智能制造工廠(chǎng)模型

馬 杰，姚 波，李 勇

（1.中電科技德清華瑩電子有限公司，湖州 313200；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210016）

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，制造業(yè)在我國(guó)得到了長(zhǎng)足而迅速的發(fā)展。2007年，全球制造業(yè)總產(chǎn)值為9.324萬(wàn)億美元，中國(guó)為1.15萬(wàn)億美元，到了2017年，中國(guó)制造業(yè)總產(chǎn)值3.596萬(wàn)億美元，提高了17個(gè)百分比。強(qiáng)大的制造業(yè)是提升綜合國(guó)力、保衛(wèi)國(guó)家安全最有力的保障。2015年5月國(guó)務(wù)院印發(fā)“中國(guó)制造2025”，部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。我國(guó)已經(jīng)具備了建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的基礎(chǔ)和條件，但我國(guó)工業(yè)化起步晚，技術(shù)積累相對(duì)落后，先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化能力也與發(fā)達(dá)國(guó)家存在顯著差距，致使國(guó)產(chǎn)智能制造產(chǎn)品和系統(tǒng)的發(fā)展面臨技術(shù)和市場(chǎng)的雙重瓶頸，要從國(guó)外進(jìn)口高端裝備和成套生產(chǎn)線(xiàn)。

新一代信息技術(shù)是我國(guó)信息經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性和基礎(chǔ)性技術(shù)，特別是我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)在經(jīng)歷了1G“空白”、2G“跟隨”、3G“突破”、4G“同步”后，5G將力求領(lǐng)先，而與之相對(duì)應(yīng)的核心材料與器件必須率先取得突破。基于壓電晶體為襯底材料的微聲（SAW，Surface Acoustic Wave）濾波器是新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)元件，目前國(guó)外企業(yè)憑借核心技術(shù)和智能制造優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期壟斷我國(guó)市場(chǎng)，導(dǎo)致智能終端用微聲濾波器國(guó)產(chǎn)化率不到2%，材料國(guó)產(chǎn)化率不到20%，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)雖然在材料技術(shù)、封裝技術(shù)等方面取得了重大突破，但受智能制造水平制約而陷入產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高、合格率低的困境。同時(shí)，部分關(guān)鍵設(shè)備尚存在技術(shù)瓶頸、整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈核心設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率不高，嚴(yán)重影響我國(guó)微聲材料與器件行業(yè)的自主安全發(fā)展。習(xí)總書(shū)記在419講話(huà)中指出“最關(guān)鍵最核心的技術(shù)要立足自主創(chuàng)新、自立自強(qiáng)”，當(dāng)下，微聲器件作為5G通信關(guān)鍵器件，如何突破關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化短板和智能制造能力掣肘，顯著提升國(guó)產(chǎn)微聲材料與器件的自主競(jìng)爭(zhēng)力已成為高科技競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的制高點(diǎn)之一。

就目前國(guó)內(nèi)發(fā)展的狀態(tài)，智能制造整體化模型的建立將大大加快企業(yè)的發(fā)展速度，有力的推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，乃至帶動(dòng)整體制造業(yè)的發(fā)展。

1 智能制造模型結(jié)構(gòu)說(shuō)明

以打造世界領(lǐng)先的微聲材料與器件智能制造工廠(chǎng)為目標(biāo)，對(duì)以下幾個(gè)模塊進(jìn)行了規(guī)劃：

1）技術(shù)創(chuàng)新；2）信息系統(tǒng)；3）核心設(shè)備；4）資源戰(zhàn)略；5）基礎(chǔ)保障。

圖1 整體模塊結(jié)構(gòu)圖

1）技術(shù)創(chuàng)新：突破關(guān)鍵短板設(shè)備，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘/機(jī)器視覺(jué)等人工智能技術(shù)，提升工藝水平、提高作業(yè)效能、降低能耗。主要分為：

（1）關(guān)鍵設(shè)備及短板設(shè)備的技術(shù)突破。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)中的整體工序的需要，在關(guān)鍵設(shè)備和工藝短板的設(shè)備上的技術(shù)突破必須加快，例如核心設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，提升設(shè)備的使用效率，提升產(chǎn)品的良品率降低該設(shè)備的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）數(shù)據(jù)挖掘等大數(shù)據(jù)分析。在一定的用戶(hù)數(shù)據(jù)積累以后，應(yīng)用在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，突破對(duì)數(shù)據(jù)分析思維，能夠重新認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)，獲取更精準(zhǔn)的信息，幫助產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行必要的生產(chǎn)調(diào)整。

（3）設(shè)備在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，將關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行必要的網(wǎng)絡(luò)連接，可以在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以及生產(chǎn)的連續(xù)性。

（4）工藝AR輔助作業(yè)指導(dǎo)。實(shí)現(xiàn)提供三維沉浸式的精確輔助作業(yè)指導(dǎo)，綜合提升產(chǎn)品性能和作業(yè)效率。

2）信息系統(tǒng)模塊：集成PDM/ERP/MES/APS/WMS/SCADA，實(shí)現(xiàn)核心設(shè)備組網(wǎng)與監(jiān)控，以及全生產(chǎn)過(guò)程的協(xié)同管理與控制。具體分為六塊：PDM、ERP、MES、APS、WMS、SCADA。

（1）PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）是管理所有與產(chǎn)品相關(guān)信息和所有與產(chǎn)品相關(guān)過(guò)程的技術(shù)。可以提高生產(chǎn)效率，有利于對(duì)產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行管理，加強(qiáng)對(duì)于數(shù)據(jù)的高效利用，使工作流程規(guī)范化。徹底實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車(chē)間無(wú)紙化生產(chǎn)。

（2）ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）是建立在信息技術(shù)基礎(chǔ)上，融合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、圖形用戶(hù)界面、客戶(hù)服務(wù)器結(jié)構(gòu)等對(duì)企業(yè)資源進(jìn)行了有效集成。為企業(yè)決策層及員工提供高效的決策運(yùn)行手段。

（3）MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）是面向制造企業(yè)車(chē)間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理等管理模塊，為企業(yè)打造全面的制造協(xié)同管理平臺(tái)。

（4）APS（高級(jí)計(jì)劃排程）是利用先進(jìn)的信息科技及規(guī)劃技術(shù)，通過(guò)控制物料、倉(cāng)庫(kù)、設(shè)備、人員、品質(zhì)、工藝等工廠(chǎng)資源來(lái)提高生產(chǎn)效率。滿(mǎn)足顧客需求及面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)。作出平衡企業(yè)利益與顧客權(quán)益的最佳規(guī)劃和決策。

（5）WMS（智能倉(cāng)儲(chǔ)物流）是綜合運(yùn)用的管理系統(tǒng)，有效控制并跟蹤倉(cāng)庫(kù)業(yè)務(wù)的物流和成本管理全過(guò)程，完善企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)信息管理。

（6）SCADA（智能設(shè)備組網(wǎng)）即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。

3）核心設(shè)備模塊：引進(jìn)并集成數(shù)十種核心智能設(shè)備，升級(jí)芯片線(xiàn)、擴(kuò)建封裝線(xiàn)、建設(shè)新型測(cè)試線(xiàn)，大幅提高產(chǎn)能和自動(dòng)化水平。具體分為：（1）晶體生長(zhǎng)車(chē)間核心設(shè)備；（2）晶片加工核心設(shè)備；（3）芯片線(xiàn)核心設(shè)備；（4）封裝線(xiàn)核心設(shè)備；（5）測(cè)試線(xiàn)核心設(shè)備。

4）資源戰(zhàn)略模塊：升級(jí)ERP系統(tǒng)并引入OA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人力資源、社會(huì)資源、信息資源、財(cái)務(wù)資源的統(tǒng)一協(xié)同管理。

5）基礎(chǔ)保障模塊：強(qiáng)化組織/技術(shù)/人員/機(jī)制和資金等因素，給予項(xiàng)目實(shí)施提供有力保障。該模塊分為：（1）組織保障；（2）技術(shù)保障；（3）人員保障；（4）機(jī)制保障；（5）資金保障。

2 信息系統(tǒng)相互協(xié)同管理說(shuō)明

如圖2所示，通過(guò)精心梳理工序布局和物料流轉(zhuǎn)過(guò)程，建立高效作業(yè)流程和物料拉動(dòng)機(jī)制，徹底消除物料呆滯和停工等料現(xiàn)象，提高物流速度和生產(chǎn)節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)和物料物流的精益管理。

六大軟件系統(tǒng)的互相協(xié)同，將整個(gè)工廠(chǎng)的生產(chǎn)流程盡在掌握，提高了管理和生產(chǎn)效率的同時(shí)，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本和人工成本，壓縮了產(chǎn)品的生產(chǎn)流轉(zhuǎn)周期，加快了工廠(chǎng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過(guò)管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、驅(qū)動(dòng)信息化和工業(yè)化技術(shù)的深度融合，逐步實(shí)現(xiàn)工位、工序、車(chē)間的智能化，由點(diǎn)及面、打造信息與工業(yè)一體的現(xiàn)代化智慧型工廠(chǎng)。

3 項(xiàng)目實(shí)施完成后著重提高的技術(shù)指標(biāo)

1）數(shù)字建模：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)建模、生產(chǎn)工藝建模和生產(chǎn)流程建模，用數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)微聲材料與器件產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。

圖2 信息系統(tǒng)協(xié)同管理流程圖

2）設(shè)計(jì)仿真：引進(jìn)VASP實(shí)現(xiàn)材料生長(zhǎng)的模擬仿真，利用COM模型、ADS、HFSS等軟件進(jìn)行研發(fā)全過(guò)程的產(chǎn)品建模、計(jì)算、仿真和工藝規(guī)劃，基于PDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多仿真系統(tǒng)的集成應(yīng)用，為行業(yè)首創(chuàng)。

3）數(shù)據(jù)采集：全面部署生產(chǎn)基地工業(yè)以太網(wǎng)（含無(wú)線(xiàn)網(wǎng)），確保工業(yè)網(wǎng)絡(luò)100%覆蓋到生產(chǎn)車(chē)間；建立高安全等級(jí)的工業(yè)數(shù)據(jù)中心，確保采集數(shù)據(jù)100%存數(shù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中；建成SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從DCS（Distributed Conutrol System 分布式控制系統(tǒng)）、設(shè)備、PLC（Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器）等多渠道采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，全面監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況、工藝控制參數(shù)、水電氣等能源消耗情況，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)至工業(yè)數(shù)據(jù)中心，設(shè)備數(shù)據(jù)采集率達(dá)行業(yè)先進(jìn)水平。

4）數(shù)據(jù)可視化：建立企業(yè)生產(chǎn)集控中心，利用信息化技術(shù)使系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖形、圖表、圖像，數(shù)據(jù)可視化率達(dá)到90%以上。

5）智能控制：全面建立企業(yè)服務(wù)總線(xiàn)，架設(shè)不同生產(chǎn)線(xiàn)、不同設(shè)備之間、不同DCS系統(tǒng)之間的快速信息通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換；建設(shè)整廠(chǎng)MES與APS，實(shí)現(xiàn)材料與器件全生產(chǎn)過(guò)程的協(xié)同管理與智能控制；綜合運(yùn)用WMS（Warehouse Management System倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)）與AGV（Automated Guided Vehicle自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)）調(diào)度系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流的智能控制，整廠(chǎng)智能化程度與行業(yè)先進(jìn)水平同步。

6）人工智能：建立企業(yè)級(jí)工業(yè)大數(shù)據(jù)智慧云平臺(tái)，利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器視覺(jué)等人工智能技術(shù)，在以下四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)的首次創(chuàng)新應(yīng)用：

（1）通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化能源分配，提高晶體生長(zhǎng)質(zhì)量；

（2）通過(guò)在產(chǎn)、試產(chǎn)海量數(shù)據(jù)分析輔助實(shí)現(xiàn)工藝快速定型、精準(zhǔn)抽樣檢測(cè)、產(chǎn)品精準(zhǔn)投放；

（3）運(yùn)用工業(yè)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)解決晶片透光率在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的行業(yè)難題，提出并研制壓電晶片在線(xiàn)無(wú)損視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)；

（4）通過(guò)工業(yè)AR（Augmented Reality增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）頭戴顯示器將多種輔助信息（物料、工藝參數(shù)、操作指導(dǎo)、設(shè)備零件等）顯示給操作者，提供三維沉浸式的精準(zhǔn)輔助作業(yè)指導(dǎo)，綜合提升產(chǎn)品性能和作業(yè)效率。

4 預(yù)期解決的重大問(wèn)題

1）解決我國(guó)微聲材料與器件行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)能力不足的問(wèn)題。

我國(guó)微聲（SAW）濾波器在頻率和帶寬已經(jīng)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是濾波器的小型化、寬頻帶、集成化等主流方向上與國(guó)際巨頭還有差距；大直徑黑化鈮酸鋰、鉭酸鋰晶片在高平整度超薄加工工藝方面與國(guó)外先進(jìn)水平還有一定差距。借助本項(xiàng)目實(shí)施，完善產(chǎn)品生命周期管理（PLM）和知識(shí)管理系統(tǒng)，提升IT對(duì)研發(fā)的支撐能力，增強(qiáng)研發(fā)協(xié)同，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工藝匹配周期，項(xiàng)目核心關(guān)鍵設(shè)備的集成應(yīng)用將提升設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證能力，突破溫度補(bǔ)償技術(shù)、晶圓級(jí)封裝技術(shù)和模塊集成化技術(shù)的國(guó)際封鎖，大大提升我國(guó)微聲材料與器件行業(yè)的研發(fā)水平。

2）改變我國(guó)高端微聲材料與器件的生產(chǎn)能力、制造過(guò)程控制水平較低的現(xiàn)狀。

目前，國(guó)內(nèi)微聲材料與器件行業(yè)的產(chǎn)能與生產(chǎn)過(guò)程與國(guó)外同行業(yè)有較大差距，在高端微聲材料與器件上問(wèn)題突出。通過(guò)提高微聲材料和器件生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和智能化水平，加強(qiáng)器件及晶片制造過(guò)程中的質(zhì)量控制，建立生產(chǎn)過(guò)程的全流程追溯體系，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)整，提高生產(chǎn)效率，由此提升我國(guó)微聲材料與器件整體的質(zhì)量控制水平，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和品牌影響力。

3）改變我國(guó)在新一代信息技術(shù)主導(dǎo)能力薄弱的局面。

新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的七大產(chǎn)業(yè)之一，具有創(chuàng)新活躍、滲透性強(qiáng)、帶動(dòng)作用大等特點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是引領(lǐng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)、科技和社會(huì)發(fā)展的一支重要力量。由于掌握并壟斷著核心軟件和關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。作為關(guān)鍵基礎(chǔ)元件的微聲器件行業(yè)，率先通過(guò)智能制造新模式應(yīng)用項(xiàng)目提升企業(yè)核心技術(shù)、核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心制造能力，為中國(guó)新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈輸出高質(zhì)量、安全可靠的基礎(chǔ)元器件，推動(dòng)主機(jī)廠(chǎng)商向高技術(shù)含量、高附加值的產(chǎn)業(yè)鏈上游發(fā)展，打造出具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的品牌和產(chǎn)品，從而增強(qiáng)我國(guó)在新一代信息技術(shù)的主導(dǎo)能力。

4）改變我國(guó)半導(dǎo)體裝備長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面。

通過(guò)供需結(jié)合和研用結(jié)合的新機(jī)制，大大縮短設(shè)備的研發(fā)周期、快速提升設(shè)備水平。突破一系列安全可控核心智能制造裝備的研制和集成應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)半導(dǎo)體封測(cè)及材料生長(zhǎng)加工先進(jìn)裝備制造水平提升，改變國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)裝備長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面，提升我國(guó)電子裝備制造企業(yè)在國(guó)內(nèi)、國(guó)際市場(chǎng)的占有率。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能制造的應(yīng)用實(shí)施過(guò)程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有內(nèi)在聯(lián)系性、科學(xué)性、開(kāi)放性，涵蓋現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、正在制定的標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)計(jì)要發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用提供指導(dǎo)和支持。具備實(shí)現(xiàn)特定功能的有機(jī)整體，開(kāi)放以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系的外部環(huán)境、技術(shù)體系的變化與發(fā)展。

智能制造工廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)了特種計(jì)算機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程中研、產(chǎn)、銷(xiāo)、服等方面的核心創(chuàng)新能力，引領(lǐng)了產(chǎn)品智能制造新模式。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化、企業(yè)綜合管控信息化 、制造裝備智能化與數(shù)字化、工業(yè)云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)分析。智能工廠(chǎng)的實(shí)時(shí)可使得企業(yè)生產(chǎn)效率提高，運(yùn)營(yíng)成本降低，產(chǎn)品研制周期縮短，產(chǎn)品不良品率降低，能源利用率提高。技術(shù)推廣后將全面提升相關(guān)行業(yè)自動(dòng)化智能化水平，對(duì)我國(guó)“制造大國(guó)”到“制造強(qiáng)國(guó)”的轉(zhuǎn)型有著重大意義。