智能制造在單晶車間的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李 僑， 閆 穎

（隆基綠能科技股份有限公司， 陜西 西安 710100）

0 引言

智能制造是基于信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合，貫穿于生產(chǎn)、管理等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自學習、自決策、自執(zhí)行等[1]功能的新型生產(chǎn)方式，2015 年我國政府提出了《中國制造2025》的發(fā)展戰(zhàn)略。 這一戰(zhàn)略的目的是最終形成智能產(chǎn)線、智能車間、智能工廠、不同地域的智能工廠互聯(lián)的制造系統(tǒng)。 在該系統(tǒng)中工廠不僅實現(xiàn)了柔性制造， 而且使每件產(chǎn)品的全生命周期信息可追溯[2]。

目前單晶車間存在人員浪費嚴重、信息流轉(zhuǎn)落后、數(shù)據(jù)利用不足、標準化實施差等問題，本方案以單晶車間現(xiàn)狀出發(fā)， 以隆基系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)為基礎， 涵蓋設備集中監(jiān)控，關(guān)聯(lián)智能物流，集合信息化系統(tǒng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)等外圍智能支撐，打造一體式單晶車間智能制造系統(tǒng)。不僅可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，而且可以對生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)資源、生產(chǎn)進度等數(shù)據(jù)在信息化系統(tǒng)中進行有效的管控[3]，旨在減少人員投入、提高數(shù)據(jù)價值、改善車間運轉(zhuǎn)流程、優(yōu)化車間管理方案，進一步降低生產(chǎn)成本、提升產(chǎn)品品質(zhì)，從根本上提高公司核心競爭力。

1 集中監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)今離散型制造業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)日趨復雜、自動化水平顯著提升、現(xiàn)場作業(yè)人員日益減少，這樣對生產(chǎn)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性等提出了更高的要求，變得越來越像流程工業(yè)，為此需要建設集中監(jiān)視系統(tǒng)[4]。 在單晶車間，集中監(jiān)控系統(tǒng)是連接下層自動化裝備和上層信息化系統(tǒng)的重要橋梁，承擔智能工廠體系中IT/OT 中間層的功能。其主要負責單晶車間內(nèi)部（含備料與其他生產(chǎn)輔助支持類）的生產(chǎn)執(zhí)行及管理。 包括數(shù)據(jù)采集、集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)應用三部分。

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)是智能制造的柴米油鹽，是智能工廠的原材料。制造企業(yè)要實施智能制造， 采集生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)是重中之重，是實現(xiàn)智能制造的基石[5]。 因此，單晶車間在開始實施智能制造時，首先采用力控、Kepserver、組態(tài)王等SCADA軟件通過建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備監(jiān)控、信號報警等各項功能，為智能制造提供各種實時數(shù)據(jù)。 采集的數(shù)據(jù)除了實時使用外，都將存儲在Oracle 數(shù)據(jù)庫，方便二次使用。 采集數(shù)據(jù)并不需要全部進入MES 等上層系統(tǒng)，也不可能全部進入前后端自動化系統(tǒng)；采集數(shù)據(jù)不經(jīng)過篩選、整合處理無法被上層系統(tǒng)和前后端工序使用。因此，單晶集中監(jiān)控系統(tǒng)是一個數(shù)據(jù)節(jié)點，負責采集數(shù)據(jù)、整合數(shù)據(jù)、提供數(shù)據(jù)。

1.2 集中監(jiān)控

可監(jiān)可控打造智能車間，顛覆傳統(tǒng)生產(chǎn)模式。在單晶車間，通過標準SCADA 建設和視覺同步，可實時顯示爐臺數(shù)據(jù)和CCD 界面，見圖1，使車間爐臺狀況盡在掌握之中， 如對爐臺上的報警信息進行遠程同步顯示與報警提示；基于爐壓變化來甄別危險性較高的異常事故，提供自動檢測與報警功能等。

遠程控制包括運動控制、真空控制、功率控制、工步控制、閉環(huán)控制、參數(shù)修改等模塊。通過互鎖、權(quán)限設計提升操作安全性。遠程控制包括主動控制和提醒控制。主動控制為人直接點選指定爐臺進行控制操作； 提醒控制是系統(tǒng)以任務的形式提醒用戶異?；蛐枰幚淼臓t臺，用戶執(zhí)行任務處理異常。

圖1 部分集中監(jiān)控示意圖Fig.1 Partial centralized monitoring schematic diagram

1.3 數(shù)據(jù)應用

數(shù)據(jù)應用包括標準化數(shù)據(jù)存儲、 通用型數(shù)據(jù)標準化解析、定制化解析、 業(yè)務報表數(shù)據(jù)支持、解析數(shù)據(jù)以看板、郵件等形式展示等，見圖2。 如定制化解析， 針對不同業(yè)務所需數(shù)據(jù)， 可定制化解析，力求最大程度滿足業(yè)務需求，同時保證程序高內(nèi)聚低耦合。拉晶相關(guān)數(shù)據(jù)基本都需要解析計算，對于從采集數(shù)據(jù)來的需求可以定制化開發(fā)。

圖2 部分數(shù)據(jù)應用示意圖Fig.2 Partial data application diagram

2 信息化系統(tǒng)

企業(yè)信息化， 實質(zhì)上是將企業(yè)的所有業(yè)務過程和管理過程計算機化和網(wǎng)絡化， 通過對各種信息系統(tǒng)進行網(wǎng)絡加工，生成新的信息資源，提供給不同層次的人們以做出有利于生產(chǎn)要素組合優(yōu)化的決策， 使企業(yè)資源合理配置，并適應瞬息萬變的市場經(jīng)濟競爭環(huán)境，求得最大的經(jīng)濟效益。

ARM 將企業(yè)信息模型分為3 層，見圖3，分別為：①計劃層： 承擔企業(yè)全面管理， 以ERP 為主， 包括SCM、CRM 等； ②執(zhí)行層： 承擔工廠協(xié)調(diào)和監(jiān)控趨勢的執(zhí)行層（MES）；③控制層：承擔工廠生產(chǎn)控制的控制層（PCS），包括先進控制、實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

圖3 企業(yè)信息集成模型Fig.3 Enterprise information integration model

2.1 PCS 控制系統(tǒng)

自動化控制系統(tǒng)（PCS）包括DCS、PLC、SCADA 等控制系統(tǒng)，SCADA 在工廠自動化系統(tǒng)中， 處于PLC 與MES之間，在自動化系統(tǒng)的資料流中，SCADA 是資料提供者，而MES 是接受者，SCADA 將從PLC 所擷取的資料，往上送給MES，而MES 向其他控制系統(tǒng)提供一定時間內(nèi)以最優(yōu)方式進行生產(chǎn)的工藝規(guī)程、配方和指令等[6]。

2.2 MES 系統(tǒng)

在信息系統(tǒng)集成模型中，MES 處于中間層， 起到了信息集線器的作用， 它承擔著生產(chǎn)管理的各個方面，同時還要與上下層系統(tǒng)進行信息溝通。MES 作為生產(chǎn)制造系統(tǒng)的核心是將ERP 與PCS 連接起來，對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，完成數(shù)據(jù)和信息交換，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集上來的數(shù)據(jù)可以有效地為企業(yè)的ERP系統(tǒng)利用，實現(xiàn)信息系統(tǒng)無縫集成，提高系統(tǒng)整體稼動率[7]。

MES 可使生產(chǎn)過程透明化。通過MES 對基礎數(shù)據(jù)的靈活運用，結(jié)合工廠信息化、可視化的要求，以各種不同的電子化看板來反應生產(chǎn)的實時狀況。讓工廠的管理人員可以隨時了解生產(chǎn)狀況，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的問題并找到對應的方案將其改善[8]。

2.3 ERP 系統(tǒng)

ERP 是對企業(yè)三大資源（物流、信息流、資金流）進行全面集成的企業(yè)級管理信息系統(tǒng)。它以財務管理為核心，包括銷售管理、采購管理、庫存管理、計劃管理、設備管理等相關(guān)功能模塊。 從整個生產(chǎn)架構(gòu)來看，ERP 必須依據(jù)MES 所搜集的現(xiàn)場信息，才能安排適當?shù)纳a(chǎn)活動；反過來說， 由于MES 系統(tǒng)的實時信息和監(jiān)控，ERP 規(guī)劃的結(jié)果才得以落實。 所以ERP 與MES 的有效整合，是提升企業(yè)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素。

無論是PCS、MES 還是SCADA， 對企業(yè)來說都只是自動化架構(gòu)的一部分。 因此，無從比較誰比誰重要，都是透過自動化系統(tǒng)，優(yōu)化作業(yè)流程、配置調(diào)度資源，達到降低制造成本、提升設備稼動率[9]。

3 工業(yè)大數(shù)據(jù)

3.1 工業(yè)大數(shù)據(jù)的概念和特點

工業(yè)大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)的一種類型，是工業(yè)領(lǐng)域智能化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，通過對數(shù)量巨大、來源分散、格式多樣的工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集、 存儲和關(guān)聯(lián)分析，從中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品、服務和商業(yè)的新知識、新價值、新能力[10]。工業(yè)大數(shù)據(jù)有5V 特點：大量性（Volume）、高速性（Velocity）、多樣性（Variety）、價值性（Value）、真實性（Veracity）。 大數(shù)據(jù)技術(shù)的重要意義在于： 對含有意義的龐大數(shù)據(jù)信息進行專業(yè)處理[12]。 如果把大數(shù)據(jù)比作一種產(chǎn)業(yè)，那么這種產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)盈利的關(guān)鍵，在于提高對數(shù)據(jù)的加工能力，通過加工實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值[11]。

3.2 工業(yè)大數(shù)據(jù)在單晶車間的應用價值

工業(yè)大數(shù)據(jù)作為實現(xiàn)智能制造的重要驅(qū)動力， 可為企業(yè)制造、管理流程優(yōu)化，商業(yè)模式創(chuàng)新及整個行業(yè)生態(tài)圈的快速聚合提供有效支撐。 利用工業(yè)大數(shù)據(jù)模型對拉晶數(shù)據(jù)進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）嚴格監(jiān)控生產(chǎn)，實現(xiàn)科學管控。 工業(yè)大數(shù)據(jù)應用的最大價值在于對企業(yè)生產(chǎn)制造、 業(yè)務流程管理進行智能優(yōu)化。利用收集的功率、壓力、直徑、產(chǎn)量、拉速等數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)過程進行嚴格監(jiān)控，并通過設備診斷、能耗、產(chǎn)能、人員技能等方面的分析，改進生產(chǎn)工藝流程，優(yōu)化生產(chǎn)過程，制定生產(chǎn)計劃、下達生產(chǎn)任務等[13]。 在提升效率和質(zhì)量的基礎上，重塑企業(yè)制造與業(yè)務流程，實現(xiàn)實時、透明的生產(chǎn)管理，達到真正的科學管控[14]。

（2）數(shù)據(jù)挖掘，預測性分析。 分析現(xiàn)有工藝指標和因素，挖掘新的可控因素，為一些模糊指標，比如成晶率的改善提供方向和指導，為過程監(jiān)控提供數(shù)據(jù)指導；對數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果進行一些預測性判斷，提前發(fā)現(xiàn)異常問題或為其他工序提供參考，比如預估產(chǎn)量、預估成晶率等；在一些預測性分析的基礎上，針對涉及人員、原輔材、水電等涉及資源調(diào)度方面的問題進行專門優(yōu)化，比如工時、人員配比等。

4 智能物流

生產(chǎn)物流擔負著儲存、運輸、裝卸物料等任務，生產(chǎn)物流系統(tǒng)是生產(chǎn)制造各個環(huán)節(jié)有機組成的紐帶。目前單晶生產(chǎn)車間存在以下問題：①生產(chǎn)布局比較松散，存在較多搬運浪費；②物料上下料與轉(zhuǎn)運大多依靠人工，人力成本高，周轉(zhuǎn)效率低，且不利于物料追溯；③物流與生產(chǎn)設備集成度有限，不利于生產(chǎn)和物流的統(tǒng)一調(diào)度管理；④物流調(diào)度方式原始，調(diào)度效率低下，不利于效率提升和在制優(yōu)化；⑤存在大量的中轉(zhuǎn)庫存，造成資金占用與管理負擔。

智能物流是實現(xiàn)智能制造的核心與關(guān)鍵。 智能物流不僅是連接物料供應和生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)， 而且是構(gòu)建智能工廠的基石，為智能制造提供重要保障。如果把智能制造比作人體，那么信息系統(tǒng)猶如大腦，生產(chǎn)設備就是人體器官，而智能物流系統(tǒng)則是聯(lián)通各器官的血管，為人體輸送營養(yǎng)物質(zhì)，維持生命運動。 在信息化系統(tǒng)的指揮下，智能物流系統(tǒng)可實現(xiàn)物料識別、地點跟蹤、物料溯源、物料監(jiān)控等，支持智能制造系統(tǒng)快速高效運行[15]。

建立智能物流系統(tǒng)，需要從硬件和軟件兩方面入手，硬件指的是先進的物流設備，如自動化立體倉庫，自動化上下料，AGV 系統(tǒng)，機器視覺系統(tǒng)等，如圖4 所示。在整個拉晶車間建立AGV 系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約人力資源，解放勞動力，而且靈活性強，故障率低，調(diào)度能力可靠，物料搬運動作和路線精準。再通過結(jié)合機器視覺系統(tǒng)，能夠使智能物流系統(tǒng)具有自動識別和檢測的功能。 利用GIS 技術(shù)可實現(xiàn)智能定位，智能配送，提高物流效率，降低物流成本[16]。 軟件指的是建立一套物料流程控制（MFC）系統(tǒng)，該系統(tǒng)向上能與生產(chǎn)管理系統(tǒng)連接， 向下能控制物流設備系統(tǒng)自動運行，將生產(chǎn)系統(tǒng)和物流系統(tǒng)有機的結(jié)合起來，見圖5[17]。

圖4 AGV 路線示意圖Fig.4 AGV route map

圖5 MFC 與其他系統(tǒng)之間關(guān)系Fig.5 Relationships between MFC and other systems

5 精益管理

智能制造平臺下的精益管理模式是整個制造型企業(yè)管理模式發(fā)展的大勢所趨，智能制造是利用現(xiàn)有成熟的信息化系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、 大數(shù)據(jù)分析平臺對生產(chǎn)要素進行智能化改造， 精益管理是通過精益思想對管理流程和制造流程進行整體優(yōu)化。 基于智能制造平臺的精益管理模式，不僅可以通過減少生產(chǎn)過程中浪費的時間來有效縮短生產(chǎn)周期， 加快交付，而且對于提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化物流和生產(chǎn)計劃、減少庫存等，都有自己獨特的優(yōu)勢。 通過智能制造平臺下的精益管理優(yōu)化，可極大的消除生產(chǎn)管理過程中的浪費環(huán)節(jié)，讓企業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢和靈活性得以充分展現(xiàn)[18]。

6 結(jié)論

自單晶車間實施智能制造項目以來， 已經(jīng)取得了良好的效果。實現(xiàn)了拉晶過程的實時集中監(jiān)控、生產(chǎn)異常、及時預警和遠程操控，提高了生產(chǎn)安全性；人機、物料流轉(zhuǎn)被系統(tǒng)管控，減少了流轉(zhuǎn)周期；借助大數(shù)據(jù)智能預判功能減少了物料和時間的浪費；完成了車間數(shù)據(jù)可視化和生產(chǎn)作業(yè)標準化，使員工操作分工更明確，工作更加量化、透明化；但是在項目實施過程中也遇到一些問題，需進一步探索，如大數(shù)據(jù)建模缺乏經(jīng)驗、數(shù)據(jù)分析不全面等。

智能制造不僅填補了行業(yè)內(nèi)單晶智能工廠的技術(shù)空白，使單晶生產(chǎn)成本降低，安全性增加，而且促進單晶行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的升級，為光伏行業(yè)發(fā)展指明新方向。