能化工厂的工业物联网应用的基础。

工业软件具有鲜明的行业特质，不同行业、不同生产模式、不同产品类型的制造企业，对工业软件的需求差异很大。因此，工业软件需要很强的可配置性，并具备二次开发的能力。例如，PCB工厂使用的MES，不同PCB厂之间的管理要求不同，MES设计也会不相同，这也是PCB智能工厂建设的一个难点。某信息科技公司自主研发的数字化智能制造系统，已经帮助客户建设了初级智能制造工厂，成为PCB工厂在智能制造征程上的强有力的助推器。

在PCB厂里众多的工业软件中，曝光度最高的是ERP系统和MES。下面重点介绍ERP和MES这2种工业软件。理解这2个系统的概念和功能，更有利于理解智能制造。

ERP是制造企业的核心管理软件。ERP系统的基本思想是以销定产，协同管控企业的产、供、销、人、财、物等，帮助企业按照销售订单，基于产品的制造物料清（BOM）、库存、设备产能和采购提前期、生产提前期等因素，准确地安排生产和采购计划，进行及时采购、及时生产，从而降低库存和资金占用，帮助企业实现高效运作，确保企业能够按时交货，实现业务运作的闭环管理。

MES是一个车间级的管理系统，负责承接ERP系统下达的生产计划，根据车间需要制造的产品或零部件的各类制造工艺，以及生产设备的实际状况进行科学排产，并支持生产追溯、质量管理、生产进度管理、设备数据采集等闭环功能。在应用方面MES带有很强的行业特征，PCB行业工艺复杂，涉及的生产类型有连续性、离散型、连续型+离散型，涉及的专业知识有化工、机械、光学等，这就决定了车间生产情况十分繁杂，MES的定制化程度必须高度契合。

以ERP为中心，ERP与其他系统的集成关系如图1所示。这是以ERP作为企业管理、运营的一条主线，串联起公司的各个模块。

图1 ERP与其他系统集成关系

仓储管理系统（WMS）是一个实时的计算机软件系统，它能够按照运作的业务规则和运算法则，对信息、资源、行为、存货和分销运作进行更完美的管理，提高效率。

2.2 工业自动化技术

工业自动化技术是基于控制理论，综合运用仪器仪表、工业计算机、工业机器人、传感器和工业通信等技术，对生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策的综合性技术，包括工业自动化软件、硬件和系统3大部分。

工业自动化控制是PCB智能制造中生产基础设施的关键组成部分，实现对于PCB各个工艺模块、生产流程、生产设备等生产资源的最大化、最优化调配，从而最大限度发挥企业的生产能力。

PCB产业中自动化控制设备与系统主要由工业自动化系统、硬件和软件3部分组成。比如，一台先进的自动化字符喷印设备，必然包含先进的自动化设计、可靠的硬件，再配备安全、稳定的软件系统，并具备良好的通信和信息交换功能，在智能化工厂中进行互联互通。

要想实现智能制造，设备必须具备必要的自动化控制系统。自动化控制的结构和核心组件在智能化浪潮中逐渐形成以下几个关键部分：①可编程逻辑控制器；②数据采集与监视控制系统；③远程终端单元；④通信技术；⑤协议。这些都是智能制造建设必不可少的要素。智能化工厂建设在前期设备规划时，必须考虑设备的自动化程度，选择适合自己工厂的自动化设备非常关键，旧工厂的改造同样面临这个问题，这是所有智能化工厂建设的基石。

2.3 先进制造技术

先进制造技术（AMT）是各类新兴制造技术的统称，包括新材料、新工艺、产品设计技术和精密测量技术等。

比如，在PCB产业中，应用到PCB线路制作的激光直接成像（LDI）技术、在线自动光学检查（AOI）技术、油墨喷印技术，解决了PCB在制作过程中精度、效率等众多难题，为智能制造提供了必要的条件，这些都是AMT在PCB行业的具体体现。AMT在PCB行业涉及非常广泛，这里不做展开介绍。

2.4 人工智能技术

人工智能（AI）技术发展已形成了人工神经网络、机器学习、深度学习、知识图谱等相关算法，国际上出现了多种开源人工智能引擎。

在PCB工厂中，AI的运用也越来越广泛，比如：基于AI的影像识别，可以帮助企业解决重点危险源的巡视检查自动预警；PCB产品在AOI等检测设备检查完之后，需要大量的人工进行复判识别，现在可以使用AI技术，通过海量数据的学习、计算来判定，从而取代人工，提升效率、节约成本和保证品质；生产工艺参数的AI建模，可以帮助达到最优的生产条件等。这些手段和方法使生产效率得到了成倍的提升。

2.5 现代企业管理

《孙子兵法》中提到：“上下同欲者胜”，一个企业要做到“上下同欲”，一是仰仗强有力的组织文化，二是依靠先进的企业管理制度。在制造业的发展中，工业工程、精益生产、柔性制造、敏捷制造、全面质量管理、供应链管理和六西格玛等先进的企业管理理念不断涌现。这些先进的现代企业管理理念强调企业管理的规范化、精细化和人性化，消除一切浪费，从串行工程走向并行工程，从多个维度帮助制造企业提升产品质量、提高生产效率、敏捷应对市场变化。通过这些管理理念的实践，为制造业指明了持续改善的方向。

3 智能制造能力成熟度模型

用于实施智能制造过程改进提升的成熟度模型称为智能制造能力成熟度模型（CMMM），CMMM评估是依据《智能制造能力成熟度模型》（GB/T39116—2020）和《智能制造能力成熟度评估方法》（GB/T39117—2020）2项国家标准开展的。评估企业当前整体智能制造发展水平，帮助企业识别自身发展过程中的短板与不足，确定智能制造能力提升改进方向，以指导企业提升智能制造水平，增强企业竞争力。PCB企业通过CMMM对应等级的认证，可以得到政府相应的经济支持，也可以提升客户的认可度。

3.1 智能制造能力成熟度模型的构成

智能制造能力成熟度模型描述了企业实施智能制造要达到的阶梯目标和演进路径，该标准聚焦“企业如何提升智能制造能力”的问题，阐述实现智能制造的核心要素、特征和要求。提出4个能力要素维度、12个能力域、20个能力子域，以及1套评估方法构成了整个成熟度模型，如图2所示。通过综合评价企业数字化、网络化、智能化发展水平，引导制造业企业基于现状合理制定目标，有规划、分步骤地实施智能制造工程。

图2 CMMM成熟度模型

3.2 智能制造能力成熟等级

依据智能制造能力，CMMM评估从低到高分为5个等级：①规划级，进行规划和流程化管理；②规范级，进行改进和规范，实现数据共享；③集成级，对装备和系统集成；④优化级，智能化生产；⑤引领级，持续优化创新。覆盖设计、生产、物流、销售、服务、资源要素、互联互通、系统集成、信息融合、新兴业态等10个方面。成熟度等级规定了制造业企业智能制造能力在不同阶段应达到的水平。

3.3PCB智能工厂智能制造成熟度四级要求

成熟度模型最高等级为五级，能达到此级别应该是PCB行业中佼佼者。本文以达到四级标准为例，就其中人力和技术两大能力要素展开，给出PCB工厂的实践参考。

首先，人员要素包含组织战略和人员技能2个能力域，各包含1个能力子域，都要达到四级标准。

（1）组织战略要求：①PCB智能工厂层面必须对工厂制定的智能制造战略执行情况进行过程管理和监督，并且对关键指标进行测评，有持续优化的方案；②定期对工厂的岗位设计和岗位职责进行适宜性评估，由评估结果输出岗位调整和岗位职责优化的措施。

（2）人员技能要求：①PCB智能工厂必须建立知识管理平台，实现人员知识、技能、经验的沉淀与继承；②把人员的知识、技能和经验进行数字化管理和软件化，比如收集工厂各类大数据建立AI模型，或者将最优的配方数据记录在软件中，供研发、工艺调用。

其次，技术要素包含数据、集成和信息安全能力域，各包含1个能力子域，要达到四级标准。

（1）数据要求：①PCB智能工厂要建立企业级的数据中心，设专门的数据管理分析人员；②建立常用的数据分析模型库，支持各业务人员快速进行数据分析；③利用AI数据模型，为制造各环节提供预测、优化、决策的建议。

（2）集成要求：PCB智能工厂能通过企业服务总线（ESB）等方式实现全业务活动的集成。

（3）信息安全要求：①PCB智能工厂的工业网络应部署具有深度包解析功能的安全设备；②离线测试环境下，工厂内使用的设备应有保证安全的措施；③工厂内有1套可靠的安全防护软件，能具备自学习、自优化的功能。

4 智能制造规划步骤

“凡事预则立，不预则废”，建设一座PCB智能化工厂，必须做好规划。推进智能制造是一个复杂的系统工程，需要结合企业的发展战略、发展现状、行业地位、产品定位等，制定明确的推进计划。比较行之有效的智能制造规划4步骤如图3所示。下面阐述PCB智能化工厂建设的实践步骤。

图3 智能制造规划四步骤

4.1 现状评估阶段

本阶段对PCB企业业务、系统与集成方面进行全面调研与评估，同时结合PCB行业特点，建立符合企业特点的智能制造评估指标体系，并对企业进行定量或半定量评估。此外，还可结合智能制造成熟度模型进行水平评估和短板分析，成为需求分析和智能制造整体规划的重要依据。

现状调研通过问卷调查、现场调研、现场访谈等多种调研方式相结合，对企业的产品研发、生产计划执行、采购供应、物流配送、在制品管理、工艺管理、质量管理、设备管理、作业人员管理、生产作业效率、数据采集、设备联网、能耗、产品运维服务等方面的现状进行摸底，对关键绩效指标进行评判，评估企业的智能制造现状和水平，诊断需要整改的问题。

本阶段还有一个重要的任务是诊断企业在信息系统和自动化系统应用方面存在哪些疑难杂症，例如信息孤岛、基础数据不准确、零部件和产品无追溯管理，流程断点多、自动化产线缺乏柔性、产线换料次数过多和换料时间过长、车间未进行联网，设备数据没有自动采集难以实现物料的准确追溯、信息系统缺失或应用效果不理想，多个系统之间需要手工转换或手工录入数据，智能制造推进的组织不健全、企业的信息系统无法实现决策支持等。本阶段也要收集各个部门对信息系统和自动化系统的满意度、对业务的支撑程度等信息，从而为下一阶段的需求分析打下良好的基础。

4.2 业务改进与需求分析

基于企业的发展战略，依据前期的调研和评估结论及与标杆企业的对标，对企业的业务流程进行梳理、优化和建模。可以借鉴企业架构（EA）的方法进行业务流程建模，应用集成信息系统架构（ARIS）方法。ARIS模型是德国Scheer教授提出的一种面向过程的、集成化的信息系统模型框架，能够将企业的组织架构、产品/服务、信息系统功能、数据与业务流程进行关联和流程执行的仿真。著名的ARIS房结构如图4所示。

图4 ARIS房结构

PCB智能工厂建设前，对企业的业务流程进行梳理十分重要，便于明确各应用系统的使用方式和范围。

对一般PCB智能工厂业务流程的梳理如图5所示。

图5 一般PCB工厂业务流程示意

在PCB智能工厂中，注重流程和资源管理的有市场管理系统、财务系统及人力资源系统等，可以使用ERP系统将其整合。注重执行层的有生产制造系统、计划系统、品质管理系统等，可以整合到MES中。对于其他的生产支援系统可以根据公司自身情况设定，比如研发系统、PLM系统等等，归为ERP系统或集成到MES中对功能实现影响不大。总之，要尽量避免出现系统功能重叠、信息孤岛等问题。

4.3 智能制造架构整体规划

结合以上评估分析，提出企业智能制造推进的短期、中期和长期目标，并对智能制造系统的整体架构、核心应用以及智能制造支撑体系进行全面、系统的规划。参考《国家智能制造标准化建设体系指南》（2021版）的智能制造工厂的架构，建立一个PCB智能化工厂的架构，如图6所示。并根据PCB智能化工厂架构，挑选个别的应用场景进行详细的方案介绍，以供参考。

图6 PCB智能工厂架构举例

6的架构主要分4个层次：①数据采集层，主要是自动化集成、公共基础设施和网络设备之间的互通互联，是智能化工厂的基础；②制造执行层，属于智能工厂的中流砥柱，MES在此层次中处于核心地位，串联各生产工序，贯穿整个PCB产品的生产制造全过程，智能工厂的大部分功能在这一层次实现；③企业运营层，呈现在ERP运用上，注重企业的流程、资源方面的管理；④企业决策层，所有系统输出的信息数据进行智能分析，输出经营者决策时需要的信息或者通过AI直接输出决策结果，帮助企业实现智能化的运营管理。

PCB制造是一个复杂的过程，智能制造建设中可以分模块策划实施，便于机动灵活地分阶段分步骤进行。以PCB产品追溯在MES中的应用为例，追溯方案如图7所示。

图7 PCB产品追溯方案

这里主要使用二维码扫码技术，将生产中生成的工单批号转化成二维码。产品内层、外层、成型各个环节信息环环相扣，层层传递，使每一片产品都有一个单独的ID身份，再结合IOT系统将生产过程中的数据采集后对应赋值，使PCB从生产到出货全流程可追溯，大大提升产品的可信度，并且为数字智能化工厂积累必要的资源。

4.4 智能制造规划的实施落地

在智能制造架构整体规划确定后，应制定具体的实施方案。具体工作内容是：明确企业推进智能制造的组织架构，包括领导小组和实施小组；确定未来若干年度（一般3年）的实施路线图和经费预算；制定智能制造人才培养的具体方案。

同时，在智能制造整体架构规划的基础上，根据企业的实际需求，可以制定一系列专项的实施方案。例如，制定智能制造标准体系框架、智能车间设备布局与物流规划、智能产线设计、工业互联网应用方案、数字孪生技术应用方案、工业大数据与人工智能技术应用方案、数据治理方案、智能产品与智能服务实施方案和信息安全与工控安全推进方案等。

以上为PCB智能制造工厂建设改造的落地实施提供一些思路、工具。但是每个工厂的实际情况也不一样，需要根据自身实际情况做出选择。

4.5 实施注意事项

一般PCB智能工厂建设有3种常见的实施方式。

（1）工厂找专业的第三方智能化方案及实施者，完全交给第三方策划和实施。

（2）工厂自己组建团队完成所有的策划和实施。

（3）工厂组建项目团队，包含策划和信息技术人员，再请第三方智能化方案及实施团队参与部分策划和执行全部的实施。

3种方式各有优缺点，比如第一种模式就需要第三方项目策划人员在PCB行业具备专业的技术、业务知识才能保证方案可靠性，否则便成“纸上谈兵”。第二种模式，需要工厂内部有深厚的PCB技术沉淀和强大的信息技术团队，尤其是信息技术人员的培养不是一蹴而就的，并且花费的成本也是必须考虑的方面。第三种模式是现在工厂采用比较多的，在工厂内信息技术人员能力不足的情况下，成立项目组，由各个部门资深的业务人员组成跨部门的项目团队，搭配工厂少量的信息技术人员，与第三方配合，共同实现PCB智能化工厂建设，同时工厂内信息技术人员的能力在实施过程中也可以得到相应的提升。

无论选用哪种模式，“三分技术、七分管理，十二分实施”，项目实施成功的重点在于有科学的实施方法论指导。同时，整个项目必须有企业高层领导的全力支持，这是项目成功的关键。

5 结语

随着PCB行业的经营环境变化，企业面临的挑战越来越严峻，智能制造是提升企业竞争力的有效手段。智能制造的道路还很长，需要每一位PCB从业者披荆斩刺，共同创造智能未来。

作者：昆山市华新电路板有限公司  胡晓