大型電子裝備總裝數字化工廠建設

    導語：針對大型電子裝備總裝流程復雜多品種變批量集成化高的需求根據產品結構特點進行分類對工藝流程進行優(yōu)化建設高效率高柔性和均衡生產的脈動生產線建設四大信息化系統(tǒng)制造運營管理系統(tǒng)車間物流系統(tǒng)數據采集與控制系統(tǒng)和透明工廠系統(tǒng)實現總裝工廠數字化

    1 引言

    復雜軍工電子裝備具有典型的多品種、變批量的研制特點，同時其技術結構正日益向多樣化、集成化和綜合化方向發(fā)展。針對大型電子裝備總裝特點，結合電子裝備總裝車間管理實際，對總裝車間進行研產分區(qū)布局調整；按照數字化車間標準架構，建設智能脈動生產線、制造運營管理系統(tǒng)、智能車間物流系統(tǒng)、數據采集與控制系統(tǒng)以及透明工廠系統(tǒng)，實現總裝生產智能化管控。

    2 基于數字孿生的總裝脈動產線建設

    打造雷達電子裝備總裝脈動式生產線，在產品聚類、流程優(yōu)化基礎上，建成以“數字貫通，智能管控、綠色低耗”為特征的智能車間。滿足多品種、小批量、離散型復雜雷達裝備精益化和柔性化總裝生產需求，實現 “管理智能化+過程數字化+設備自動化”。

    脈動產線建設基于裝配流程優(yōu)化工藝，劃分節(jié)拍和工位，均衡生產流動，優(yōu)化物理布局，根據生產線實際生產情況拉動物料配送，使生產效率、質量控制更高效，資源需求更精準，發(fā)揮總裝計劃牽引作用，有效的促進均衡生產。脈動生產線具有生產節(jié)拍靈活、生產效率高、高柔性等特點，適用于多品種小批量生產，是國際先進裝備制造企業(yè)廣泛采用的生產組織模式。

    以MOM系統(tǒng)作為科研生產過程的信息樞紐，通過端到端的工程數字化集成、計劃到指令的數據鏈集成，滿足當前的業(yè)務管理需求的同時，支撐智能制造能力的持續(xù)提升。

    以能力提升、質量提升、降低成本、周期壓縮和高度柔性為目標；以資源重組、流程優(yōu)化、創(chuàng)新示范需求為導向，提取產品結構特征和總裝工藝典型流程，在產品聚類、流程優(yōu)化基礎上，建設雷達產品總裝脈動式生產線。

    根據產品多品種、小批量和變節(jié)拍的柔性生產需求，建設以智能單元、人機混合線以及自動化產線有機結合為特征的智能裝配線，實現產線柔性化、生產彈性化、管理精益化和決策智能化，形成人、機和物互聯互通，人流、物流和信息流“三流合一”的生產模式，提升產品智能裝配生產能力的核心競爭力，并形成智能制造產業(yè)示范線。

    建設基于大數據的制造運營管理系統(tǒng)、數據采集及控制系統(tǒng)，提升生產物流智能化水平和總裝工藝裝備專業(yè)化水準，形成批產產品脈動生產線和研制產品智能總裝單元為主體的總裝智能化車間，如圖1、圖2所示。

圖 1 總裝車間脈動產線效果圖

圖 2 總裝智能車間總體架構

    產線實施整體按“系統(tǒng)規(guī)劃、分級實施”的步驟開展建設，最終建成高效透明、高度柔性、準時配送和人機協同特征顯著的智能車間。根據產品技術狀態(tài)、管控方式差異，分批產、研制兩類進行分類管理，對總裝車間進行研批分區(qū)布局調整；根據產品類別分地面產品、機載預警產品、機載有源相控陣產品和艦載產品四類典型類別，分別對應以上四類產品建成四條脈動產線。四條脈動產線包含四條物理產線和四大信息管理系統(tǒng)，四條物理產線實現產品從零部件到產品調試聯試的全部流程；四大信息管理系統(tǒng)包括：制造運營管理系統(tǒng)（MOM）、數據采集與監(jiān)視系統(tǒng)（SCADA）、車間三維看板系統(tǒng)（WVS）和物流管理系統(tǒng)（WMS），與物理產線形成虛實映射、相互迭代，信息系統(tǒng)實現數據從設計端、制造端和供應鏈間的實時共享。

    通過對地面、機載預警、機載有源相控陣和艦載四類典型產品的構成進行分解、歸類，提取典型特征；對典型構建的工藝流程、工藝特點、關鍵技術進行分析、仿真優(yōu)化，通過優(yōu)化工藝流程、均衡工位節(jié)拍、工位裝配能力提升等方面提升總裝效能。通過過程數據自動采集，實現產品質量的在線監(jiān)測，保證質量監(jiān)控和過程追溯；通過對關鍵工序配置自動化和專業(yè)化裝備，大幅提升生產效率和產品質量。

    3 生產運營數字化（MOM）

    MOM是總裝車間數字化轉型的核心，將前端產品設計、工藝定義階段的產品數據管理與后端制造階段的生產數據管理融合，為實現總裝作業(yè)計劃準確、質量提升，滿足業(yè)務持續(xù)擴充與調整需求，促進業(yè)務流程的持續(xù)優(yōu)化，建設車間運營管理系統(tǒng)（MOM），對總裝車間進行信息化統(tǒng)一管理。向上與工藝系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)和PDS系統(tǒng)進行數據交互，向下與加工、物流、檢測、測試和倉儲等自動化設備集成，MOM主要實現生產計劃與執(zhí)行、質量管理、物料管理、設備管理、生產異常管理、外協生產管理、人員能力管理、生產報表、系統(tǒng)基礎理及系統(tǒng)集成等功能模塊。同時具備打造一體化生產制造模式 、形成跨地域協同化制造產業(yè)鏈 、提升生產質量管控能力和支撐管理層精準決策等特色，實現基于“人機料法環(huán)測”生產全要素的數字化工位管理。實現生產計劃調度安排、物料準時化齊套配送、現場管理、裝配過程控制與裝配質量管理集成化。使總裝車間生產執(zhí)行實現數據全控制、全貫穿，總裝車間生產運營數字化系統(tǒng)集成圖如圖3所示。

圖 3 總裝車間生產運營數字化系統(tǒng)集成圖

    APS是MOM系統(tǒng)核心，在資源約束下，均衡生產資源、優(yōu)化生產排程計劃、實現排程對需求的快速響應；同時利用生產相關的實時數據進行實時規(guī)劃，可以快速處理生產設備故障、緊急插單和質量問題等生產異動問題。MOM系統(tǒng)中的生產計劃要區(qū)別與ERP中的無限資源排程，需考慮有限生產資源（人、機、料、法和環(huán)）的約束，使生產計劃真正可控。ERP中目前的MRP運算更改為可以多項目并行計算，車間作業(yè)排程同樣需要并行計算的功能，并能夠實現廠與廠之間的拉動式管理。排程算法是有限資源約束下的多目標排產調度，包括訂單交付數最多、設備利用率最大、訂單延遲最少、最小作業(yè)時間跨度和最低成本等。支持多種排產策略，如設備利用率、訂單優(yōu)先級和按時交單率等。排程算法支持多次試算，形成對比方案，用戶人工參與計劃調整與方案決策，計劃模擬仿真，并兼容處理突發(fā)事件的排程，如緊急插單；支持手工計劃調整，提供直觀、方便的手工排程的工具；滾動排程處理存量訂單、新增訂單。制造運營管理系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。

圖 4 制造運營管理系統(tǒng)功能模塊

    4 物流配送數字化（WMS）

    總裝智能車間物流系統(tǒng)建設是總裝智能車間建設方案的重要組成部分。在總裝智能車間建設方案的統(tǒng)籌框架下，圍繞車間物流系統(tǒng)具體建設需求，進行業(yè)務流程設計、物流設施設備建設及物流管理系統(tǒng)建設，并進行建設實施的計劃安排。物流系統(tǒng)建設的主要目標是提高總裝車間的物流齊套、配送效率，提高物料配送準點率至100%，提升車間整體的生產及管理效能。

    按照“分級存放、準點配送”的原則，車間物流管理系統(tǒng)包括倉儲管理（WMS）和車間配送管理兩個部分。車間倉儲管理分為物料緩存庫和線邊暫存庫管理，在物流管理系統(tǒng)可以查詢緩存庫、線邊庫所有貨位對應的物料明細；車間配送管理將對AGV車、自動轉運車、周轉車的調度和行進路線等進行統(tǒng)一規(guī)劃管理。

    另外，依托MOM系統(tǒng)，根據批產生產線工位物料計劃，實現物料由緩存庫向線邊庫的按工位配送，物流系統(tǒng)自動判斷緩存庫和線邊庫物料齊套情況，并實現缺料預警拉動。

    總裝車間物流系統(tǒng)整體上可分為企業(yè)層、車間層、控制層和設備層。其中企業(yè)層、車間層、控制層主要是一系列軟件系統(tǒng)，相互之間開放接口，進行數據傳遞；設備層主要包括操作人員、掃碼槍、AGV、貨架和物料等一系列硬件實體，操作人員通過掃碼方式將硬件實體相互之間進行關聯綁定，并將關聯信息存入軟件系統(tǒng)，實現信息流與物流統(tǒng)一。

    WMS系統(tǒng)通過與ERP\MOM系統(tǒng)有機集成緊密銜接，遵循現代物流理念進行整體規(guī)劃與設計，物流系統(tǒng)基于射頻技術自動識別實時在線物流管理與追蹤，構建在先進的工業(yè)控制網上，運行于計算機網絡系統(tǒng)與數據庫環(huán)境下，采用三層總體結構即物流管理層、監(jiān)控調度層和控制系統(tǒng)執(zhí)行層，與上層管理系統(tǒng)協同運行完成對倉儲物流設備及生產物流設備的統(tǒng)一調度、協調管理，使物流指令快速、準確的執(zhí)行，從而保證工藝流程順暢、物流路線短捷、高效有序和科學管理，完成物流的雙向追溯和跟蹤，如圖5所示。

圖 5 物流配送數字化系統(tǒng)運行圖

    智能車間管理系統(tǒng)以物料流動為核心，從物料進總裝車間到工位領料裝配的全流程進行數字化管控，提升物流透明化、提升車間生產效率。

    總裝物流管理系統(tǒng)按照人流、物流、信息流“三流合一”的設計思路，從整體布局、物流系統(tǒng)以及信息化提升三個方面對總裝車間進行總體設計。通過優(yōu)化工藝布局、增加自動化設備工具以及開發(fā)生產管理系統(tǒng)，實現車間柔性化、精益化和透明化的目標，形成人、機、物互聯互通的生產模式，提升總裝車間的核心競爭力。

    5 數據采集與過程控制（SCADA）

    總裝車間生產過程中經歷機裝、電裝、螺裝、膠接、檢驗和測試等多個生產環(huán)節(jié)，工序多、流程長，開展生產過程多源數據感知與關聯關系分析技術研究，實現對生產線上功能不一、廠家各異的數十臺自動化設備感知采集網絡的建設，打通設備與設備之間、設備與人之間以及設備與系統(tǒng)之間的信息孤島。

    構建貫穿總裝全流程的參數監(jiān)控和數據采集系統(tǒng)，即計算機遠程監(jiān)督控制與數據采集系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)），綜合利用計算機技術、控制技術、通信與網絡技術，完成對產線各種過程或設備的實時數據采集，以及生產過程的全面實時監(jiān)控，通過SCADA與其他系統(tǒng)的關聯從生產現場實時獲取生產運營數據、裝配關鍵過程數據、力矩和質量控制數據等，提升分析決策的實時性與準確性，為運營層提供有效決策信息，并為質量、管理和故障診斷提供必要和完整的數據及支持。

    （1）根據產線特點構建分布式數據采集系統(tǒng)

    分布式數據采集系統(tǒng)具有產線各種數據采集功能，完成關鍵裝配過程或設備的直接控制。生產現場實時獲取生產運營數據、裝配關鍵過程數據、力矩和質量控制數據等。通過終端單元各種檢測與控制設備的數據采集和自動化生產，有效提升產線的產品質量、安全和生產效率。

    （2）以產線需求打造過程監(jiān)控的綜合管理平臺

    過程監(jiān)控與管理系統(tǒng)是由計算機及相關通信設備、軟件組合而成的綜合管理平臺，具備在PC終端完成產線的管理與控制功能，通過組合動態(tài)畫面和數據圖表畫面實時監(jiān)測產線狀況，使整個產線系統(tǒng)平穩(wěn)運行。可以實現以下幾方面的功能：

    1）數據采集和狀態(tài)顯示。SCADA系統(tǒng)的首要功能就是數據采集，通過分布式數據采集系統(tǒng)采集現場產線上的各項數據，檢測產線的實時狀態(tài)。同時將實時數據傳輸到MOM系統(tǒng)中，在MOM系統(tǒng)中以圖形、圖像、動畫、聲音等方式顯示產線設備的狀態(tài)和參數信息、報警信息等，實現在數字化系統(tǒng)中對產線的管理及監(jiān)控。

    2）遠程監(jiān)控。SCADA系統(tǒng)中，過程監(jiān)控與管理系統(tǒng)匯集了產線上工裝設備運行的各種測控數據，這是遠程監(jiān)視、控制的基礎。遠程監(jiān)控可以通過在MOM系統(tǒng)中修改控制參數來實現對產線上的數據采集終端的運行進行管理和監(jiān)控，通過對采集數據進行模型分析，實時掌握產線設備工裝的運行狀況，有效提高產線的效率和工作可靠性。

    3）報警和報警處理。SCADA系統(tǒng)的報警功能可以盡早發(fā)現和排除產線上的各種故障，對保證產線設備的正常運行起著重要作用。在MOM系統(tǒng)中可以準確顯示出發(fā)生的故障名稱、等級、位置、時間和報警信息，通過故障問題的快速定位，可以實現對產線故障的快速處理。

    4）事故追溯和趨勢分析。過程監(jiān)控綜合管理系統(tǒng)的運行記錄數據，如報警與報警處理記錄、人員管理記錄、工裝設備操作記錄、重要的參數記錄與過程數據的記錄對于分析和評價產線系統(tǒng)運行狀況是必不可少的。通過參數和過程記錄分析可以預估產線在不同階段可能出現的故障、物料、人員和技術風險點等多種隱患，對潛在風險在MOM系統(tǒng)中提前預警后，可以跨前處理，同時在產線出現問題后也能快速定位事故原因，并找到恢復產線生產的最佳方法。

    5）與其他應用系統(tǒng)的結合。工業(yè)控制的發(fā)展趨勢是管控一體化，也稱為綜合自動化，最典型的系統(tǒng)架構是ERP/MOM/PCS三級系統(tǒng)結構，SCADA系統(tǒng)屬于PCS層，是綜合自動化的基礎和保障。所以SCADA系統(tǒng)必須是開放的系統(tǒng)，可以實現和ERP/MOM信息互通，在所內的產線管控上主要與信息化系統(tǒng)MOM實現信息對接，由MOM系統(tǒng)對基礎的各種信息進行調度、管理和優(yōu)化控制指令，實現整個產線的綜合自動化。

    （3）打造采集終端與信息管控端的數據通信平臺

    在產線設計初期，數據通信就是重中之重，從數據傳輸模式、產線線路布局等方面入手規(guī)劃數據信息的發(fā)送設備、接受設備和傳輸介質等硬件設施和標準等軟件信息，使用多種通信手段和連接方式，將終端設備、傳輸系統(tǒng)、交換系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)連接成完整的通信整體，打造適合產線需求的數據通信平臺。

    SCADA系統(tǒng)在生產線管理中對于產線監(jiān)控和協調生產線上各種設備正常有序的運營及產品數據的配方管理方面作用顯著，極大地提高了生產和運行管理的安全性能和可靠程度，提高了產品的質量和生產效率。產線設備生產趨勢的數據采集和分析，提高了預測突發(fā)事件的能力及緊急情況下的快速反應和處理能力。

    6 基于數字孿生的總裝透明工廠建設

    總裝車間信息化建設規(guī)劃中，要求通過可視化決策看板、MOM系統(tǒng)、采集數據處理管理系統(tǒng)及三維可視化的建設與完善，達成總裝生產過程全面信息采集、可視化生產監(jiān)控和一體化制造運營管控，形成虛實映射的數字化總裝工廠。

    以系統(tǒng)仿真技術為核心，構建能真實模擬實際工廠運行的透明孿生工廠，對物理工廠數據進行實時采集，通過虛實融合技術，實現制造系統(tǒng)的持續(xù)改進與優(yōu)化。構建能真實模擬實際工廠運行的仿真運行環(huán)境，支持資源評估、預測和優(yōu)化。面向制造執(zhí)行過程，支持生產過程的可控、可追溯和柔性化。虛實融合，支持制造系統(tǒng)的持續(xù)改進與優(yōu)化，虛實映射的數字化總裝工廠示意圖如圖6所示。

圖 6 虛實映射的數字化總裝工廠示意圖

    通過圖文檔管理、產品結構管理、產品全生命周期XBOM管理、全局變更管理和異構工具系統(tǒng)集成等能力構建，全面支撐產品研制全生命周期的數據有效、完整和準確管控與貫通，數據鏈全面貫通，如圖7所示。

圖 7 數據鏈貫通流程圖

    總裝透明工廠系統(tǒng)包括總裝車間三維虛擬模型構建、裝配及測試進度展示、核心設備運行狀態(tài)監(jiān)控、車間整體運行狀態(tài)分析、生產線運行過程仿真和其他相關系統(tǒng)的集成等需求。

    7 結束語

    已建成的四條脈動產線現已實現量產，并具備一條產線總裝多款產品的柔性功能，數據在設計、工藝、生產端全面融合，物料按當天的工作需求實時配送，數據在線實時采集。后續(xù)完成MOM\SCADA\WVS\WMS系統(tǒng)的全面集成，完善總裝廠系統(tǒng)與零部件車間及供應鏈的集成，全面實現制造能力的提升。

    原文刊載于《智能制造》2021年第5期 作者：南京電子技術研究所 王春學