智能制造工廠模型

馬 杰，姚 波，李 勇

（1.中電科技德清華瑩電子有限公司，湖州 313200；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210016）

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，制造業(yè)在我國得到了長足而迅速的發(fā)展。2007年，全球制造業(yè)總產(chǎn)值為9.324萬億美元，中國為1.15萬億美元，到了2017年，中國制造業(yè)總產(chǎn)值3.596萬億美元，提高了17個(gè)百分比。強(qiáng)大的制造業(yè)是提升綜合國力、保衛(wèi)國家安全最有力的保障。2015年5月國務(wù)院印發(fā)“中國制造2025”，部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略。我國已經(jīng)具備了建設(shè)制造強(qiáng)國的基礎(chǔ)和條件，但我國工業(yè)化起步晚，技術(shù)積累相對落后，先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化能力也與發(fā)達(dá)國家存在顯著差距，致使國產(chǎn)智能制造產(chǎn)品和系統(tǒng)的發(fā)展面臨技術(shù)和市場的雙重瓶頸，要從國外進(jìn)口高端裝備和成套生產(chǎn)線。

新一代信息技術(shù)是我國信息經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性和基礎(chǔ)性技術(shù)，特別是我國移動(dòng)通信技術(shù)在經(jīng)歷了1G“空白”、2G“跟隨”、3G“突破”、4G“同步”后，5G將力求領(lǐng)先，而與之相對應(yīng)的核心材料與器件必須率先取得突破。基于壓電晶體為襯底材料的微聲（SAW，Surface Acoustic Wave）濾波器是新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)元件，目前國外企業(yè)憑借核心技術(shù)和智能制造優(yōu)勢，長期壟斷我國市場，導(dǎo)致智能終端用微聲濾波器國產(chǎn)化率不到2%，材料國產(chǎn)化率不到20%，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)雖然在材料技術(shù)、封裝技術(shù)等方面取得了重大突破，但受智能制造水平制約而陷入產(chǎn)品生產(chǎn)周期長、成本高、合格率低的困境。同時(shí)，部分關(guān)鍵設(shè)備尚存在技術(shù)瓶頸、整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈核心設(shè)備的國產(chǎn)化率不高，嚴(yán)重影響我國微聲材料與器件行業(yè)的自主安全發(fā)展。習(xí)總書記在419講話中指出“最關(guān)鍵最核心的技術(shù)要立足自主創(chuàng)新、自立自強(qiáng)”，當(dāng)下，微聲器件作為5G通信關(guān)鍵器件，如何突破關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化短板和智能制造能力掣肘，顯著提升國產(chǎn)微聲材料與器件的自主競爭力已成為高科技競爭最為激烈的制高點(diǎn)之一。

就目前國內(nèi)發(fā)展的狀態(tài)，智能制造整體化模型的建立將大大加快企業(yè)的發(fā)展速度，有力的推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，乃至帶動(dòng)整體制造業(yè)的發(fā)展。

1 智能制造模型結(jié)構(gòu)說明

以打造世界領(lǐng)先的微聲材料與器件智能制造工廠為目標(biāo)，對以下幾個(gè)模塊進(jìn)行了規(guī)劃：

1）技術(shù)創(chuàng)新；2）信息系統(tǒng)；3）核心設(shè)備；4）資源戰(zhàn)略；5）基礎(chǔ)保障。

圖1 整體模塊結(jié)構(gòu)圖

1）技術(shù)創(chuàng)新：突破關(guān)鍵短板設(shè)備，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘/機(jī)器視覺等人工智能技術(shù)，提升工藝水平、提高作業(yè)效能、降低能耗。主要分為：

（1）關(guān)鍵設(shè)備及短板設(shè)備的技術(shù)突破。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)中的整體工序的需要，在關(guān)鍵設(shè)備和工藝短板的設(shè)備上的技術(shù)突破必須加快，例如核心設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，提升設(shè)備的使用效率，提升產(chǎn)品的良品率降低該設(shè)備的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）數(shù)據(jù)挖掘等大數(shù)據(jù)分析。在一定的用戶數(shù)據(jù)積累以后，應(yīng)用在生產(chǎn)運(yùn)營中，突破對數(shù)據(jù)分析思維，能夠重新認(rèn)識數(shù)據(jù)，獲取更精準(zhǔn)的信息，幫助產(chǎn)線進(jìn)行必要的生產(chǎn)調(diào)整。

（3）設(shè)備在線無損檢測。通過技術(shù)創(chuàng)新，將關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行必要的網(wǎng)絡(luò)連接，可以在線監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以及生產(chǎn)的連續(xù)性。

（4）工藝AR輔助作業(yè)指導(dǎo)。實(shí)現(xiàn)提供三維沉浸式的精確輔助作業(yè)指導(dǎo)，綜合提升產(chǎn)品性能和作業(yè)效率。

2）信息系統(tǒng)模塊：集成PDM/ERP/MES/APS/WMS/SCADA，實(shí)現(xiàn)核心設(shè)備組網(wǎng)與監(jiān)控，以及全生產(chǎn)過程的協(xié)同管理與控制。具體分為六塊：PDM、ERP、MES、APS、WMS、SCADA。

（1）PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）是管理所有與產(chǎn)品相關(guān)信息和所有與產(chǎn)品相關(guān)過程的技術(shù)。可以提高生產(chǎn)效率，有利于對產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行管理，加強(qiáng)對于數(shù)據(jù)的高效利用，使工作流程規(guī)范化。徹底實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間無紙化生產(chǎn)。

（2）ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）是建立在信息技術(shù)基礎(chǔ)上，融合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形用戶界面、客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)等對企業(yè)資源進(jìn)行了有效集成。為企業(yè)決策層及員工提供高效的決策運(yùn)行手段。

（3）MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）是面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理等管理模塊，為企業(yè)打造全面的制造協(xié)同管理平臺。

（4）APS（高級計(jì)劃排程）是利用先進(jìn)的信息科技及規(guī)劃技術(shù)，通過控制物料、倉庫、設(shè)備、人員、品質(zhì)、工藝等工廠資源來提高生產(chǎn)效率。滿足顧客需求及面對競爭激烈的市場。作出平衡企業(yè)利益與顧客權(quán)益的最佳規(guī)劃和決策。

（5）WMS（智能倉儲(chǔ)物流）是綜合運(yùn)用的管理系統(tǒng)，有效控制并跟蹤倉庫業(yè)務(wù)的物流和成本管理全過程，完善企業(yè)倉儲(chǔ)信息管理。

（6）SCADA（智能設(shè)備組網(wǎng)）即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。

3）核心設(shè)備模塊：引進(jìn)并集成數(shù)十種核心智能設(shè)備，升級芯片線、擴(kuò)建封裝線、建設(shè)新型測試線，大幅提高產(chǎn)能和自動(dòng)化水平。具體分為：（1）晶體生長車間核心設(shè)備；（2）晶片加工核心設(shè)備；（3）芯片線核心設(shè)備；（4）封裝線核心設(shè)備；（5）測試線核心設(shè)備。

4）資源戰(zhàn)略模塊：升級ERP系統(tǒng)并引入OA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人力資源、社會(huì)資源、信息資源、財(cái)務(wù)資源的統(tǒng)一協(xié)同管理。

5）基礎(chǔ)保障模塊：強(qiáng)化組織/技術(shù)/人員/機(jī)制和資金等因素，給予項(xiàng)目實(shí)施提供有力保障。該模塊分為：（1）組織保障；（2）技術(shù)保障；（3）人員保障；（4）機(jī)制保障；（5）資金保障。

2 信息系統(tǒng)相互協(xié)同管理說明

如圖2所示，通過精心梳理工序布局和物料流轉(zhuǎn)過程，建立高效作業(yè)流程和物料拉動(dòng)機(jī)制，徹底消除物料呆滯和停工等料現(xiàn)象，提高物流速度和生產(chǎn)節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)和物料物流的精益管理。

六大軟件系統(tǒng)的互相協(xié)同，將整個(gè)工廠的生產(chǎn)流程盡在掌握，提高了管理和生產(chǎn)效率的同時(shí)，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本和人工成本，壓縮了產(chǎn)品的生產(chǎn)流轉(zhuǎn)周期，加快了工廠的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、驅(qū)動(dòng)信息化和工業(yè)化技術(shù)的深度融合，逐步實(shí)現(xiàn)工位、工序、車間的智能化，由點(diǎn)及面、打造信息與工業(yè)一體的現(xiàn)代化智慧型工廠。

3 項(xiàng)目實(shí)施完成后著重提高的技術(shù)指標(biāo)

1）數(shù)字建模：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線建模、生產(chǎn)工藝建模和生產(chǎn)流程建模，用數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)模型對微聲材料與器件產(chǎn)品和生產(chǎn)過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。

圖2 信息系統(tǒng)協(xié)同管理流程圖

2）設(shè)計(jì)仿真：引進(jìn)VASP實(shí)現(xiàn)材料生長的模擬仿真，利用COM模型、ADS、HFSS等軟件進(jìn)行研發(fā)全過程的產(chǎn)品建模、計(jì)算、仿真和工藝規(guī)劃，基于PDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多仿真系統(tǒng)的集成應(yīng)用，為行業(yè)首創(chuàng)。

3）數(shù)據(jù)采集：全面部署生產(chǎn)基地工業(yè)以太網(wǎng)（含無線網(wǎng)），確保工業(yè)網(wǎng)絡(luò)100%覆蓋到生產(chǎn)車間；建立高安全等級的工業(yè)數(shù)據(jù)中心，確保采集數(shù)據(jù)100%存數(shù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中；建成SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從DCS（Distributed Conutrol System 分布式控制系統(tǒng)）、設(shè)備、PLC（Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器）等多渠道采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，全面監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況、工藝控制參數(shù)、水電氣等能源消耗情況，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)至工業(yè)數(shù)據(jù)中心，設(shè)備數(shù)據(jù)采集率達(dá)行業(yè)先進(jìn)水平。

4）數(shù)據(jù)可視化：建立企業(yè)生產(chǎn)集控中心，利用信息化技術(shù)使系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖形、圖表、圖像，數(shù)據(jù)可視化率達(dá)到90%以上。

5）智能控制：全面建立企業(yè)服務(wù)總線，架設(shè)不同生產(chǎn)線、不同設(shè)備之間、不同DCS系統(tǒng)之間的快速信息通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換；建設(shè)整廠MES與APS，實(shí)現(xiàn)材料與器件全生產(chǎn)過程的協(xié)同管理與智能控制；綜合運(yùn)用WMS（Warehouse Management System倉庫管理系統(tǒng)）與AGV（Automated Guided Vehicle自動(dòng)導(dǎo)引小車）調(diào)度系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)物流的智能控制，整廠智能化程度與行業(yè)先進(jìn)水平同步。

6）人工智能：建立企業(yè)級工業(yè)大數(shù)據(jù)智慧云平臺，利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器視覺等人工智能技術(shù)，在以下四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)的首次創(chuàng)新應(yīng)用：

（1）通過數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化能源分配，提高晶體生長質(zhì)量；

（2）通過在產(chǎn)、試產(chǎn)海量數(shù)據(jù)分析輔助實(shí)現(xiàn)工藝快速定型、精準(zhǔn)抽樣檢測、產(chǎn)品精準(zhǔn)投放；

（3）運(yùn)用工業(yè)機(jī)器視覺技術(shù)解決晶片透光率在線無損檢測的行業(yè)難題，提出并研制壓電晶片在線無損視覺檢測系統(tǒng)；

（4）通過工業(yè)AR（Augmented Reality增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）頭戴顯示器將多種輔助信息（物料、工藝參數(shù)、操作指導(dǎo)、設(shè)備零件等）顯示給操作者，提供三維沉浸式的精準(zhǔn)輔助作業(yè)指導(dǎo)，綜合提升產(chǎn)品性能和作業(yè)效率。

4 預(yù)期解決的重大問題

1）解決我國微聲材料與器件行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)能力不足的問題。

我國微聲（SAW）濾波器在頻率和帶寬已經(jīng)取得長足的進(jìn)步，但是濾波器的小型化、寬頻帶、集成化等主流方向上與國際巨頭還有差距；大直徑黑化鈮酸鋰、鉭酸鋰晶片在高平整度超薄加工工藝方面與國外先進(jìn)水平還有一定差距。借助本項(xiàng)目實(shí)施，完善產(chǎn)品生命周期管理（PLM）和知識管理系統(tǒng)，提升IT對研發(fā)的支撐能力，增強(qiáng)研發(fā)協(xié)同，縮短產(chǎn)品開發(fā)和工藝匹配周期，項(xiàng)目核心關(guān)鍵設(shè)備的集成應(yīng)用將提升設(shè)計(jì)與測試驗(yàn)證能力，突破溫度補(bǔ)償技術(shù)、晶圓級封裝技術(shù)和模塊集成化技術(shù)的國際封鎖，大大提升我國微聲材料與器件行業(yè)的研發(fā)水平。

2）改變我國高端微聲材料與器件的生產(chǎn)能力、制造過程控制水平較低的現(xiàn)狀。

目前，國內(nèi)微聲材料與器件行業(yè)的產(chǎn)能與生產(chǎn)過程與國外同行業(yè)有較大差距，在高端微聲材料與器件上問題突出。通過提高微聲材料和器件生產(chǎn)過程自動(dòng)化和智能化水平，加強(qiáng)器件及晶片制造過程中的質(zhì)量控制，建立生產(chǎn)過程的全流程追溯體系，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)整，提高生產(chǎn)效率，由此提升我國微聲材料與器件整體的質(zhì)量控制水平，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的市場競爭力和品牌影響力。

3）改變我國在新一代信息技術(shù)主導(dǎo)能力薄弱的局面。

新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的七大產(chǎn)業(yè)之一，具有創(chuàng)新活躍、滲透性強(qiáng)、帶動(dòng)作用大等特點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)、科技和社會(huì)發(fā)展的一支重要力量。由于掌握并壟斷著核心軟件和關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，美國、日本等發(fā)達(dá)國家在新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。作為關(guān)鍵基礎(chǔ)元件的微聲器件行業(yè)，率先通過智能制造新模式應(yīng)用項(xiàng)目提升企業(yè)核心技術(shù)、核心知識產(chǎn)權(quán)和核心制造能力，為中國新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈輸出高質(zhì)量、安全可靠的基礎(chǔ)元器件，推動(dòng)主機(jī)廠商向高技術(shù)含量、高附加值的產(chǎn)業(yè)鏈上游發(fā)展，打造出具有國際競爭力的品牌和產(chǎn)品，從而增強(qiáng)我國在新一代信息技術(shù)的主導(dǎo)能力。

4）改變我國半導(dǎo)體裝備長期依賴進(jìn)口的局面。

通過供需結(jié)合和研用結(jié)合的新機(jī)制，大大縮短設(shè)備的研發(fā)周期、快速提升設(shè)備水平。突破一系列安全可控核心智能制造裝備的研制和集成應(yīng)用，促進(jìn)我國半導(dǎo)體封測及材料生長加工先進(jìn)裝備制造水平提升，改變國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)裝備長期依賴進(jìn)口的局面，提升我國電子裝備制造企業(yè)在國內(nèi)、國際市場的占有率。

5 結(jié)束語

智能制造的應(yīng)用實(shí)施過程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有內(nèi)在聯(lián)系性、科學(xué)性、開放性，涵蓋現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、正在制定的標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)計(jì)要發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，并對標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用提供指導(dǎo)和支持。具備實(shí)現(xiàn)特定功能的有機(jī)整體，開放以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系的外部環(huán)境、技術(shù)體系的變化與發(fā)展。

智能制造工廠實(shí)現(xiàn)了特種計(jì)算機(jī)生產(chǎn)制造過程中研、產(chǎn)、銷、服等方面的核心創(chuàng)新能力，引領(lǐng)了產(chǎn)品智能制造新模式。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化、企業(yè)綜合管控信息化 、制造裝備智能化與數(shù)字化、工業(yè)云平臺和大數(shù)據(jù)分析。智能工廠的實(shí)時(shí)可使得企業(yè)生產(chǎn)效率提高，運(yùn)營成本降低，產(chǎn)品研制周期縮短，產(chǎn)品不良品率降低，能源利用率提高。技術(shù)推廣后將全面提升相關(guān)行業(yè)自動(dòng)化智能化水平，對我國“制造大國”到“制造強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)型有著重大意義。