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北京和利時智能技術有限公司

1　項目背景

目前國內(nèi)電子產(chǎn)品制造企業(yè)基本采用分散式組裝、測試、包裝的生產(chǎn)方式，存在效率低、周期長、生產(chǎn)穩(wěn)定性差以及在產(chǎn)物料、在制品的滯留時間長、數(shù)量多、管理難度大的問題，已經(jīng)不能適應現(xiàn)在的多品種、小批量、高效率、高可靠性的生產(chǎn)需求。

針對這種產(chǎn)業(yè)化的劣勢，和利時通過引入智能制造概念，建設和利時自主控制系統(tǒng)產(chǎn)品制造的智能工廠，實現(xiàn)訂單管理、產(chǎn)品管理、物料管理、生產(chǎn)作業(yè)管理、設備管理、能源管控、質(zhì)量管理、生產(chǎn)過程可視化等功能，使得控制系統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)達到了敏捷生產(chǎn)、透明生產(chǎn)、可視化生產(chǎn)和智能化生產(chǎn)，為“中國制造2025”提供國產(chǎn)自主的核心控制裝備與系統(tǒng)，實現(xiàn)“用中國心實施中國制造”。

2　項目實施與應用情況

自動控制系統(tǒng)產(chǎn)品制造智能工廠的建設目標是實現(xiàn)ERP、MES、WMS、SCADA、PLC/MC和智能傳感器/執(zhí)行器等不同生產(chǎn)層次之間的信息集成，形成制造決策、執(zhí)行和控制等信息流的閉環(huán)；提高生產(chǎn)設備的智能化水平和生產(chǎn)過程管控與優(yōu)化的能力，使控制系統(tǒng)產(chǎn)品制造過程的效率最大化，將制造過程的浪費降低到最小程度，實現(xiàn)靈活的小批量、多批次均勻連續(xù)生產(chǎn)。

整個智能工廠的系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)結構可劃分為五層：

（1）第一層，是生產(chǎn)現(xiàn)場層，包括儀表、機械設備、在線感知傳感器和執(zhí)行機構，電機和機器人/手臂等生產(chǎn)設備和檢測設備，分布在現(xiàn)場生產(chǎn)線的各個工位；

（2）第二層，是產(chǎn)線控制層，采用可編程控制器（PLC/MC）對現(xiàn)場各個設備/機械、執(zhí)行機構等進行數(shù)據(jù)采集與控制操作，對生產(chǎn)線生產(chǎn)自動化運行起過程控制作用；

（3）第三層，是數(shù)據(jù)采集與操作層，采用SCADA系統(tǒng)對設備專機、PLC系統(tǒng)、工業(yè)視覺系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控視頻等生產(chǎn)裝置或生產(chǎn)線進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視數(shù)據(jù)的綜合收集與集成工作，并提供HMI可視化界面進行人機交互與監(jiān)視，同時，下達生產(chǎn)指令給生產(chǎn)線控制系統(tǒng)；

（4）第四層，是車間管理信息系統(tǒng)，包括MES系統(tǒng)和WMS系統(tǒng)，MES系統(tǒng)完成車間執(zhí)行系統(tǒng)的管理自動化，WMS系統(tǒng)完成物料的綜合管理；

（5）第五層，是企業(yè)資源計劃ERP系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，完成整個企業(yè)的產(chǎn)、供、銷、人、財、物的綜合總體管理以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。

通過5層的規(guī)劃建設，縱向集成ERP系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)、SCADA/MES/WMS信息化系統(tǒng)、用戶操作層、控制層以及現(xiàn)場生產(chǎn)線設備，達到打通工廠上下層之間的信息孤島，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，從而有效實現(xiàn)產(chǎn)品從訂單到生產(chǎn)的智能制造。

和利時控制系統(tǒng)產(chǎn)品智能工廠的組成主要包括以下內(nèi)容：

（1）PLC自動化柔性生產(chǎn)線。主要由PCBA自動化生產(chǎn)線、自動化裝配測試線、智能電子看板和自動化物流倉儲系統(tǒng)等四部分組成。

自動化PCBA生產(chǎn)線。主要包括自動上/下板機、焊膏印刷機、高速貼片、回流焊、AOI、波峰焊機等標準的電子產(chǎn)品SMT和THT生產(chǎn)工藝設備，這部分設備具備網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊接口，具備設備運行參數(shù)遠程整定的能力，可以接受來自產(chǎn)品數(shù)據(jù)平臺的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時具備設備運行狀態(tài)采集功能，可以向SCADA系統(tǒng)提供實時運行數(shù)據(jù)。

自動化柔性裝配測試線。采用PLC、MC、智能傳感器等智能化生產(chǎn)設備實現(xiàn)PLC產(chǎn)品生產(chǎn)過程的控制和檢測，正確、及時地執(zhí)行來自生產(chǎn)執(zhí)行層的控制指令，達成生產(chǎn)計劃目標；同時獲取制造裝備狀態(tài)、生產(chǎn)過程進度以及質(zhì)量參數(shù)控制的第一手信息，并傳遞給生產(chǎn)執(zhí)行層，實現(xiàn)制造過程透明化，為敏捷決策提供依據(jù)。

智能電子看板。采用可視化技術，實現(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)的實時掌控，快速處理生產(chǎn)過程中常見的延期交貨、物料短缺、設備故障、人員缺勤等各種異常情形，解決制造過程中的各類異常，保證生產(chǎn)有序進行。

自動化物流倉儲系統(tǒng)。主要包括物料識別系統(tǒng)、貨位管理系統(tǒng)、自動分揀系統(tǒng)、物料傳輸系統(tǒng)，以及立體倉庫和AGV系統(tǒng)等部分。

（2）車間制造執(zhí)行系統(tǒng)MES。主要包括生產(chǎn)過程管理、計劃管理、質(zhì)量管理、設備管理、能源管控等功能。這是車間執(zhí)行業(yè)務邏輯的關鍵環(huán)節(jié)，承上啟下打通ERP到操作層的業(yè)務邏輯處理，實現(xiàn)智能化管理。

（3）企業(yè)資源計劃ERP。ERP系統(tǒng)是一個基于客戶機/服務機架構的開放的、集成的企業(yè)資源計劃系統(tǒng)。其功能覆蓋與PLC生產(chǎn)制造和銷售相關的供應鏈管理、訂單管理、生產(chǎn)計劃、庫存管理等方面。

（4）產(chǎn)品數(shù)據(jù)平臺：采用配置管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理電子CAD系統(tǒng)生成的BOM與PCBA數(shù)據(jù)、機械CAD生成的三維產(chǎn)品信息和裝配數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)版本控制并按照生產(chǎn)計劃的要求及時、準確地向生產(chǎn)線發(fā)放生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

3　項目創(chuàng)新、重點與難點問題及解決思路介紹

3.1　主要創(chuàng)新點

（1）對工廠內(nèi)部產(chǎn)品信息、原材料信息、設備信息、人員信息、工藝過程信息等進行全面的數(shù)字化改造，使之滿足智能工廠的基本要求。

（2）生產(chǎn)過程全面數(shù)字化，對產(chǎn)品的生產(chǎn)信息、設備信息、工藝信息、質(zhì)量信息等進行全面的數(shù)據(jù)實時采集。

（3）建立全面的產(chǎn)品追溯系統(tǒng)。實現(xiàn)產(chǎn)品、原材料批次、生產(chǎn)過程和質(zhì)量級的全方位追溯，包括正向追溯和反向追溯。

（4）建立全面的過程防錯體系。實現(xiàn)程序糾錯、原材料糾錯、上料過程糾錯、設備程序使用糾錯、自動化設備防錯防呆等防錯體系，生產(chǎn)數(shù)據(jù)可防止人工篡改。發(fā)生重大故障時，生產(chǎn)數(shù)據(jù)不丟失。

（5）建立透明的生產(chǎn)現(xiàn)場管理體系。生產(chǎn)進度、狀態(tài)、報警、產(chǎn)品履歷、物料流動等過程數(shù)據(jù)可視、可及時通知。

（6）建立可量化的人員績效體系、設備綜合效率（OEE）。

（7）高效自動排產(chǎn)?？蓪崟r動態(tài)調(diào)整，并實時更新到生產(chǎn)線和管理看板，易用性好。

（8）質(zhì)量管理標準化。事先設置標準、系統(tǒng)管控執(zhí)行流程；事后自動統(tǒng)計分析原因，實現(xiàn)持續(xù)改進，提高直通率和質(zhì)量。

（9）全面信息無縫集成和貫通，實現(xiàn)與ERP、研發(fā)系統(tǒng)、OA系統(tǒng)之間的縱向數(shù)據(jù)交互。

（10）設計開發(fā)了一套全自動化封閉的智能裝配測試生產(chǎn)線，滿足柔性和混線生產(chǎn)的高要求?；炀€柔性生產(chǎn)，即可以在一條線上生產(chǎn)不同型號、不同品種的產(chǎn)品，最多可同時生產(chǎn)50多種產(chǎn)品?；炀€生產(chǎn)方式的好處是快速響應、靈活制造，通過生產(chǎn)管控，能夠進行小批量、多批次的連續(xù)生產(chǎn)，從而最小化待售產(chǎn)品量，極大減少庫存，規(guī)避貨品積壓問題。同時混線生產(chǎn)也可以實現(xiàn)單件產(chǎn)品生產(chǎn)，滿足個性化定制化的生產(chǎn)要求。因此，混線生產(chǎn)就是一種自動化和信息化程度高，精益效果明顯的柔性生產(chǎn)模式。

3.2　難點問題及解決思路

智能工廠的建設過程中遇到的最大難點就是產(chǎn)品身份的數(shù)字化問題。

為了準確收集生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，可編程控制器系列每一個產(chǎn)品都有自己的“身份證”。在智能工廠內(nèi)，整個生產(chǎn)過程中，無論元件、半成品還是待交付的產(chǎn)品，均有各自編碼，在制品一旦在生產(chǎn)線啟動生產(chǎn)之后，可全程自動確定每道工序；生產(chǎn)的每個流程，包括焊接、裝配測試或物流包裝等，一切過程數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)都被系統(tǒng)自動采集記錄，以供追溯和數(shù)字化集成；更重要的是，在柔性裝配測試流水線上，根據(jù)工單信息，可自動裝配不同元件，流水生產(chǎn)出各具特性的產(chǎn)品，這一切都依賴于所有信息的數(shù)字化，這是智能工廠建設的基礎。

為此，需要在產(chǎn)品生產(chǎn)加工的第一道工序就為每一個產(chǎn)品的PCB電路板鐳刻條碼。由于有大量各種各樣的老產(chǎn)品，其PCB電路板內(nèi)條碼粘貼的位置只有一個，且在PCB內(nèi)完全是隨機的，有的位于Top面，有的位于Bottom面，位置均不固定，這樣就導致產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的自動識別將會非常困難。產(chǎn)品識別困難對后續(xù)所有生產(chǎn)工序都會造成致命影響，并將嚴重影響生產(chǎn)的效率，甚至對智能工廠整個建設造成嚴重阻礙。

為解決上述問題，并與ERP系統(tǒng)和現(xiàn)有產(chǎn)品體系保持兼容，通過增加另一種條碼，即PCB模板上刻印兩種規(guī)格的DM碼：

（1）一種是PCB板內(nèi)的4mm×4mm DM碼，稱為板內(nèi)SN碼。

這個條碼在現(xiàn)有條碼的基礎上進行改進，一方面與原有條碼保持兼容性，另一方面將原來的一維碼改為現(xiàn)在的二維碼，提高條碼的可識別性。

（2）新增一種：工藝邊上的6mm×3mm DM碼，稱為板邊SN碼。

板內(nèi)SN碼與板邊SN碼的作用與區(qū)別如表1所示。

表1 板內(nèi)SN碼與板邊SN碼的作用與區(qū)別

因此，解決的思路是修改PCB設計規(guī)范，完善產(chǎn)品設計準則，使之滿足智能工廠產(chǎn)品識別的要求。

4　效益分析

控制系統(tǒng)產(chǎn)品制造智能工廠，經(jīng)過“精益化、自動化、數(shù)字化、智能化”的智能制造綜合建設，覆蓋了產(chǎn)品從研發(fā)設計到生產(chǎn)制造的全過程，優(yōu)化了產(chǎn)品制造過程信息的傳遞過程，實現(xiàn)了ERP系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、PCBA柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)、自動柔性裝配測試生產(chǎn)線系統(tǒng)、物流控制系統(tǒng)等縱向層次之間的數(shù)字化信息集成，形成制造決策、執(zhí)行和控制等信息流的閉環(huán)；提高了生產(chǎn)線的智能化水平和生產(chǎn)過程管控與優(yōu)化的能力，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的管控能力，及時發(fā)現(xiàn)并處理質(zhì)量問題，杜絕因質(zhì)量缺陷流入下道工序，從而提升了產(chǎn)品的整體生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量，縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了多品種、小批量、多批次的用戶定制化制造。

和利時智能工廠經(jīng)過實際的運行檢驗，效果如表2所示。

表2 智能工廠建設效果

和利時智能工廠還將在實踐中進行持續(xù)改進和優(yōu)化，未來將會在質(zhì)量、交期和成本方面的改善，為企業(yè)創(chuàng)造持續(xù)的價值

5　項目意義

智能制造是制造業(yè)發(fā)展的趨勢，也是中國未來的產(chǎn)業(yè)升級之路。

以自動控制系統(tǒng)產(chǎn)品為代表的智能裝備是我國制造業(yè)升級的關鍵設備，通過“智能工廠”的建設，不但可以有效降低和利時自主產(chǎn)品的制造成本，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低庫存，提高國產(chǎn)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的市場競爭力；而且可以作為制造業(yè)智能工廠解決方案的典型案例在中國制造業(yè)推廣應用，推進《中國制造2025》的落地實施，提升中國制造業(yè)的國際競爭力。

后記

和利時始創(chuàng)于1993年，是中國領先的自動化與智能制造解決方案提供商，公司二十多年來一直堅持自主創(chuàng)新，以自主技術為國內(nèi)外超過1萬家工業(yè)生產(chǎn)和制造業(yè)客戶提供了數(shù)萬套智能控制系統(tǒng)和智能制造解決方案，并能為客戶的生產(chǎn)設備和工廠運行提供全生命周期的服務，和利時的自動化和智能制造解決方案所管理的客戶資產(chǎn)達到數(shù)萬億，以自主可控技術為我國制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)安全提供了保障。

和利時的智能制造解決方案，堅持以自主核心技術為基礎，開辟“立地頂天”的發(fā)展路徑，依次涵蓋了智能裝備、智能工廠、以工業(yè)云服務平臺為基礎的智能服務三個層次。解決方案基于自主可控的核心技術，包括：智能控制器、現(xiàn)場總線和工業(yè)網(wǎng)絡、工業(yè)數(shù)據(jù)庫、工廠建模軟件和仿真軟件、生產(chǎn)計劃軟件、能源管理軟件、數(shù)據(jù)分析軟件、設備管理軟件、基于工業(yè)云平臺的運營優(yōu)化APP軟件等。和利時的解決方案，采用“云+端”的架構。在工業(yè)終端方面，依托于HOLLiAS智能控制系統(tǒng)平臺，發(fā)展新一代高端高速DCS、PLC、SCADA系統(tǒng)，推進傳統(tǒng)裝備向智能裝備升級，實現(xiàn)裝備的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化，推進裝備互聯(lián)互通；在工業(yè)云方面，依托HiaCUBE工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集成開發(fā)平臺和HiaCloud工業(yè)云運行平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、信息集成和知識集成，推進工業(yè)知識軟件化、服務化，解決裝備門類眾多造成的工業(yè)知識分散和行業(yè)知識信息過于碎片化、不易共享的問題，最大化發(fā)揮工業(yè)知識的價值。

和利時提供的智能制造解決方案，著力兩大方面為制造業(yè)客戶創(chuàng)造價值：一是提升客戶設備資產(chǎn)的利用率，二是提升客戶設備資產(chǎn)的投入產(chǎn)出率。綜合這兩方面，提升制造業(yè)客戶資產(chǎn)的運營效率和產(chǎn)品質(zhì)量，提升企業(yè)的盈利能力，最終提升客戶資產(chǎn)的投資回報率。為此，解決方案要保證工業(yè)制造業(yè)客戶的功能安全、信息安全以及365天×24小時連續(xù)可靠運行，并在此基礎上通過大數(shù)據(jù)分析、智能決策來提升設備的運行效率。對于以重資產(chǎn)高能耗為特征的流程型工廠，可以實現(xiàn)節(jié)能減排的綠色制造；對于離散制造業(yè)，可實現(xiàn)高效率低成本的個性化定制。

摘自《自動化博覽》2018年1月刊