精密電子元器件智能化精益制造平臺設(shè)計與實現(xiàn)

璩晶磊　李少波　姚雪梅　陳偉興

摘 要： 針對精密電子元器件制造企業(yè)產(chǎn)品制造周期管控問題，以制造執(zhí)行系統(tǒng)為核心，結(jié)合精益生產(chǎn)理論，提出了精密電子元器件智能化精益制造平臺架構(gòu)。為了解決制造過程數(shù)據(jù)采集和集成，設(shè)計了制造過程多源數(shù)據(jù)主動感知模型，同時根據(jù)生產(chǎn)排程的特點及需求，提出了基于制造資源能力的動態(tài)排程策略。設(shè)計開發(fā)了針對精密電子元器件制造企業(yè)的智能化精益制造平臺，并通過在企業(yè)的實際應(yīng)用證明了方案的可行性。

關(guān)鍵詞： 精密電子元器件； 制造執(zhí)行； 精益生產(chǎn)； 動態(tài)排程策略

中圖分類號： TN61?34； TP391.9 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0140?04

Abstract： Aiming at the product manufacturing cycle management of the precision electronic components manufacturing enterprises， an intelligent lean manufacturing platform framework for precision electronic components is proposed according to the theory of lean production， in which the manufacturing execution system is taken as the kernel. To acquire and integrate the data in the manufacturing process， a multi?source data active perception model for manufacturing process was designed. According to the characteristics and demand of production scheduling， a dynamic scheduling strategy based on manufacturing resource capability is propose. An intelligent lean manufacturing platform of the precision electronic components manufacturing enterprise was designed and developed. The feasibility of the scheme was proved by the practical application of the enterprises.

Keywords： precision electronic component； manufacturing execution； lean production； dynamic scheduling strategy

0 引 言

電子元器件制造是電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐，近年來在我國電子信息產(chǎn)業(yè)強勁發(fā)展趨勢的帶動下取得長足進步[1]。隨著軍工及航空航天機械電子裝備小型化、輕量化發(fā)展，促使電子元器件制造由傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥贩N小批量生產(chǎn)模式[2]。這就為電子元器件制造行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為產(chǎn)品型號繁多、批量小但工藝復(fù)雜、生產(chǎn)計劃變動頻繁、資源消耗過大。很多電子元器件制造企業(yè)通過購買和采用一些商品化的信息化系統(tǒng)對加工制造過程進行監(jiān)控和管理，但結(jié)合電子元器件制造特點仍存在以下問題：管理模式復(fù)雜；數(shù)據(jù)信息源多、數(shù)據(jù)量大；數(shù)據(jù)信息缺乏規(guī)范性，造成信息交互性差，各系統(tǒng)難以有效集成；質(zhì)量統(tǒng)計分析困難，生產(chǎn)質(zhì)量無法得到有效控制[3]。因此，有必要對電子元器件制造企業(yè)開展智能化精益制造平臺的研究。

目前，國內(nèi)外針對企業(yè)信息化、數(shù)字化與智能化管理開展了大量的研究并取得了卓有成效的研究成果。文獻[4]設(shè)計了一種基于物聯(lián)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)體系構(gòu)架，對物聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒。文獻[5]立足航空制造業(yè)典型離散制造車間，建立了面向航空制造業(yè)的可擴展制造執(zhí)行系統(tǒng)。文獻[6]依據(jù)建材裝備制造企業(yè)的生產(chǎn)特點，設(shè)計了基于多主體制造過程信息協(xié)同的數(shù)字化管理平臺。文獻[7]設(shè)計了葉片生產(chǎn)車間的精益制造執(zhí)行系統(tǒng)，減少車間庫存成本。文獻[8]提出了e?service?driven的網(wǎng)絡(luò)化制造模式，以服務(wù)驅(qū)動制造理念推動企業(yè)制造模式轉(zhuǎn)變。文獻[9]基于RFID技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了制造供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)。文獻[10]通過分析制造信息系統(tǒng)對設(shè)備信息的需求，構(gòu)建了信息集成模型。文獻[11]以安全網(wǎng)模型為核心，建立了安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)。針對精益制造研究較少，主要集中于車間精益生產(chǎn)管理技術(shù)。李益兵基于看板管理和均衡生產(chǎn)設(shè)計了一套面向裝備制造的精益生產(chǎn)管理系統(tǒng)[12]。王時龍針對多品種小批量的制造模式，提出了一種以準(zhǔn)時制為核心的綜合型車間物流控制方法[13]。張根寶建立了一種制造企業(yè)精益生產(chǎn)體系及評價模型[14]。這些研究與應(yīng)用為制造企業(yè)數(shù)字化及精益生產(chǎn)管控提供了大量的研究成果，但圍繞產(chǎn)品制造全流程的整體精益生產(chǎn)管理研究較少且缺乏專門針對電子元器件制造企業(yè)的數(shù)字化智能化管理應(yīng)用研究。

因此，針對精密電子元器件生產(chǎn)管理的特點及需求，結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)外研究基礎(chǔ)并引入精益生產(chǎn)理念，提出了精密電子元器件智能化精益制造平臺架構(gòu)，針對車間多源數(shù)據(jù)采集融合、制造過程質(zhì)量管控及生產(chǎn)排程等關(guān)鍵問題開展研究，設(shè)計開發(fā)了針對精密電子元器件制造企業(yè)的智能化精益制造平臺并將研究成果在企業(yè)中進行了應(yīng)用驗證。

1 精密電子元器件生產(chǎn)加工特點及需求

精密電子元器件生產(chǎn)采用多品種小批量生產(chǎn)模式，相較于傳統(tǒng)的單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)模式，車間的生產(chǎn)組織及管理更為復(fù)雜。電子元器件行業(yè)工藝流程大致可分為原材料準(zhǔn)備、制造過程、成品檢驗及發(fā)貨三個階段。通過企業(yè)調(diào)研，典型精密電子元器件制造工藝流程如圖1所示，在接收到設(shè)計數(shù)據(jù)和ERP下達的計劃后，需經(jīng)過排產(chǎn)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、材料配送、加工、裝配、完工信息采集、過程監(jiān)控、質(zhì)量監(jiān)控、到反饋處理等工藝環(huán)節(jié)，使得企業(yè)管理模式復(fù)雜，制造過程信息數(shù)據(jù)格式多變、利用率低以及產(chǎn)品質(zhì)量波動較大[15]。目前存在的問題具體表現(xiàn)為：產(chǎn)品品種多批量小，生產(chǎn)易受擾動，生產(chǎn)計劃制定難度大；車間混件生產(chǎn)，各環(huán)節(jié)之間物流紊亂；過程質(zhì)量檢驗自動化程度低；車間設(shè)備和資源缺乏有效利用。endprint

針對上述特點和不足，結(jié)合企業(yè)的業(yè)務(wù)管理需求，提出了構(gòu)建精密電子元器件智能化精益制造平臺來實現(xiàn)與上層計劃和下層控制的集成，達到實時信息監(jiān)控，信息共享、快速反應(yīng)，動態(tài)調(diào)度等目的，全面提高企業(yè)管理的車間數(shù)字化水平。

2 精密電子元器件智能化精益制造平臺體系架構(gòu)

精益生產(chǎn)起源于日本豐田生產(chǎn)系統(tǒng)（Toyota Production System），它主要強調(diào)快速應(yīng)對市場變化以及縮減和消除浪費，使得用于企業(yè)所需資源最小[16]。它的核心思想是：持續(xù)改善、消除浪費、協(xié)力工作、柔性生產(chǎn)。精益生產(chǎn)的主要支柱是準(zhǔn)時制、成組技術(shù)、全面質(zhì)量管理和并行工程。在企業(yè)面臨更低成本、更高品質(zhì)和更短的生產(chǎn)周期的生產(chǎn)環(huán)境下，精益生產(chǎn)和制造執(zhí)行系統(tǒng)共同為車間的生產(chǎn)提供高效和順暢的運作過程。

基于精密電子元器件制造工藝流程及企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場管理需求，結(jié)合精益生產(chǎn)理論，以制造執(zhí)行系統(tǒng)為核心，將數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)、自動化控制技術(shù)、異構(gòu)系統(tǒng)集成技術(shù)、機器學(xué)習(xí)技術(shù)有機結(jié)合，搭建精密電子元器件智能化精益制造平臺，實現(xiàn)從原材料采購到成品入庫的全制造周期的實時數(shù)據(jù)采集、控制和管理。平臺架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

3 智能化精益制造平臺的關(guān)鍵技術(shù)

精密電子元器件智能化精益制造平臺涉及信息、計算機、自動化、工業(yè)管理和智能決策等多個學(xué)科的理論、方法和模型，本文主要從實時制造信息驅(qū)動的生產(chǎn)過程主動感知和動態(tài)優(yōu)化方面所涉及的幾個關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)思路和方法進行闡述：制造過程多源數(shù)據(jù)主動感知及管理；多品種小批量的制造過程質(zhì)量控制；多品種小批量生產(chǎn)自動化任務(wù)排程等。

3.1 制造過程多源數(shù)據(jù)主動感知及管理

（1） 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，為制造系統(tǒng)對資源的感知、傳輸、集成應(yīng)用提供了新方法。電子元器件制造過程數(shù)據(jù)包括物料狀態(tài)、設(shè)備工況、生產(chǎn)計劃、制造資源及車間環(huán)境等數(shù)據(jù)[17]?；诰茈娮釉骷悄芑嬷圃炱脚_架構(gòu)及產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程，設(shè)計了制造過程多源數(shù)據(jù)主動感知模型如圖3所示，主要包括制造過程數(shù)據(jù)感知資源、制造過程數(shù)據(jù)建模和制造過程感知信息集成。

（2） 制造過程數(shù)據(jù)建模?；谥圃煳锫?lián)技術(shù)，對電子元器件制造過程資源進行分類建模，構(gòu)建電子元器件制造過程基礎(chǔ)信息，主要有環(huán)境數(shù)據(jù)模型、任務(wù)數(shù)據(jù)模型、工藝數(shù)據(jù)模型、產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型和制造資源數(shù)據(jù)模型等。制造過程數(shù)據(jù)建模為電子元器件生產(chǎn)管控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。

（3） 制造過程感知信息集成。在數(shù)據(jù)感知和建模的基礎(chǔ)上，基于制造過程數(shù)據(jù)?事件映射關(guān)系模塊，通過數(shù)據(jù)主動感知程序接口，將數(shù)據(jù)接入感知融合模塊，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的融合。基于規(guī)則庫、歷史數(shù)據(jù)等方法對感知數(shù)據(jù)進行增值挖掘，并推送給制造數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，完成制造過程多源數(shù)據(jù)主動感知及管理。

3.2 多品種小批量生產(chǎn)自動化任務(wù)排程

車間生產(chǎn)排程被認(rèn)為是最困難的排程問題之一，是企業(yè)進行生產(chǎn)加工的核心問題[18]。傳統(tǒng)作業(yè)車間排程理論通過推算的方式安排加工計劃。部分制造執(zhí)行系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)工序計劃的開始、結(jié)束日期推算。但現(xiàn)實加工過程由于受到各種個擾因素的影響，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)推算得到的計劃復(fù)雜，且在目前多品種小批量制造模式下，傳統(tǒng)方法容易造成物料及設(shè)備資源的閑置。引入高級計劃排程（Advanced Planning and Scheduling，APS），同時考慮車間人員、設(shè)備、工具物料等制造資源能力，建立基于制造資源能力的動態(tài)排程策略，提升多品種小批量生產(chǎn)模式下的車間生產(chǎn)排程能力，提高車間精益生產(chǎn)和智能化調(diào)度水平。動態(tài)排程策略如圖4所示，ERP系統(tǒng)根據(jù)訂單情況在制造資源能力的約束下進行生產(chǎn)計劃預(yù)排程，生產(chǎn)過程中根據(jù)突發(fā)事件對排程方案進行修改校正并評估新方案的各種性能指標(biāo)是否達標(biāo)，若達標(biāo)，則按新排程進行加工。該策略通過局部重排代替因突發(fā)事件所導(dǎo)致的重新整體排程，減少計算資源消耗，降低對原先排程方案的干擾以及提高生產(chǎn)加工的穩(wěn)定性。

4 應(yīng)用實踐

航天科工集團下屬的貴州某電氣股份有限公司是集科研、開發(fā)和批生產(chǎn)于一體的電子元器件骨干企業(yè)。針對企業(yè)精密電子元器件產(chǎn)品的生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求，基于上述關(guān)鍵技術(shù)及理論，以精密電子元器件制造過程數(shù)據(jù)的匯聚及處理為支撐，引入精益生產(chǎn)思想，設(shè)計并開發(fā)了面向精密電子元器件制造企業(yè)的智能化精益制造平臺，并在企業(yè)中進行了應(yīng)用。

看板管理作為精益生產(chǎn)的核心，是準(zhǔn)時制生產(chǎn)的重要工具。精密電子元器件制造車間生產(chǎn)看板如圖5所示，可按車間、零件代號、產(chǎn)品代號、時間對裝配計劃進行查詢。詳細(xì)查看裝配計劃的投產(chǎn)數(shù)量、裝配數(shù)量、廢品數(shù)量（包括工廢、料廢），及期末結(jié)存數(shù)量（包括毛坯、材料、在制品、待處理等），并將信息定時傳遞到LED顯示屏。

工藝路線管理功能集為產(chǎn)品生產(chǎn)提供了可執(zhí)行的工藝路線，如圖6所示。在工藝路線里面定義了生產(chǎn)某種類型的產(chǎn)品的工藝過程。制造工藝路線是從產(chǎn)品生產(chǎn)的角度描述產(chǎn)品的加工過程，是結(jié)構(gòu)產(chǎn)品BOM和生產(chǎn)線的一個初步示例化的過程，也是指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)的最終決定模型；在工藝路線里面定義了生產(chǎn)某種類型的產(chǎn)品的工藝過程，包括：生產(chǎn)線；加工順序號、工序資源、（人員、設(shè)備、工裝、刀具）、流水節(jié)拍，直接集成生產(chǎn)線的定義，可以在此進一步維護。

車間調(diào)度生產(chǎn)計劃模塊通過集成ERP系統(tǒng)，獲取現(xiàn)有生產(chǎn)訂單，并進行調(diào)整、變更、拆分、合并、打印、導(dǎo)入、導(dǎo)出、集成等管理。提供模板管理，生產(chǎn)準(zhǔn)備管理和報表管理，為生產(chǎn)過程提供便捷和參考依據(jù)。車間調(diào)度生產(chǎn)計劃界面如圖7所示。

5 結(jié) 論

以精密電子元器件生產(chǎn)加工車間為研究對象，針對多品種小批量生產(chǎn)特點，結(jié)合企業(yè)精益生產(chǎn)及車間智能化需求，提出了精密電子元器件智能化精益制造平臺的整體架構(gòu)。為了解決制造過程多源數(shù)據(jù)的采集和集成，設(shè)計了制造過程多源數(shù)據(jù)主動感知模型。同時根據(jù)車間質(zhì)量管控和生產(chǎn)排程的特點及需求，提出了電子元器件全制造周期質(zhì)量控制管理模型和基于制造資源能力的動態(tài)排程策略。設(shè)計并開發(fā)了精密電子元器件智能化精益制造平臺，為企業(yè)產(chǎn)品制造各環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)支撐，提高了精密電子元器件生產(chǎn)車間的快速響應(yīng)能力、加工過程的可控性和加工質(zhì)量的一致性，對提高我國復(fù)雜產(chǎn)品制造行業(yè)的智能化、精益化生產(chǎn)管控具有直接的參考價值。endprint

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