離散型智能總裝車(chē)間建設(shè)探索與實(shí)踐*

王 風(fēng)，呂龍泉，許洪韜

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京210039）

引 言

智能制造的概念于20世紀(jì)80年代正式提出[1]。當(dāng)今，工業(yè)4.0下的智能制造一般指綜合集成信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和智能自動(dòng)化技術(shù)，在制造企業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)研發(fā)、制造、服務(wù)、管理全過(guò)程的精確感知、自動(dòng)控制、自主分析和綜合決策，具有高度感知化、物聯(lián)化和智能化特征的一種新型制造模式[2]。近年來(lái)，世界主要的工業(yè)化國(guó)家都推出了智能制造國(guó)家戰(zhàn)略。先進(jìn)電子裝備企業(yè)如西門(mén)子、洛克希德·馬丁、空客、達(dá)索等公司將自動(dòng)化生產(chǎn)和數(shù)字化管理有機(jī)結(jié)合建設(shè)了數(shù)字化工廠。這些企業(yè)正推動(dòng)著數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)分析決策等技術(shù)的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)工廠智能化升級(jí)。國(guó)內(nèi)各行業(yè)的數(shù)字化車(chē)間建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及解決方案研發(fā)都取得了很大的進(jìn)步，已經(jīng)形成了一些特定領(lǐng)域的數(shù)字化車(chē)間示范工程和可復(fù)制推廣的系統(tǒng)解決方案，一些車(chē)間信息化系統(tǒng)得到了普及應(yīng)用。但是對(duì)于面向雷達(dá)電子裝備的總裝生產(chǎn)，現(xiàn)有數(shù)字化車(chē)間技術(shù)仍存在自動(dòng)化程度低、總裝生產(chǎn)柔性不夠、數(shù)據(jù)采集率低、生產(chǎn)排程與調(diào)度困難、物流配送效率低、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)利用率低等不足。

《中國(guó)制造2025》明確指出要推進(jìn)制造過(guò)程智能化，在重點(diǎn)領(lǐng)域建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車(chē)間[3]。雷達(dá)電子裝備是“中國(guó)制造2025”十大重點(diǎn)領(lǐng)域——“新一代信息技術(shù)”的重要組成部分[4]。以離散型智能總裝車(chē)間為對(duì)象開(kāi)展雷達(dá)電子裝備制造新模式的探索和研究應(yīng)用，高度契合《中國(guó)制造2025》的發(fā)展戰(zhàn)略要求，對(duì)雷達(dá)電子裝備乃至整個(gè)離散制造行業(yè)的提質(zhì)增效發(fā)展具有重要意義。

1 離散制造行業(yè)特點(diǎn)及需求

離散制造企業(yè)的產(chǎn)品具有多品種、小批量等行業(yè)特點(diǎn)，零件加工的工藝路線和設(shè)備使用非常靈活，計(jì)劃變更頻繁，管理困難且計(jì)劃預(yù)見(jiàn)性差[5]。在現(xiàn)代企業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)要求和個(gè)性化市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，多品種、小批量離散型企業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式的弊端愈來(lái)愈明顯[6]，迫切需要進(jìn)行離散型總裝車(chē)間的數(shù)字化、智能化規(guī)劃建設(shè)，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)模式進(jìn)行革新。

2 智能總裝車(chē)間建設(shè)思路

雷達(dá)電子裝備是典型的離散制造型行業(yè)，總裝工作量約占整個(gè)產(chǎn)品制造工作量的50%～60%，已成為雷達(dá)電子裝備快速制造的瓶頸[6]。針對(duì)雷達(dá)電子裝備總裝生產(chǎn)的特點(diǎn)，按照物流、人流、信息流“三流合一”的設(shè)計(jì)思路，從整體布局、物流系統(tǒng)以及信息化提升3個(gè)方面對(duì)總裝智能車(chē)間進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)總裝智能車(chē)間整體架構(gòu)構(gòu)建車(chē)間信息系統(tǒng)、產(chǎn)品智能脈動(dòng)生產(chǎn)線，建設(shè)以“數(shù)字貫通、智能管控、綠色低耗”為特征的雷達(dá)電子裝備智能總裝車(chē)間。

3 智能總裝車(chē)間建設(shè)架構(gòu)

參照IEC/ISO 62264和ANSI/ISA—95定義制造企業(yè)功能層次模型，參照GB/T 37393—2019提出數(shù)字化車(chē)間體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)比國(guó)內(nèi)外先進(jìn)企業(yè)智能車(chē)間，結(jié)合雷達(dá)電子裝備總裝特點(diǎn)與需求，構(gòu)建了“設(shè)備—控制—運(yùn)營(yíng)”集成的離散型智能總裝車(chē)間體系架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 離散型智能總裝車(chē)間體系架構(gòu)

該體系架構(gòu)中，設(shè)備層是智能總裝車(chē)間生產(chǎn)運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，通過(guò)工藝裝備智能化建設(shè)、工藝流程與生產(chǎn)布局優(yōu)化實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模式的創(chuàng)新。控制層是關(guān)鍵，通過(guò)設(shè)備物聯(lián)、物料標(biāo)識(shí)、狀態(tài)采集等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、處理及生產(chǎn)指令下達(dá)。運(yùn)營(yíng)層是核心，其中制造運(yùn)營(yíng)管理（Manufacturing Operation Management, MOM）系統(tǒng)是總裝智能車(chē)間的大腦中樞，對(duì)整個(gè)車(chē)間運(yùn)營(yíng)進(jìn)行整體調(diào)度，在整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中起承上啟下的作用。圖中，ERP為企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning）系統(tǒng)，WVS為車(chē)間可視化系統(tǒng)（Workshop Visualization System），WMS為倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（Warehouse Management System），SCADA為監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)。

4 智能總裝車(chē)間建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

離散制造型智能總裝車(chē)間一般由現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和運(yùn)營(yíng)層組成，其核心是構(gòu)建“狀態(tài)感知—實(shí)時(shí)分析—智能決策—精準(zhǔn)執(zhí)行”的數(shù)據(jù)閉環(huán)，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)貫穿企業(yè)“設(shè)備層、單元層、車(chē)間層”之間以及與企業(yè)層的縱向集成，實(shí)現(xiàn)跨資源要素、互聯(lián)互通、融合共享和系統(tǒng)級(jí)的橫向集成，以及覆蓋研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造的端到端集成。關(guān)鍵技術(shù)包括“生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析、智能決策以及裝備的智能化升級(jí)”，通過(guò)建設(shè)車(chē)間信息管理系統(tǒng)和脈動(dòng)式總裝生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)施解決。

4.1 車(chē)間信息管理系統(tǒng)

與車(chē)間生產(chǎn)的物理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)有一個(gè)虛擬的信息系統(tǒng)，它是物理系統(tǒng)的“靈魂”，控制和管理物理系統(tǒng)的生產(chǎn)和運(yùn)作[7]。智能總裝車(chē)間的四大信息管理系統(tǒng)（MOM、WVS、SCADA、WMS）管控并支撐著智能總裝車(chē)間設(shè)備層的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1.1 車(chē)間制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)離散型智能總裝作業(yè)計(jì)劃準(zhǔn)確并提升質(zhì)量，打造面向離散制造業(yè)、自主可控、“人機(jī)料法環(huán)測(cè)”一體化的車(chē)間MOM對(duì)總裝車(chē)間進(jìn)行信息化統(tǒng)一管理。通過(guò)與車(chē)間信息化系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)融合互通，為生產(chǎn)計(jì)劃、質(zhì)量、成本信息的全面掌握與精準(zhǔn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

4.1.2 車(chē)間運(yùn)行可視化系統(tǒng)

基于車(chē)間三維虛擬模型構(gòu)建WVS，其架構(gòu)如圖2所示，圖中PDS為工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Plant Design System）。WVS以產(chǎn)品總裝生產(chǎn)活動(dòng)為主線，實(shí)時(shí)獲取車(chē)間MOM等信息化系統(tǒng)中的生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵工藝參數(shù)等信息，實(shí)現(xiàn)車(chē)間運(yùn)營(yíng)過(guò)程的三維可視化展示，全面提升智能車(chē)間的管控能力。

圖2 車(chē)間運(yùn)行可視化系統(tǒng)架構(gòu)

4.1.3 車(chē)間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

SCADA是產(chǎn)品實(shí)物生產(chǎn)與車(chē)間管理系統(tǒng)之間的橋梁。通過(guò)建立車(chē)間生產(chǎn)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，完成車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)綜合數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)、質(zhì)量控制數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)的采集、傳遞和分析，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，圖中，MQTT表示消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議，PLC為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理或直接、按需傳遞至車(chē)間其他信息管理系統(tǒng)，為智能車(chē)間生產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)智能車(chē)間生產(chǎn)管理的有序透明化、生產(chǎn)過(guò)程和質(zhì)量數(shù)據(jù)的可追溯。

4.1.4 車(chē)間物流管理系統(tǒng)

離散制造企業(yè)的產(chǎn)品總裝生產(chǎn)涉及工序多、生產(chǎn)流程長(zhǎng)，其物料的標(biāo)識(shí)、倉(cāng)儲(chǔ)和配送對(duì)總裝車(chē)間生產(chǎn)效率和質(zhì)量有很大的影響。針對(duì)車(chē)間物流管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求，以物料標(biāo)識(shí)智能化、物流跟蹤網(wǎng)絡(luò)化、物流信息集成化為目標(biāo)，進(jìn)行車(chē)間物流管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，包括基礎(chǔ)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層三大層級(jí)。圖4中，RFID表示射頻識(shí)別（Radio Frequency IDentification），AGV表示自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（Automated Guided Vehicle），RGV表示有軌制導(dǎo)車(chē)（Rail Guided Vehicle）。

圖4 車(chē)間物流管理系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 脈動(dòng)式總裝生產(chǎn)線

以精益制造思想為基礎(chǔ)，以質(zhì)量提升、資源重組、產(chǎn)能優(yōu)化、創(chuàng)新示范需求為導(dǎo)向，基于離散制造“多品種、小批量、變節(jié)拍、研產(chǎn)共線”的柔性生產(chǎn)需求進(jìn)行脈動(dòng)式總裝生產(chǎn)線建設(shè)，建設(shè)流程如圖5所示。

圖5 脈動(dòng)式總裝生產(chǎn)線建設(shè)流程

脈動(dòng)式總裝生產(chǎn)線建設(shè)思路如下：

1）產(chǎn)品聚類(lèi)分析。分析梳理不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成及工藝特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的脈動(dòng)式生產(chǎn)線。

2）工藝流程再造。突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，全壽命周期分析產(chǎn)品總裝過(guò)程，再造產(chǎn)品生產(chǎn)制造的工藝流程。

3）工位布局優(yōu)化。分析產(chǎn)品裝配過(guò)程，對(duì)每個(gè)工位的操作內(nèi)容進(jìn)行細(xì)分、整合及優(yōu)化。

4）產(chǎn)線手段升級(jí)。建設(shè)升級(jí)產(chǎn)線工藝裝備，提升產(chǎn)線自動(dòng)化和專(zhuān)業(yè)化水平。

5）網(wǎng)絡(luò)化和信息化提升。建設(shè)完善車(chē)間信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和測(cè)試設(shè)備的互聯(lián)互通及數(shù)據(jù)采集使用。

5 智能總裝車(chē)間建設(shè)實(shí)踐

按離散型智能總裝車(chē)間“運(yùn)營(yíng)層、控制層、設(shè)備層”的架構(gòu)進(jìn)行雷達(dá)總裝車(chē)間整體集成設(shè)計(jì)。通過(guò)自主開(kāi)發(fā)車(chē)間信息管理系統(tǒng)，研制自主可控的智能生產(chǎn)和測(cè)試設(shè)備，設(shè)計(jì)建設(shè)多個(gè)產(chǎn)品脈動(dòng)生產(chǎn)線，進(jìn)行離散制造智能總裝示范車(chē)間的建設(shè)實(shí)踐。

5.1 車(chē)間信息管理系統(tǒng)

5.1.1 制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)

智能總裝車(chē)間的“智能”首先體現(xiàn)在指揮中樞的智能化。自主研發(fā)的制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)是智能總裝車(chē)間的指揮中樞，它基于端到端的數(shù)據(jù)流模型，實(shí)現(xiàn)了面向工業(yè)大數(shù)據(jù)的管理決策。制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃與執(zhí)行、質(zhì)量管理、物料管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)異常管理、外協(xié)生產(chǎn)管理、人員能力管理、生產(chǎn)報(bào)表、系統(tǒng)基礎(chǔ)管理及系統(tǒng)集成等功能。

5.1.2 車(chē)間運(yùn)行可視化系統(tǒng)

車(chē)間運(yùn)行可視化系統(tǒng)利用感知和采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立物理系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)的混合模型，形成生產(chǎn)線物理信息融合系統(tǒng)，多維度、多視角、多形式地實(shí)時(shí)展示裝備生產(chǎn)過(guò)程、資源、進(jìn)度等信息，實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)管理透明化、生產(chǎn)進(jìn)度可視化和關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5.1.3 車(chē)間數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)字化是智能工廠的基礎(chǔ)，數(shù)字化程度越高，業(yè)務(wù)之間的關(guān)聯(lián)和優(yōu)化越容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)建設(shè)車(chē)間數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，并打通與運(yùn)營(yíng)層的數(shù)據(jù)鏈路，對(duì)脈動(dòng)生產(chǎn)線的裝配機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備在線采集的工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、物料消耗等百余類(lèi)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的100%全覆蓋采集。系統(tǒng)使用界面截圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用界面截圖

5.1.4 車(chē)間物流管理系統(tǒng)

物流管理系統(tǒng)按照“分級(jí)存放、準(zhǔn)點(diǎn)配送”的原則，構(gòu)建物料緩存庫(kù)和線邊暫存庫(kù)量級(jí)總裝車(chē)間物流管理，物料按需準(zhǔn)時(shí)配送至各生產(chǎn)工位，實(shí)現(xiàn)總裝物料數(shù)字化管控、物料有序存放和物流設(shè)備自動(dòng)化的提升。

5.2 脈動(dòng)式總裝生產(chǎn)線

文中建設(shè)了自動(dòng)化、數(shù)字化和高柔性的總裝脈動(dòng)產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品產(chǎn)能、自動(dòng)化水平和產(chǎn)線柔性的全面提升。某產(chǎn)品脈動(dòng)式總裝產(chǎn)線如圖7所示。

圖7 脈動(dòng)式總裝生產(chǎn)線示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合某典型雷達(dá)電子裝備總裝智能車(chē)間建設(shè)的探索與實(shí)踐，從“設(shè)備層、控制層、運(yùn)營(yíng)層”等多個(gè)層面闡述了離散型智能總裝車(chē)間的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了“車(chē)間信息管理系統(tǒng)和脈動(dòng)式總裝生產(chǎn)線”等離散型智能總裝車(chē)間建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了物流、人流、信息流“三流合一”的建設(shè)思路，構(gòu)建了“設(shè)備—控制—運(yùn)營(yíng)”集成的智能車(chē)間建設(shè)架構(gòu)。本文結(jié)合雷達(dá)電子裝備實(shí)際制造，在離散型智能總裝車(chē)間的集成管控平臺(tái)和“柔性混線”脈動(dòng)式裝調(diào)一體化生產(chǎn)線建設(shè)方面進(jìn)行了新的探索和嘗試，建立了新的復(fù)雜電子裝備生產(chǎn)制造模式，為離散型制造企業(yè)的智能化建設(shè)提供了一些啟示和思路。

面向多品種小批量、研制和批產(chǎn)混線生產(chǎn)的離散型制造企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求，在總裝車(chē)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、分析、利用手段，總裝車(chē)間透明管控、決策支持、質(zhì)量溯源等方面需進(jìn)一步開(kāi)展研究。