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标题 精密电子元器件智能化精益制造平台设计与实现
范文 璩晶磊　李少波　姚雪梅　陈伟兴



摘 要： 针对精密电子元器件制造企业产品制造周期管控问题，以制造执行系统为核心，结合精益生产理论，提出了精密电子元器件智能化精益制造平台架构。为了解决制造过程数据采集和集成，设计了制造过程多源数据主动感知模型，同时根据生产排程的特点及需求，提出了基于制造资源能力的动态排程策略。设计开发了针对精密电子元器件制造企业的智能化精益制造平台，并通过在企业的实际应用证明了方案的可行性。
关键词： 精密电子元器件； 制造执行； 精益生产； 动态排程策略
中图分类号： TN61?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0140?04
Abstract： Aiming at the product manufacturing cycle management of the precision electronic components manufacturing enterprises， an intelligent lean manufacturing platform framework for precision electronic components is proposed according to the theory of lean production， in which the manufacturing execution system is taken as the kernel. To acquire and integrate the data in the manufacturing process， a multi?source data active perception model for manufacturing process was designed. According to the characteristics and demand of production scheduling， a dynamic scheduling strategy based on manufacturing resource capability is propose. An intelligent lean manufacturing platform of the precision electronic components manufacturing enterprise was designed and developed. The feasibility of the scheme was proved by the practical application of the enterprises.
Keywords： precision electronic component； manufacturing execution； lean production； dynamic scheduling strategy
0 引 言
電子元器件制造是电子信息产业发展的重要支撑，近年来在我国电子信息产业强劲发展趋势的带动下取得长足进步[1]。随着军工及航空航天机械电子装备小型化、轻量化发展，促使电子元器件制造由传统大批量生产转变为多品种小批量生产模式[2]。这就为电子元器件制造行业带来了新的挑战，具体表现为产品型号繁多、批量小但工艺复杂、生产计划变动频繁、资源消耗过大。很多电子元器件制造企业通过购买和采用一些商品化的信息化系统对加工制造过程进行监控和管理，但结合电子元器件制造特点仍存在以下问题：管理模式复杂；数据信息源多、数据量大；数据信息缺乏规范性，造成信息交互性差，各系统难以有效集成；质量统计分析困难，生产质量无法得到有效控制[3]。因此，有必要对电子元器件制造企业开展智能化精益制造平台的研究。
目前，国内外针对企业信息化、数字化与智能化管理开展了大量的研究并取得了卓有成效的研究成果。文献[4]设计了一种基于物联技术的制造执行系统体系构架，对物联网在制造领域的应用提供借鉴。文献[5]立足航空制造业典型离散制造车间，建立了面向航空制造业的可扩展制造执行系统。文献[6]依据建材装备制造企业的生产特点，设计了基于多主体制造过程信息协同的数字化管理平台。文献[7]设计了叶片生产车间的精益制造执行系统，减少车间库存成本。文献[8]提出了e?service?driven的网络化制造模式，以服务驱动制造理念推动企业制造模式转变。文献[9]基于RFID技术，设计开发了制造供应链管理系统。文献[10]通过分析制造信息系统对设备信息的需求，构建了信息集成模型。文献[11]以安全网模型为核心，建立了安全生产管理系统。针对精益制造研究较少，主要集中于车间精益生产管理技术。李益兵基于看板管理和均衡生产设计了一套面向装备制造的精益生产管理系统[12]。王时龙针对多品种小批量的制造模式，提出了一种以准时制为核心的综合型车间物流控制方法[13]。张根宝建立了一种制造企业精益生产体系及评价模型[14]。这些研究与应用为制造企业数字化及精益生产管控提供了大量的研究成果，但围绕产品制造全流程的整体精益生产管理研究较少且缺乏专门针对电子元器件制造企业的数字化智能化管理应用研究。
因此，针对精密电子元器件生产管理的特点及需求，结合现有国内外研究基础并引入精益生产理念，提出了精密电子元器件智能化精益制造平台架构，针对车间多源数据采集融合、制造过程质量管控及生产排程等关键问题开展研究，设计开发了针对精密电子元器件制造企业的智能化精益制造平台并将研究成果在企业中进行了应用验证。
1 精密电子元器件生产加工特点及需求
精密电子元器件生产采用多品种小批量生产模式，相较于传统的单件生产、成批生产和大量生产模式，车间的生产组织及管理更为复杂。电子元器件行业工艺流程大致可分为原材料准备、制造过程、成品检验及发货三个阶段。通过企业调研，典型精密电子元器件制造工艺流程如图1所示，在接收到设计数据和ERP下达的计划后，需经过排产、生产准备、材料配送、加工、装配、完工信息采集、过程监控、质量监控、到反馈处理等工艺环节，使得企业管理模式复杂，制造过程信息数据格式多变、利用率低以及产品质量波动较大[15]。目前存在的问题具体表现为：产品品种多批量小，生产易受扰动，生产计划制定难度大；车间混件生产，各环节之间物流紊乱；过程质量检验自动化程度低；车间设备和资源缺乏有效利用。
针对上述特点和不足，结合企业的业务管理需求，提出了构建精密电子元器件智能化精益制造平台来实现与上层计划和下层控制的集成，达到实时信息监控，信息共享、快速反应，动态调度等目的，全面提高企业管理的车间数字化水平。
2 精密电子元器件智能化精益制造平台体系架构
精益生产起源于日本丰田生产系统（Toyota Production System），它主要强调快速应对市场变化以及缩减和消除浪费，使得用于企业所需资源最小[16]。它的核心思想是：持续改善、消除浪费、协力工作、柔性生产。精益生产的主要支柱是准时制、成组技术、全面质量管理和并行工程。在企业面临更低成本、更高品质和更短的生产周期的生产环境下，精益生产和制造执行系统共同为车间的生产提供高效和顺畅的运作过程。
基于精密电子元器件制造工艺流程及企业生产现场管理需求，结合精益生产理论，以制造执行系统为核心，将数据采集分析技术、自动化控制技术、异构系统集成技术、机器学习技术有机结合，搭建精密电子元器件智能化精益制造平台，实现从原材料采购到成品入库的全制造周期的实时数据采集、控制和管理。平台架构设计如图2所示。
3 智能化精益制造平台的关键技术
精密电子元器件智能化精益制造平台涉及信息、计算机、自动化、工业管理和智能决策等多个学科的理论、方法和模型，本文主要从实时制造信息驱动的生产过程主动感知和动态优化方面所涉及的几个关键技术的实现思路和方法进行阐述：制造过程多源数据主动感知及管理；多品种小批量的制造过程质量控制；多品种小批量生产自动化任务排程等。
3.1 制造过程多源数据主动感知及管理
（1） 物联网技术在制造业中的广泛应用，为制造系统对资源的感知、传输、集成应用提供了新方法。电子元器件制造过程数据包括物料状态、设备工况、生产计划、制造资源及车间环境等数据[17]。基于精密电子元器件智能化精益制造平台架构及产品生产制造过程，设计了制造过程多源数据主动感知模型如图3所示，主要包括制造过程数据感知资源、制造过程数据建模和制造过程感知信息集成。
（2） 制造过程数据建模。基于制造物联技术，对电子元器件制造过程资源进行分类建模，构建电子元器件制造过程基础信息，主要有环境数据模型、任务数据模型、工艺数据模型、产品数据模型和制造资源数据模型等。制造过程数据建模为电子元器件生产管控提供基础数据来源。
（3） 制造过程感知信息集成。在数据感知和建模的基础上，基于制造过程数据?事件映射关系模块，通过数据主动感知程序接口，将数据接入感知融合模块，实现感知数据的融合。基于规则库、历史数据等方法对感知数据进行增值挖掘，并推送给制造数据应用服务，完成制造过程多源数据主动感知及管理。
3.2 多品种小批量生产自动化任务排程
车间生产排程被认为是最困难的排程问题之一，是企业进行生产加工的核心问题[18]。传统作业车间排程理论通过推算的方式安排加工计划。部分制造执行系统已经可以实现工序计划的开始、结束日期推算。但现实加工过程由于受到各种个扰因素的影响，远比传统推算得到的计划复杂，且在目前多品种小批量制造模式下，传统方法容易造成物料及设备资源的闲置。引入高级计划排程（Advanced Planning and Scheduling，APS），同时考虑车间人员、设备、工具物料等制造资源能力，建立基于制造资源能力的动态排程策略，提升多品种小批量生产模式下的车间生产排程能力，提高车间精益生产和智能化调度水平。动态排程策略如图4所示，ERP系统根据订单情况在制造资源能力的约束下进行生产计划预排程，生产过程中根据突发事件对排程方案进行修改校正并评估新方案的各种性能指标是否达标，若达标，则按新排程进行加工。该策略通过局部重排代替因突发事件所导致的重新整体排程，减少计算资源消耗，降低对原先排程方案的干扰以及提高生产加工的稳定性。
4 应用实践
航天科工集团下属的贵州某电气股份有限公司是集科研、开发和批生产于一体的电子元器件骨干企业。针对企业精密电子元器件产品的生产业务需求，基于上述关键技术及理论，以精密电子元器件制造过程数据的汇聚及处理为支撑，引入精益生产思想，设计并开发了面向精密电子元器件制造企业的智能化精益制造平台，并在企业中进行了应用。
看板管理作为精益生产的核心，是准时制生产的重要工具。精密电子元器件制造车间生产看板如图5所示，可按车间、零件代号、产品代号、时间对装配计划进行查询。详细查看装配计划的投产数量、装配数量、废品数量（包括工废、料废），及期末结存数量（包括毛坯、材料、在制品、待处理等），并将信息定时传递到LED显示屏。
工艺路线管理功能集为产品生产提供了可执行的工艺路线，如图6所示。在工艺路线里面定义了生产某种类型的产品的工艺过程。制造工艺路线是从产品生产的角度描述产品的加工过程，是结构产品BOM和生产线的一个初步示例化的过程，也是指导产品生产的最终决定模型；在工艺路线里面定义了生产某种类型的产品的工艺过程，包括：生产线；加工顺序号、工序资源、（人员、设备、工装、刀具）、流水节拍，直接集成生产线的定义，可以在此进一步维护。
车间调度生产计划模块通过集成ERP系统，获取现有生产订单，并进行调整、变更、拆分、合并、打印、导入、导出、集成等管理。提供模板管理，生产准备管理和报表管理，为生产过程提供便捷和参考依据。车间调度生产计划界面如图7所示。
5 结 论
以精密电子元器件生产加工车间为研究对象，针对多品种小批量生产特点，结合企业精益生产及车间智能化需求，提出了精密电子元器件智能化精益制造平台的整体架构。为了解决制造过程多源数据的采集和集成，设计了制造过程多源数据主动感知模型。同时根据车间质量管控和生产排程的特点及需求，提出了电子元器件全制造周期质量控制管理模型和基于制造资源能力的动态排程策略。設计并开发了精密电子元器件智能化精益制造平台，为企业产品制造各环节提供数据支撑，提高了精密电子元器件生产车间的快速响应能力、加工过程的可控性和加工质量的一致性，对提高我国复杂产品制造行业的智能化、精益化生产管控具有直接的参考价值。
参考文献
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更新时间：2024/12/22 23:31:05