大型電子裝備總裝數(shù)字化工廠建設(shè)

    導語：針對大型電子裝備總裝流程復(fù)雜多品種變批量集成化高的需求根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點進行分類對工藝流程進行優(yōu)化建設(shè)高效率高柔性和均衡生產(chǎn)的脈動生產(chǎn)線建設(shè)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(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)和透明工廠系統(tǒng)實現(xiàn)總裝工廠數(shù)字化

    1 引言

    復(fù)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(shù)結(jié)構(gòu)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(jié)合電子裝備總裝車間管理實際，對總裝車間進行研產(chǎn)分區(qū)布局調(diào)整；按照數(shù)字化車間標準架構(gòu)，建設(shè)智能脈動生產(chǎn)線、制造運營管理系統(tǒng)、智能車間物流系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)以及透明工廠系統(tǒng)，實現(xiàn)總裝生產(chǎn)智能化管控。

    2 基于數(shù)字孿生的總裝脈動產(chǎn)線建設(shè)

    打造雷達電子裝備總裝脈動式生產(chǎn)線，在產(chǎn)品聚類、流程優(yōu)化基礎(chǔ)上，建成以“數(shù)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(fù)雜雷達裝備精益化和柔性化總裝生產(chǎn)需求，實現(xiàn) “管理智能化+過程數(shù)字化+設(shè)備自動化”。

    脈動產(chǎn)線建設(shè)基于裝配流程優(yōu)化工藝，劃分節(jié)拍和工位，均衡生產(chǎn)流動，優(yōu)化物理布局，根據(jù)生產(chǎn)線實際生產(chǎn)情況拉動物料配送，使生產(chǎn)效率、質(zhì)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(chǎn)。脈動生產(chǎn)線具有生產(chǎn)節(jié)拍靈活、生產(chǎn)效率高、高柔性等特點，適用于多品種小批量生產(chǎn)，是國際先進裝備制造企業(yè)廣泛采用的生產(chǎn)組織模式。

    以MOM系統(tǒng)作為科研生產(chǎn)過程的信息樞紐，通過端到端的工程數(shù)字化集成、計劃到指令的數(shù)據(jù)鏈集成，滿足當前的業(yè)務(wù)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(zhì)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征和總裝工藝典型流程，在產(chǎn)品聚類、流程優(yōu)化基礎(chǔ)上，建設(shè)雷達產(chǎn)品總裝脈動式生產(chǎn)線。

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

    建設(shè)基于大數(shù)據(jù)的制造運營管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，提升生產(chǎn)物流智能化水平和總裝工藝裝備專業(yè)化水準，形成批產(chǎn)產(chǎn)品脈動生產(chǎn)線和研制產(chǎn)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(chǎn)線效果圖

圖 2 總裝智能車間總體架構(gòu)

    產(chǎn)線實施整體按“系統(tǒng)規(guī)劃、分級實施”的步驟開展建設(shè)，最終建成高效透明、高度柔性、準時配送和人機協(xié)同特征顯著的智能車間。根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)、管控方式差異，分批產(chǎn)、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(diào)整；根據(jù)產(chǎn)品類別分地面產(chǎn)品、機載預(yù)警產(chǎn)品、機載有源相控陣產(chǎn)品和艦載產(chǎn)品四類典型類別，分別對應(yīng)以上四類產(chǎn)品建成四條脈動產(chǎn)線。四條脈動產(chǎn)線包含四條物理產(chǎn)線和四大信息管理系統(tǒng)，四條物理產(chǎn)線實現(xiàn)產(chǎn)品從零部件到產(chǎn)品調(diào)試聯(lián)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(shù)據(jù)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(chǎn)線形成虛實映射、相互迭代，信息系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)從設(shè)計端、制造端和供應(yīng)鏈間的實時共享。

    通過對地面、機載預(yù)警、機載有源相控陣和艦載四類典型產(chǎn)品的構(gòu)成進行分解、歸類，提取典型特征；對典型構(gòu)建的工藝流程、工藝特點、關(guān)鍵技術(shù)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(shù)據(jù)自動采集，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的在線監(jiān)測，保證質(zhì)量監(jiān)控和過程追溯；通過對關(guān)鍵工序配置自動化和專業(yè)化裝備，大幅提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

    3 生產(chǎn)運營數(shù)字化（MOM）

    MOM是總裝車間數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心，將前端產(chǎn)品設(shè)計、工藝定義階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理與后端制造階段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理融合，為實現(xiàn)總裝作業(yè)計劃準確、質(zhì)量提升，滿足業(yè)務(wù)持續(xù)擴充與調(diào)整需求，促進業(yè)務(wù)流程的持續(xù)優(yōu)化，建設(shè)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(shù)據(jù)交互，向下與加工、物流、檢測、測試和倉儲等自動化設(shè)備集成，MOM主要實現(xiàn)生產(chǎn)計劃與執(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)報表、系統(tǒng)基礎(chǔ)理及系統(tǒng)集成等功能模塊。同時具備打造一體化生產(chǎn)制造模式 、形成跨地域協(xié)同化制造產(chǎn)業(yè)鏈 、提升生產(chǎn)質(zhì)量管控能力和支撐管理層精準決策等特色，實現(xiàn)基于“人機料法環(huán)測”生產(chǎn)全要素的數(shù)字化工位管理。實現(xiàn)生產(chǎn)計劃調(diào)度安排、物料準時化齊套配送、現(xiàn)場管理、裝配過程控制與裝配質(zhì)量管理集成化。使總裝車間生產(chǎn)執(zhí)行實現(xiàn)數(shù)據(jù)全控制、全貫穿，總裝車間生產(chǎn)運營數(shù)字化系統(tǒng)集成圖如圖3所示。

圖 3 總裝車間生產(chǎn)運營數(shù)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(chǎn)資源、優(yōu)化生產(chǎn)排程計劃、實現(xiàn)排程對需求的快速響應(yīng)；同時利用生產(chǎn)相關(guān)的實時數(shù)據(jù)進行實時規(guī)劃，可以快速處理生產(chǎn)設(shè)備故障、緊急插單和質(zhì)量問題等生產(chǎn)異動問題。MOM系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃要區(qū)別與ERP中的無限資源排程，需考慮有限生產(chǎn)資源（人、機、料、法和環(huán)）的約束，使生產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)調(diào)度，包括訂單交付數(shù)最多、設(shè)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(chǎn)策略，如設(shè)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(diào)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(diào)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(shù)字化（WMS）

    總裝智能車間物流系統(tǒng)建設(shè)是總裝智能車間建設(shè)方案的重要組成部分。在總裝智能車間建設(shè)方案的統(tǒng)籌框架下，圍繞車間物流系統(tǒng)具體建設(shè)需求，進行業(yè)務(wù)流程設(shè)計、物流設(shè)施設(shè)備建設(shè)及物流管理系統(tǒng)建設(shè)，并進行建設(shè)實施的計劃安排。物流系統(tǒng)建設(shè)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(chǎn)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(yīng)的物料明細；車間配送管理將對AGV車、自動轉(zhuǎn)運車、周轉(zhuǎn)車的調(diào)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(jù)批產(chǎn)生產(chǎn)線工位物料計劃，實現(xiàn)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(xiàn)缺料預(yù)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(shè)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(shù)據(jù)傳遞；設(shè)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(guān)聯(lián)綁定，并將關(guān)聯(lián)信息存入軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)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(xiàn)代物流理念進行整體規(guī)劃與設(shè)計，物流系統(tǒng)基于射頻技術(shù)自動識別實時在線物流管理與追蹤，構(gòu)建在先進的工業(yè)控制網(wǎng)上，運行于計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫環(huán)境下，采用三層總體結(jié)構(gòu)即物流管理層、監(jiān)控調(diào)度層和控制系統(tǒng)執(zhí)行層，與上層管理系統(tǒng)協(xié)同運行完成對倉儲物流設(shè)備及生產(chǎn)物流設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)調(diào)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(shù)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(lǐng)料裝配的全流程進行數(shù)字化管控，提升物流透明化、提升車間生產(chǎn)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(shè)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(shè)計。通過優(yōu)化工藝布局、增加自動化設(shè)備工具以及開發(fā)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)車間柔性化、精益化和透明化的目標，形成人、機、物互聯(lián)互通的生產(chǎn)模式，提升總裝車間的核心競爭力。

    5 數(shù)據(jù)采集與過程控制（SCADA）

    總裝車間生產(chǎn)過程中經(jīng)歷機裝、電裝、螺裝、膠接、檢驗和測試等多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，工序多、流程長，開展生產(chǎn)過程多源數(shù)據(jù)感知與關(guān)聯(lián)關(guān)系分析技術(shù)研究，實現(xiàn)對生產(chǎn)線上功能不一、廠家各異的數(shù)十臺自動化設(shè)備感知采集網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，打通設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與人之間以及設(shè)備與系統(tǒng)之間的信息孤島。

    構(gòu)建貫穿總裝全流程的參數(shù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即計算機遠程監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)），綜合利用計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成對產(chǎn)線各種過程或設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集，以及生產(chǎn)過程的全面實時監(jiān)控，通過SCADA與其他系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)從生產(chǎn)現(xiàn)場實時獲取生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)、裝配關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)、力矩和質(zhì)量控制數(shù)據(jù)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(zhì)量、管理和故障診斷提供必要和完整的數(shù)據(jù)及支持。

    （1）根據(jù)產(chǎn)線特點構(gòu)建分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

    分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有產(chǎn)線各種數(shù)據(jù)采集功能，完成關(guān)鍵裝配過程或設(shè)備的直接控制。生產(chǎn)現(xiàn)場實時獲取生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)、裝配關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)、力矩和質(zhì)量控制數(shù)據(jù)等。通過終端單元各種檢測與控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和自動化生產(chǎn)，有效提升產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量、安全和生產(chǎn)效率。

    （2）以產(chǎn)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(guān)通信設(shè)備、軟件組合而成的綜合管理平臺，具備在PC終端完成產(chǎn)線的管理與控制功能，通過組合動態(tài)畫面和數(shù)據(jù)圖表畫面實時監(jiān)測產(chǎn)線狀況，使整個產(chǎn)線系統(tǒng)平穩(wěn)運行。可以實現(xiàn)以下幾方面的功能：

    1）數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)顯示。SCADA系統(tǒng)的首要功能就是數(shù)據(jù)采集，通過分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集現(xiàn)場產(chǎn)線上的各項數(shù)據(jù)，檢測產(chǎn)線的實時狀態(tài)。同時將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)組OM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(chǎn)線設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)信息、報警信息等，實現(xiàn)在數(shù)字化系統(tǒng)中對產(chǎn)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(chǎn)線上工裝設(shè)備運行的各種測控數(shù)據(jù)，這是遠程監(jiān)視、控制的基礎(chǔ)。遠程監(jiān)控可以通過在MOM系統(tǒng)中修改控制參數(shù)來實現(xiàn)對產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)采集終端的運行進行管理和監(jiān)控，通過對采集數(shù)據(jù)進行模型分析，實時掌握產(chǎn)線設(shè)備工裝的運行狀況，有效提高產(chǎn)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(xiàn)和排除產(chǎn)線上的各種故障，對保證產(chǎn)線設(shè)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(xiàn)對產(chǎn)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(shù)據(jù)，如報警與報警處理記錄、人員管理記錄、工裝設(shè)備操作記錄、重要的參數(shù)記錄與過程數(shù)據(jù)的記錄對于分析和評價產(chǎn)線系統(tǒng)運行狀況是必不可少的。通過參數(shù)和過程記錄分析可以預(yù)估產(chǎn)線在不同階段可能出現(xiàn)的故障、物料、人員和技術(shù)風險點等多種隱患，對潛在風險在MOM系統(tǒng)中提前預(yù)警后，可以跨前處理，同時在產(chǎn)線出現(xiàn)問題后也能快速定位事故原因，并找到恢復(fù)產(chǎn)線生產(chǎn)的最佳方法。

    5）與其他應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)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(gòu)是ERP/MOM/PCS三級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，SCADA系統(tǒng)屬于PCS層，是綜合自動化的基礎(chǔ)和保障。所以SCADA系統(tǒng)必須是開放的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)和ERP/MOM信息互通，在所內(nèi)的產(chǎn)線管控上主要與信息化系統(tǒng)MOM實現(xiàn)信息對接，由MOM系統(tǒng)對基礎(chǔ)的各種信息進行調(diào)度、管理和優(yōu)化控制指令，實現(xiàn)整個產(chǎn)線的綜合自動化。

    （3）打造采集終端與信息管控端的數(shù)據(jù)通信平臺

    在產(chǎn)線設(shè)計初期，數(shù)據(jù)通信就是重中之重，從數(shù)據(jù)傳輸模式、產(chǎn)線線路布局等方面入手規(guī)劃數(shù)據(jù)信息的發(fā)送設(shè)備、接受設(shè)備和傳輸介質(zhì)等硬件設(shè)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(shè)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(chǎn)線需求的數(shù)據(jù)通信平臺。

    SCADA系統(tǒng)在生產(chǎn)線管理中對于產(chǎn)線監(jiān)控和協(xié)調(diào)生產(chǎn)線上各種設(shè)備正常有序的運營及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的配方管理方面作用顯著，極大地提高了生產(chǎn)和運行管理的安全性能和可靠程度，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。產(chǎn)線設(shè)備生產(chǎn)趨勢的數(shù)據(jù)采集和分析，提高了預(yù)測突發(fā)事件的能力及緊急情況下的快速反應(yīng)和處理能力。

    6 基于數(shù)字孿生的總裝透明工廠建設(shè)

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

    以系統(tǒng)仿真技術(shù)為核心，構(gòu)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(shù)據(jù)進行實時采集，通過虛實融合技術(shù)，實現(xiàn)制造系統(tǒng)的持續(xù)改進與優(yōu)化。構(gòu)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(yù)測和優(yōu)化。面向制造執(zhí)行過程，支持生產(chǎn)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(shù)字化總裝工廠示意圖如圖6所示。

圖 6 虛實映射的數(shù)字化總裝工廠示意圖

    通過圖文檔管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、產(chǎn)品全生命周期XBOM管理、全局變更管理和異構(gòu)工具系統(tǒng)集成等能力構(gòu)建，全面支撐產(chǎn)品研制全生命周期的數(shù)據(jù)有效、完整和準確管控與貫通，數(shù)據(jù)鏈全面貫通，如圖7所示。

圖 7 數(shù)據(jù)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(gòu)建、裝配及測試進度展示、核心設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控、車間整體運行狀態(tài)分析、生產(chǎn)線運行過程仿真和其他相關(guān)系統(tǒng)的集成等需求。

    7 結(jié)束語

    已建成的四條脈動產(chǎn)線現(xiàn)已實現(xiàn)量產(chǎn)，并具備一條產(chǎn)線總裝多款產(chǎn)品的柔性功能，數(shù)據(jù)在設(shè)計、工藝、生產(chǎn)端全面融合，物料按當天的工作需求實時配送，數(shù)據(jù)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(yīng)鏈的集成，全面實現(xiàn)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(shù)研究所 王春學