大型电子装备总装数字化工厂建设

    导语：针对大型电子装备总装流程复杂多品种变批量集成化高的需求根据产品结构特点进行分类对工艺流程进行优化建设高效率高柔性和均衡生产的脉动生产线建设四大信息化系统制造运营管理系统车间物流系统数据采集与控制系统和透明工厂系统实现总装工厂数字化

    1 引言

    复杂军工电子装备具有典型的多品种、变批量的研制特点，同时其技术结构正日益向多样化、集成化和综合化方向发展。针对大型电子装备总装特点，结合电子装备总装车间管理实际，对总装车间进行研产分区布局调整；按照数字化车间标准架构，建设智能脉动生产线、制造运营管理系统、智能车间物流系统、数据采集与控制系统以及透明工厂系统，实现总装生产智能化管控。

    2 基于数字孪生的总装脉动产线建设

    打造雷达电子装备总装脉动式生产线，在产品聚类、流程优化基础上，建成以“数字贯通，智能管控、绿色低耗”为特征的智能车间。满足多品种、小批量、离散型复杂雷达装备精益化和柔性化总装生产需求，实现 “管理智能化+过程数字化+设备自动化”。

    脉动产线建设基于装配流程优化工艺，划分节拍和工位，均衡生产流动，优化物理布局，根据生产线实际生产情况拉动物料配送，使生产效率、质量控制更高效，资源需求更精准，发挥总装计划牵引作用，有效的促进均衡生产。脉动生产线具有生产节拍灵活、生产效率高、高柔性等特点，适用于多品种小批量生产，是国际先进装备制造企业广泛采用的生产组织模式。

    以MOM系统作为科研生产过程的信息枢纽，通过端到端的工程数字化集成、计划到指令的数据链集成，满足当前的业务管理需求的同时，支撑智能制造能力的持续提升。

    以能力提升、质量提升、降低成本、周期压缩和高度柔性为目标；以资源重组、流程优化、创新示范需求为导向，提取产品结构特征和总装工艺典型流程，在产品聚类、流程优化基础上，建设雷达产品总装脉动式生产线。

    根据产品多品种、小批量和变节拍的柔性生产需求，建设以智能单元、人机混合线以及自动化产线有机结合为特征的智能装配线，实现产线柔性化、生产弹性化、管理精益化和决策智能化，形成人、机和物互联互通，人流、物流和信息流“三流合一”的生产模式，提升产品智能装配生产能力的核心竞争力，并形成智能制造产业示范线。

    建设基于大数据的制造运营管理系统、数据采集及控制系统，提升生产物流智能化水平和总装工艺装备专业化水准，形成批产产品脉动生产线和研制产品智能总装单元为主体的总装智能化车间，如图1、图2所示。

图 1 总装车间脉动产线效果图

图 2 总装智能车间总体架构

    产线实施整体按“系统规划、分级实施”的步骤开展建设，最终建成高效透明、高度柔性、准时配送和人机协同特征显著的智能车间。根据产品技术状态、管控方式差异，分批产、研制两类进行分类管理，对总装车间进行研批分区布局调整；根据产品类别分地面产品、机载预警产品、机载有源相控阵产品和舰载产品四类典型类别，分别对应以上四类产品建成四条脉动产线。四条脉动产线包含四条物理产线和四大信息管理系统，四条物理产线实现产品从零部件到产品调试联试的全部流程；四大信息管理系统包括：制造运营管理系统（MOM）、数据采集与监视系统（SCADA）、车间三维看板系统（WVS）和物流管理系统（WMS），与物理产线形成虚实映射、相互迭代，信息系统实现数据从设计端、制造端和供应链间的实时共享。

    通过对地面、机载预警、机载有源相控阵和舰载四类典型产品的构成进行分解、归类，提取典型特征；对典型构建的工艺流程、工艺特点、关键技术进行分析、仿真优化，通过优化工艺流程、均衡工位节拍、工位装配能力提升等方面提升总装效能。通过过程数据自动采集，实现产品质量的在线监测，保证质量监控和过程追溯；通过对关键工序配置自动化和专业化装备，大幅提升生产效率和产品质量。

    3 生产运营数字化（MOM）

    MOM是总装车间数字化转型的核心，将前端产品设计、工艺定义阶段的产品数据管理与后端制造阶段的生产数据管理融合，为实现总装作业计划准确、质量提升，满足业务持续扩充与调整需求，促进业务流程的持续优化，建设车间运营管理系统（MOM），对总装车间进行信息化统一管理。向上与工艺系统、ERP系统和PDS系统进行数据交互，向下与加工、物流、检测、测试和仓储等自动化设备集成，MOM主要实现生产计划与执行、质量管理、物料管理、设备管理、生产异常管理、外协生产管理、人员能力管理、生产报表、系统基础理及系统集成等功能模块。同时具备打造一体化生产制造模式 、形成跨地域协同化制造产业链 、提升生产质量管控能力和支撑管理层精准决策等特色，实现基于“人机料法环测”生产全要素的数字化工位管理。实现生产计划调度安排、物料准时化齐套配送、现场管理、装配过程控制与装配质量管理集成化。使总装车间生产执行实现数据全控制、全贯穿，总装车间生产运营数字化系统集成图如图3所示。

图 3 总装车间生产运营数字化系统集成图

    APS是MOM系统核心，在资源约束下，均衡生产资源、优化生产排程计划、实现排程对需求的快速响应；同时利用生产相关的实时数据进行实时规划，可以快速处理生产设备故障、紧急插单和质量问题等生产异动问题。MOM系统中的生产计划要区别与ERP中的无限资源排程，需考虑有限生产资源（人、机、料、法和环）的约束，使生产计划真正可控。ERP中目前的MRP运算更改为可以多项目并行计算，车间作业排程同样需要并行计算的功能，并能够实现厂与厂之间的拉动式管理。排程算法是有限资源约束下的多目标排产调度，包括订单交付数最多、设备利用率最大、订单延迟最少、最小作业时间跨度和最低成本等。支持多种排产策略，如设备利用率、订单优先级和按时交单率等。排程算法支持多次试算，形成对比方案，用户人工参与计划调整与方案决策，计划模拟仿真，并兼容处理突发事件的排程，如紧急插单；支持手工计划调整，提供直观、方便的手工排程的工具；滚动排程处理存量订单、新增订单。制造运营管理系统功能模块如图4所示。

图 4 制造运营管理系统功能模块

    4 物流配送数字化（WMS）

    总装智能车间物流系统建设是总装智能车间建设方案的重要组成部分。在总装智能车间建设方案的统筹框架下，围绕车间物流系统具体建设需求，进行业务流程设计、物流设施设备建设及物流管理系统建设，并进行建设实施的计划安排。物流系统建设的主要目标是提高总装车间的物流齐套、配送效率，提高物料配送准点率至100%，提升车间整体的生产及管理效能。

    按照“分级存放、准点配送”的原则，车间物流管理系统包括仓储管理（WMS）和车间配送管理两个部分。车间仓储管理分为物料缓存库和线边暂存库管理，在物流管理系统可以查询缓存库、线边库所有货位对应的物料明细；车间配送管理将对AGV车、自动转运车、周转车的调度和行进路线等进行统一规划管理。

    另外，依托MOM系统，根据批产生产线工位物料计划，实现物料由缓存库向线边库的按工位配送，物流系统自动判断缓存库和线边库物料齐套情况，并实现缺料预警拉动。

    总装车间物流系统整体上可分为企业层、车间层、控制层和设备层。其中企业层、车间层、控制层主要是一系列软件系统，相互之间开放接口，进行数据传递；设备层主要包括操作人员、扫码枪、AGV、货架和物料等一系列硬件实体，操作人员通过扫码方式将硬件实体相互之间进行关联绑定，并将关联信息存入软件系统，实现信息流与物流统一。

    WMS系统通过与ERP\MOM系统有机集成紧密衔接，遵循现代物流理念进行整体规划与设计，物流系统基于射频技术自动识别实时在线物流管理与追踪，构建在先进的工业控制网上，运行于计算机网络系统与数据库环境下，采用三层总体结构即物流管理层、监控调度层和控制系统执行层，与上层管理系统协同运行完成对仓储物流设备及生产物流设备的统一调度、协调管理，使物流指令快速、准确的执行，从而保证工艺流程顺畅、物流路线短捷、高效有序和科学管理，完成物流的双向追溯和跟踪，如图5所示。

图 5 物流配送数字化系统运行图

    智能车间管理系统以物料流动为核心，从物料进总装车间到工位领料装配的全流程进行数字化管控，提升物流透明化、提升车间生产效率。

    总装物流管理系统按照人流、物流、信息流“三流合一”的设计思路，从整体布局、物流系统以及信息化提升三个方面对总装车间进行总体设计。通过优化工艺布局、增加自动化设备工具以及开发生产管理系统，实现车间柔性化、精益化和透明化的目标，形成人、机、物互联互通的生产模式，提升总装车间的核心竞争力。

    5 数据采集与过程控制（SCADA）

    总装车间生产过程中经历机装、电装、螺装、胶接、检验和测试等多个生产环节，工序多、流程长，开展生产过程多源数据感知与关联关系分析技术研究，实现对生产线上功能不一、厂家各异的数十台自动化设备感知采集网络的建设，打通设备与设备之间、设备与人之间以及设备与系统之间的信息孤岛。

    构建贯穿总装全流程的参数监控和数据采集系统，即计算机远程监督控制与数据采集系统（SCADA系统），综合利用计算机技术、控制技术、通信与网络技术，完成对产线各种过程或设备的实时数据采集，以及生产过程的全面实时监控，通过SCADA与其他系统的关联从生产现场实时获取生产运营数据、装配关键过程数据、力矩和质量控制数据等，提升分析决策的实时性与准确性，为运营层提供有效决策信息，并为质量、管理和故障诊断提供必要和完整的数据及支持。

    （1）根据产线特点构建分布式数据采集系统

    分布式数据采集系统具有产线各种数据采集功能，完成关键装配过程或设备的直接控制。生产现场实时获取生产运营数据、装配关键过程数据、力矩和质量控制数据等。通过终端单元各种检测与控制设备的数据采集和自动化生产，有效提升产线的产品质量、安全和生产效率。

    （2）以产线需求打造过程监控的综合管理平台

    过程监控与管理系统是由计算机及相关通信设备、软件组合而成的综合管理平台，具备在PC终端完成产线的管理与控制功能，通过组合动态画面和数据图表画面实时监测产线状况，使整个产线系统平稳运行。可以实现以下几方面的功能：

    1）数据采集和状态显示。SCADA系统的首要功能就是数据采集，通过分布式数据采集系统采集现场产线上的各项数据，检测产线的实时状态。同时将实时数据传输到MOM系统中，在MOM系统中以图形、图像、动画、声音等方式显示产线设备的状态和参数信息、报警信息等，实现在数字化系统中对产线的管理及监控。

    2）远程监控。SCADA系统中，过程监控与管理系统汇集了产线上工装设备运行的各种测控数据，这是远程监视、控制的基础。远程监控可以通过在MOM系统中修改控制参数来实现对产线上的数据采集终端的运行进行管理和监控，通过对采集数据进行模型分析，实时掌握产线设备工装的运行状况，有效提高产线的效率和工作可靠性。

    3）报警和报警处理。SCADA系统的报警功能可以尽早发现和排除产线上的各种故障，对保证产线设备的正常运行起着重要作用。在MOM系统中可以准确显示出发生的故障名称、等级、位置、时间和报警信息，通过故障问题的快速定位，可以实现对产线故障的快速处理。

    4）事故追溯和趋势分析。过程监控综合管理系统的运行记录数据，如报警与报警处理记录、人员管理记录、工装设备操作记录、重要的参数记录与过程数据的记录对于分析和评价产线系统运行状况是必不可少的。通过参数和过程记录分析可以预估产线在不同阶段可能出现的故障、物料、人员和技术风险点等多种隐患，对潜在风险在MOM系统中提前预警后，可以跨前处理，同时在产线出现问题后也能快速定位事故原因，并找到恢复产线生产的最佳方法。

    5）与其他应用系统的结合。工业控制的发展趋势是管控一体化，也称为综合自动化，最典型的系统架构是ERP/MOM/PCS三级系统结构，SCADA系统属于PCS层，是综合自动化的基础和保障。所以SCADA系统必须是开放的系统，可以实现和ERP/MOM信息互通，在所内的产线管控上主要与信息化系统MOM实现信息对接，由MOM系统对基础的各种信息进行调度、管理和优化控制指令，实现整个产线的综合自动化。

    （3）打造采集终端与信息管控端的数据通信平台

    在产线设计初期，数据通信就是重中之重，从数据传输模式、产线线路布局等方面入手规划数据信息的发送设备、接受设备和传输介质等硬件设施和标准等软件信息，使用多种通信手段和连接方式，将终端设备、传输系统、交换系统、综合管理系统连接成完整的通信整体，打造适合产线需求的数据通信平台。

    SCADA系统在生产线管理中对于产线监控和协调生产线上各种设备正常有序的运营及产品数据的配方管理方面作用显著，极大地提高了生产和运行管理的安全性能和可靠程度，提高了产品的质量和生产效率。产线设备生产趋势的数据采集和分析，提高了预测突发事件的能力及紧急情况下的快速反应和处理能力。

    6 基于数字孪生的总装透明工厂建设

    总装车间信息化建设规划中，要求通过可视化决策看板、MOM系统、采集数据处理管理系统及三维可视化的建设与完善，达成总装生产过程全面信息采集、可视化生产监控和一体化制造运营管控，形成虚实映射的数字化总装工厂。

    以系统仿真技术为核心，构建能真实模拟实际工厂运行的透明孪生工厂，对物理工厂数据进行实时采集，通过虚实融合技术，实现制造系统的持续改进与优化。构建能真实模拟实际工厂运行的仿真运行环境，支持资源评估、预测和优化。面向制造执行过程，支持生产过程的可控、可追溯和柔性化。虚实融合，支持制造系统的持续改进与优化，虚实映射的数字化总装工厂示意图如图6所示。

图 6 虚实映射的数字化总装工厂示意图

    通过图文档管理、产品结构管理、产品全生命周期XBOM管理、全局变更管理和异构工具系统集成等能力构建，全面支撑产品研制全生命周期的数据有效、完整和准确管控与贯通，数据链全面贯通，如图7所示。

图 7 数据链贯通流程图

    总装透明工厂系统包括总装车间三维虚拟模型构建、装配及测试进度展示、核心设备运行状态监控、车间整体运行状态分析、生产线运行过程仿真和其他相关系统的集成等需求。

    7 结束语

    已建成的四条脉动产线现已实现量产，并具备一条产线总装多款产品的柔性功能，数据在设计、工艺、生产端全面融合，物料按当天的工作需求实时配送，数据在线实时采集。后续完成MOM\SCADA\WVS\WMS系统的全面集成，完善总装厂系统与零部件车间及供应链的集成，全面实现制造能力的提升。

    原文刊载于《智能制造》2021年第5期 作者：南京电子技术研究所 王春学