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★ 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動控制研究所

編者按：

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、邊緣計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的飛速發(fā)展，以及IT與OT技術(shù)的進(jìn)一步融合，工業(yè)制造、城市交通、電力能源、農(nóng)業(yè)等各大行業(yè)領(lǐng)域的智慧化發(fā)展已成為必然趨勢。推進(jìn)各領(lǐng)域向智慧化發(fā)展是一項復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，既需要單一技術(shù)與裝備的突破應(yīng)用，還需要系統(tǒng)化的集成創(chuàng)新。智慧系統(tǒng)解決方案是推廣普及智能化技術(shù)的關(guān)鍵手段，是促進(jìn)各行業(yè)智能化水平提升的核心。

為深化智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)一步提升智慧產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域系統(tǒng)解決方案應(yīng)用水平，現(xiàn)由中國自動化學(xué)會、智能制造推進(jìn)合作創(chuàng)新聯(lián)盟、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會主辦，控制網(wǎng)（www.miconline.com.cn）＆《自動化博覽》承辦的2021智慧系統(tǒng)解決方案征集活動已正式啟動，面向全行業(yè)公開征集智慧系統(tǒng)解決方案。本刊特開設(shè)智慧系統(tǒng)解決方案專欄，刊發(fā)其中優(yōu)秀的解決方案以饗讀者。

1　目標(biāo)和概述

航空機(jī)載、彈載產(chǎn)品生產(chǎn)裝配過程中會大量使用膠粘劑，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動控制研究所（以下簡稱：自控所）的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中也對膠粘劑依賴很大，其中自行配制的種類近百種，常配膠粘劑品種也多達(dá)40余種，涉及60余種原料。平均每天制備5種以上，200多份。

自控所一直以來被用膠過程中的各類問題困擾著，主管領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)員因配膠失誤受到問責(zé)和處罰多次。自控所用膠方面核心問題主要有四個方面：

（1）種類多但用膠量卻極少，有些特殊膠種每次用膠需求量僅有幾克。同時涉及膠粘劑配方等核心商密。

（2）常用膠的存放周期都比較短，膠粘劑有效期一般不超過3天，有的特殊膠種周期更短，嚴(yán)重制約制備和使用效率。一方面生產(chǎn)線要求快速響應(yīng)、減少等待，一方面要求降本增效、壓縮浪費(fèi)。而膠粘劑的短周期存放特性更是加劇了這一矛盾。

（3）常會出現(xiàn)配錯料現(xiàn)象。因涉及材料多達(dá)60余種，配方多達(dá)百種，過去配膠作業(yè)為純手工操作，配膠人員需要完成原料查表、用量計算、取料、稱量、混合、記錄、分裝、分發(fā)等操作，工序交織且繁瑣，每個環(huán)節(jié)都可能出錯；盡管采取了一些防錯措施，但受到客觀條件限制，平均每年仍會出現(xiàn)2次錯誤。

（4）配膠過程數(shù)據(jù)不可追溯，當(dāng)膠粘劑出現(xiàn)質(zhì)量問題后，卻不知道問題膠用在哪些產(chǎn)品上。同種膠粘劑會同時在多個部門生產(chǎn)的多種產(chǎn)品上使用，由于缺乏有效的追溯手段，一旦出錯就需要召回同時段生產(chǎn)的全部產(chǎn)品，甚至召回裝機(jī)產(chǎn)品，影響面廣、損失巨大。

隨著用膠量快速增長，加之自控所進(jìn)入一所三地的運(yùn)行模式，傳統(tǒng)的膠粘劑生產(chǎn)和使用方式矛盾凸顯，既不能杜絕質(zhì)量事故發(fā)生又無法及時滿足生產(chǎn)現(xiàn)場需求，自控所在該領(lǐng)域的管理者和技術(shù)人員倍感壓力。團(tuán)隊下決心建立一套先進(jìn)的配膠用膠系統(tǒng)，支持低成本、快產(chǎn)出、防錯配、數(shù)據(jù)可追溯。

團(tuán)隊通過深入調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場上沒有現(xiàn)成的解決方案，也沒有一家廠商獨(dú)立開發(fā)過此類系統(tǒng)，一來傳統(tǒng)膠粘劑生產(chǎn)企業(yè)更多關(guān)注化學(xué)配膠和大規(guī)模生產(chǎn)，深耕自動化的膠粘劑廠商幾乎沒有。二來傳統(tǒng)的自動化公司因為市場用膠屬于小眾需求，也無人問津，且我們希望的基于自動化和信息化的膠粘劑生產(chǎn)、分發(fā)系統(tǒng)涉及的跨學(xué)科專業(yè)面廣，既涵蓋非金屬材料化工，又包含自動化控制。業(yè)務(wù)流程長，研制周期長、還要求低成本，從而增大了研制風(fēng)險。團(tuán)隊曾經(jīng)帶著問題找遍了國內(nèi)相關(guān)行業(yè)各類大小企業(yè)，試圖解決當(dāng)前困局，但一旦別人深入了解上述需求后，都不約而同地打起了退堂鼓。沒人干就自己干，要解決上述問題，必須通過技術(shù)創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新來探索一條符合行業(yè)特點(diǎn)的新路徑。團(tuán)隊通過從制備到使用全流程分析，各種技術(shù)對比，引進(jìn)新技術(shù)，反復(fù)摸索實踐，經(jīng)過近兩年的不懈努力，成功解決了上述問題，研制出了現(xiàn)在的膠粘劑全流程追溯及自動分發(fā)系統(tǒng)，它基于互聯(lián)網(wǎng)云平臺、人機(jī)協(xié)同。實現(xiàn)了四大核心功能：

（1）支持低成本的極少劑量配膠。克服了傳統(tǒng)配膠、分膠作業(yè)因容器和管線數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致的費(fèi)用高昂的困難，以幾塊錢的方法實現(xiàn)了原來動輒上千元才能實現(xiàn)的配膠、分膠作業(yè)。通過行星式混膠機(jī)配合低成本一次性膠液盒，支持幾克到幾千克的配膠，通過蠕動泵配合膠液傳輸管實現(xiàn)了低成本分膠，由于本方案的膠液可實現(xiàn)泵外流動，無需泵體內(nèi)循環(huán)，省去了大量清洗和切換的時間和成本，膠種切換只需更換幾塊錢的膠液傳輸管即可。通過模式創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新將自動化的高可靠、高效率特點(diǎn)與人工操作的低成本有機(jī)結(jié)合在一起，實現(xiàn)低成本、高效率、零差錯的多品種、小劑量膠粘劑生產(chǎn)。

（2）配膠防錯系統(tǒng)實現(xiàn)零差錯配膠。借鑒基于按燈取料系統(tǒng)的手工裝配思想，進(jìn)行移植創(chuàng)新，獨(dú)創(chuàng)了膠粘劑制備過程防錯系統(tǒng)。將原來由人實現(xiàn)的控制、運(yùn)算和決策功能交給設(shè)備和控制系統(tǒng)去實現(xiàn)，人只作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按照系統(tǒng)提示完成少數(shù)幾個簡單動作，這樣就可以最大程度減少分心引起的失誤。此外，系統(tǒng)通過傳感器對人工執(zhí)行的動作進(jìn)行檢查判斷，如果發(fā)現(xiàn)錯誤將不能進(jìn)入下一步操作，實現(xiàn)全方位防錯。

（3）工藝創(chuàng)新大幅度延長配膠存放時間。在膠粘劑特性摸透基礎(chǔ)上，探索延長有效期的方案。經(jīng)過大量研究和實驗，將膠粘劑有效期延長10倍，將存放時間延長至30天。有效緩解供需矛盾，降低了存放超期的可能性。由于配制頻次減少，相應(yīng)減少了配膠出錯的發(fā)生概率。

（4）配膠用膠數(shù)據(jù)全流程可追溯。克服了過去所有記錄均為手工填寫，各種記錄文件由不同部門管理，信息量不足，時效性差，難以實現(xiàn)質(zhì)量追溯的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)打通申請、制備、存儲、配送、使用等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)驅(qū)動替代了原有的流程驅(qū)動模式，實現(xiàn)了膠粘劑全流程管控和追溯。

在該系統(tǒng)中，人不再是流程的控制者，而只是作為全流程中的一部分，執(zhí)行無法由機(jī)器完成的作業(yè)。通過膠粘劑配置需求數(shù)量、庫存量、應(yīng)配制數(shù)量、現(xiàn)場分發(fā)柜分發(fā)量等數(shù)據(jù)分析計算來指導(dǎo)全流程運(yùn)行，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動。創(chuàng)造拉式生產(chǎn)模式下的安全庫存平衡算法，實現(xiàn)了配制和取用的動態(tài)平衡；基于云平臺開發(fā)自動分發(fā)柜，結(jié)合手機(jī)客戶端，解決了過去業(yè)務(wù)銜接等待時間長、流程推進(jìn)靠人催等問題，依靠移動互聯(lián)和數(shù)據(jù)自動推送技術(shù)，實現(xiàn)7×24小時隨時取膠，從而實現(xiàn)配膠零差錯，用膠零等待的最終目標(biāo)。

系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2　方案詳細(xì)介紹

2.1　系統(tǒng)運(yùn)行流程介紹

首先根據(jù)膠粘劑申請數(shù)據(jù)并與當(dāng)前庫存進(jìn)行比較，確定應(yīng)當(dāng)配置的品種和數(shù)量，配膠人員在智能防錯系統(tǒng)界面選擇需要配置的膠粘劑品種并在系統(tǒng)引導(dǎo)下取出對應(yīng)原材料，一次只能取出一種原料，取用完放回原位；

根據(jù)配膠防錯系統(tǒng)的提示稱取相應(yīng)重量的原料，

系統(tǒng)實時監(jiān)控放入容器的原料重量并自動記錄；

按配方要求稱取的原料放入攪拌機(jī)進(jìn)行充分混合攪拌；

將配置完成的膠粘劑分別裝入標(biāo)準(zhǔn)容器；

將容器放入自動封裝、標(biāo)印機(jī)中完成封裝并進(jìn)行激光打標(biāo)；

每個完成標(biāo)記的容器作為一個成品被自動錄入系統(tǒng)；

批量封裝好的容器被放入冷凍儲藏柜中，相當(dāng)于進(jìn)入成品庫；

使用人員通過手機(jī)發(fā)出膠粘劑領(lǐng)用申請；

用膠申請定時匯總，系統(tǒng)自動生成出庫清單；

配膠人員根據(jù)清單進(jìn)行出庫，并打印二次標(biāo)識，用來明確使用部門、制造日期、出庫日期、有效期等信息；

配送人員將二次標(biāo)識完成的膠粘劑裝入保溫容器，按部門配送至各生產(chǎn)現(xiàn)場的智能自助取膠冷凍柜；

使用人員通過手機(jī)掃碼從自助取膠冷凍柜中取出已經(jīng)申請過的對應(yīng)品種的膠粘劑。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2.2　系統(tǒng)架構(gòu)介紹

膠粘劑全流程追溯及自動分發(fā)系統(tǒng)由膠粘劑制備、存儲、發(fā)放管理平臺，膠粘劑制備過程防錯子系統(tǒng)，膠粘劑封裝、打標(biāo)子系統(tǒng)，膠粘劑存儲子系統(tǒng)，膠粘劑分發(fā)領(lǐng)用子系統(tǒng)和膠粘劑申請、領(lǐng)用手機(jī)客戶端軟件組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

（1）膠粘劑制備、存儲、發(fā)放管理平臺是整個系統(tǒng)的控制樞紐，具有數(shù)據(jù)通訊、處理、運(yùn)算、統(tǒng)計、記錄、查詢等功能。通過該平臺將處在不同空間的子系統(tǒng)鏈接為一個整體。

（2）膠粘劑制備過程防錯子系統(tǒng)。通過人機(jī)界面、智能防錯柜、傳感器等設(shè)備讓原來需要手工完成的查配方表、重量計算、合格判斷、數(shù)據(jù)記錄等工作全部自動完成，配膠人員只需進(jìn)行原料取放和稱重作業(yè)，避免因分心產(chǎn)生錯誤；開發(fā)工藝互鎖功能，避免出現(xiàn)原料重量超差、重復(fù)加入同一種原料或者遺漏某一原料的錯誤；自主開發(fā)智能防錯柜，將原來混放在一起的各種原材料分別放入防錯柜可自動開閉的窗格中，每次只能取放一種原料，防止拿錯；增加溫濕度監(jiān)控功能，當(dāng)溫濕度超出允許范圍后會報警提示，避免因環(huán)境因素導(dǎo)致膠粘劑產(chǎn)生質(zhì)量問題。

（3）膠粘劑封裝、打標(biāo)子系統(tǒng)。通過自動封裝、標(biāo)印機(jī)實現(xiàn)膠瓶自動封裝、自動打印二維碼，避免配膠人員手工裝瓶蓋并擰緊數(shù)百個瓶蓋和手工打印粘貼數(shù)百張標(biāo)簽，大大降低了配膠人員勞動強(qiáng)度。

（4）膠粘劑存儲子系統(tǒng)。膠粘劑配制完成后必須立即冷凍保存，為了延長有效期，實現(xiàn)批量化配膠，經(jīng)過大量研究和實驗，開發(fā)了低溫存儲柜。存放時間延長至30天，有效緩解供需矛盾，降低了存放超期的可能性。由于配制頻次減少，相應(yīng)減少了配膠出錯的發(fā)生概率。

（5）膠粘劑分發(fā)領(lǐng)用子系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于自動售貨機(jī)原理開發(fā)，將自動分發(fā)低溫存儲柜分別布置在各個生產(chǎn)現(xiàn)場，配制好的膠粘劑按訂單提前配送，使用人員隨用隨取，不僅解決了集中領(lǐng)取時等待周期長、轉(zhuǎn)運(yùn)分發(fā)過程難以監(jiān)控等問題，而且減少了數(shù)名配送人員。

（6）膠粘劑申請、領(lǐng)用手機(jī)客戶端。以往申領(lǐng)膠粘劑主要通過電話和郵件形式，時效性差，數(shù)據(jù)無法顯形化，使用手機(jī)客戶端后，各種信息一目了然，實時更新，不僅提高了全流程的效率，同時降低了管理和使用成本。

3　代表性及推廣價值

該系統(tǒng)已投用近3年，配膠量由8萬份/年增加到30萬份/年，未發(fā)生任何質(zhì)量事故（投用前，年均2次），有效避免因召回導(dǎo)致的重大經(jīng)濟(jì)損失和企業(yè)名譽(yù)損失。

該系統(tǒng)為行業(yè)首創(chuàng)，技術(shù)領(lǐng)先。首先是模式創(chuàng)新，將傳統(tǒng)流程型驅(qū)動運(yùn)行模式改變?yōu)榛谝苿踊ヂ?lián)的數(shù)據(jù)驅(qū)動模式，打破時空限制，讓手機(jī)從日常用品變身為生產(chǎn)工具，使系統(tǒng)隨時在線，避免因時間、空間原因造成申請、制備或領(lǐng)用等待，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動統(tǒng)計和知識積累；其次是工藝創(chuàng)新，針對痛點(diǎn)問題，通過工藝再設(shè)計將防錯設(shè)計、工藝互鎖和可追溯理念落實到每一個環(huán)節(jié)中，將原有的實驗性質(zhì)操作進(jìn)行規(guī)范化和工程化；然后是技術(shù)創(chuàng)新，將自動化技術(shù)、信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工藝技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)人機(jī)協(xié)同，最大化減少人工操作和人工干預(yù)。

該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用為軍工領(lǐng)域存在多品種小批量膠粘劑人工配置生產(chǎn)和配送的單位提供了一套完整解決方案。建設(shè)成本低，性價比高，可移植性強(qiáng)，具有較高的推廣價值。

摘自《自動化博覽》2021年12月刊