智能制造工厂模型

马 杰，姚 波，李 勇

（1.中电科技德清华莹电子有限公司，湖州 313200；2.中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210016）

0 引言

随着科技的高速发展，制造业在我国得到了长足而迅速的发展。2007年，全球制造业总产值为9.324万亿美元，中国为1.15万亿美元，到了2017年，中国制造业总产值3.596万亿美元，提高了17个百分比。强大的制造业是提升综合国力、保卫国家安全最有力的保障。2015年5月国务院印发“中国制造2025”，部署全面推进实施制造强国战略。我国已经具备了建设制造强国的基础和条件，但我国工业化起步晚，技术积累相对落后，先进技术的产业化能力也与发达国家存在显著差距，致使国产智能制造产品和系统的发展面临技术和市场的双重瓶颈，要从国外进口高端装备和成套生产线。

新一代信息技术是我国信息经济的战略性、先导性和基础性技术，特别是我国移动通信技术在经历了1G“空白”、2G“跟随”、3G“突破”、4G“同步”后，5G将力求领先，而与之相对应的核心材料与器件必须率先取得突破。基于压电晶体为衬底材料的微声（SAW，Surface Acoustic Wave）滤波器是新一代信息技术的基础元件，目前国外企业凭借核心技术和智能制造优势，长期垄断我国市场，导致智能终端用微声滤波器国产化率不到2%，材料国产化率不到20%，国内相关企业虽然在材料技术、封装技术等方面取得了重大突破，但受智能制造水平制约而陷入产品生产周期长、成本高、合格率低的困境。同时，部分关键设备尚存在技术瓶颈、整个产业链核心设备的国产化率不高，严重影响我国微声材料与器件行业的自主安全发展。习总书记在419讲话中指出“最关键最核心的技术要立足自主创新、自立自强”，当下，微声器件作为5G通信关键器件，如何突破关键设备国产化短板和智能制造能力掣肘，显著提升国产微声材料与器件的自主竞争力已成为高科技竞争最为激烈的制高点之一。

就目前国内发展的状态，智能制造整体化模型的建立将大大加快企业的发展速度，有力的推动整个行业的发展，乃至带动整体制造业的发展。

1 智能制造模型结构说明

以打造世界领先的微声材料与器件智能制造工厂为目标，对以下几个模块进行了规划：

1）技术创新；2）信息系统；3）核心设备；4）资源战略；5）基础保障。

图1 整体模块结构图

1）技术创新：突破关键短板设备，应用数据挖掘/机器视觉等人工智能技术，提升工艺水平、提高作业效能、降低能耗。主要分为：

（1）关键设备及短板设备的技术突破。根据企业生产中的整体工序的需要，在关键设备和工艺短板的设备上的技术突破必须加快，例如核心设备的关键参数进行系统的优化，提升设备的使用效率，提升产品的良品率降低该设备的生产风险。

（2）数据挖掘等大数据分析。在一定的用户数据积累以后，应用在生产运营中，突破对数据分析思维，能够重新认识数据，获取更精准的信息，帮助产线进行必要的生产调整。

（3）设备在线无损检测。通过技术创新，将关键设备进行必要的网络连接，可以在线监测设备的运行状态，以及生产的连续性。

（4）工艺AR辅助作业指导。实现提供三维沉浸式的精确辅助作业指导，综合提升产品性能和作业效率。

2）信息系统模块：集成PDM/ERP/MES/APS/WMS/SCADA，实现核心设备组网与监控，以及全生产过程的协同管理与控制。具体分为六块：PDM、ERP、MES、APS、WMS、SCADA。

（1）PDM（产品数据管理）是管理所有与产品相关信息和所有与产品相关过程的技术。可以提高生产效率，有利于对产品的全生命周期进行管理，加强对于数据的高效利用，使工作流程规范化。彻底实现生产车间无纸化生产。

（2）ERP（企业资源计划）是建立在信息技术基础上，融合数据库技术、图形用户界面、客户服务器结构等对企业资源进行了有效集成。为企业决策层及员工提供高效的决策运行手段。

（3）MES（制造执行系统）是面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理等管理模块，为企业打造全面的制造协同管理平台。

（4）APS（高级计划排程）是利用先进的信息科技及规划技术，通过控制物料、仓库、设备、人员、品质、工艺等工厂资源来提高生产效率。满足顾客需求及面对竞争激烈的市场。作出平衡企业利益与顾客权益的最佳规划和决策。

（5）WMS（智能仓储物流）是综合运用的管理系统，有效控制并跟踪仓库业务的物流和成本管理全过程，完善企业仓储信息管理。

（6）SCADA（智能设备组网）即数据采集与监视控制系统。

3）核心设备模块：引进并集成数十种核心智能设备，升级芯片线、扩建封装线、建设新型测试线，大幅提高产能和自动化水平。具体分为：（1）晶体生长车间核心设备；（2）晶片加工核心设备；（3）芯片线核心设备；（4）封装线核心设备；（5）测试线核心设备。

4）资源战略模块：升级ERP系统并引入OA系统，实现人力资源、社会资源、信息资源、财务资源的统一协同管理。

5）基础保障模块：强化组织/技术/人员/机制和资金等因素，给予项目实施提供有力保障。该模块分为：（1）组织保障；（2）技术保障；（3）人员保障；（4）机制保障；（5）资金保障。

2 信息系统相互协同管理说明

如图2所示，通过精心梳理工序布局和物料流转过程，建立高效作业流程和物料拉动机制，彻底消除物料呆滞和停工等料现象，提高物流速度和生产节拍，实现生产作业和物料物流的精益管理。

六大软件系统的互相协同，将整个工厂的生产流程尽在掌握，提高了管理和生产效率的同时，大大节约了生产成本和人工成本，压缩了产品的生产流转周期，加快了工厂的产业发展。通过管理创新、技术创新、驱动信息化和工业化技术的深度融合，逐步实现工位、工序、车间的智能化，由点及面、打造信息与工业一体的现代化智慧型工厂。

3 项目实施完成后着重提高的技术指标

1）数字建模：实现生产线建模、生产工艺建模和生产流程建模，用数字化标准模型对微声材料与器件产品和生产过程进行标准化管理，达到行业领先水平。

图2 信息系统协同管理流程图

2）设计仿真：引进VASP实现材料生长的模拟仿真，利用COM模型、ADS、HFSS等软件进行研发全过程的产品建模、计算、仿真和工艺规划，基于PDM系统实现多仿真系统的集成应用，为行业首创。

3）数据采集：全面部署生产基地工业以太网（含无线网），确保工业网络100%覆盖到生产车间；建立高安全等级的工业数据中心，确保采集数据100%存数到数据存储中；建成SCADA系统，实现从DCS（Distributed Conutrol System 分布式控制系统）、设备、PLC（Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器）等多渠道采集现场数据，全面监控设备运行情况、工艺控制参数、水电气等能源消耗情况，并将实时数据库存储至工业数据中心，设备数据采集率达行业先进水平。

4）数据可视化：建立企业生产集控中心，利用信息化技术使系统数据转化成图形、图表、图像，数据可视化率达到90%以上。

5）智能控制：全面建立企业服务总线，架设不同生产线、不同设备之间、不同DCS系统之间的快速信息通道，实现数据快速转换；建设整厂MES与APS，实现材料与器件全生产过程的协同管理与智能控制；综合运用WMS（Warehouse Management System仓库管理系统）与AGV（Automated Guided Vehicle自动导引小车）调度系统，全面实现仓储物流的智能控制，整厂智能化程度与行业先进水平同步。

6）人工智能：建立企业级工业大数据智慧云平台，利用数据挖掘、机器视觉等人工智能技术，在以下四个方面实现行业内的首次创新应用：

（1）通过数据挖掘优化能源分配，提高晶体生长质量；

（2）通过在产、试产海量数据分析辅助实现工艺快速定型、精准抽样检测、产品精准投放；

（3）运用工业机器视觉技术解决晶片透光率在线无损检测的行业难题，提出并研制压电晶片在线无损视觉检测系统；

（4）通过工业AR（Augmented Reality增强现实）头戴显示器将多种辅助信息（物料、工艺参数、操作指导、设备零件等）显示给操作者，提供三维沉浸式的精准辅助作业指导，综合提升产品性能和作业效率。

4 预期解决的重大问题

1）解决我国微声材料与器件行业产品研发能力不足的问题。

我国微声（SAW）滤波器在频率和带宽已经取得长足的进步，但是滤波器的小型化、宽频带、集成化等主流方向上与国际巨头还有差距；大直径黑化铌酸锂、钽酸锂晶片在高平整度超薄加工工艺方面与国外先进水平还有一定差距。借助本项目实施，完善产品生命周期管理（PLM）和知识管理系统，提升IT对研发的支撑能力，增强研发协同，缩短产品开发和工艺匹配周期，项目核心关键设备的集成应用将提升设计与测试验证能力，突破温度补偿技术、晶圆级封装技术和模块集成化技术的国际封锁，大大提升我国微声材料与器件行业的研发水平。

2）改变我国高端微声材料与器件的生产能力、制造过程控制水平较低的现状。

目前，国内微声材料与器件行业的产能与生产过程与国外同行业有较大差距，在高端微声材料与器件上问题突出。通过提高微声材料和器件生产过程自动化和智能化水平，加强器件及晶片制造过程中的质量控制，建立生产过程的全流程追溯体系，实现生产过程中工艺参数的实时采集、监控并实现智能化调整，提高生产效率，由此提升我国微声材料与器件整体的质量控制水平，进一步提升产品的市场竞争力和品牌影响力。

3）改变我国在新一代信息技术主导能力薄弱的局面。

新一代信息技术产业是我国战略性新兴产业重点发展的七大产业之一，具有创新活跃、渗透性强、带动作用大等特点，被普遍认为是引领未来经济、科技和社会发展的一支重要力量。由于掌握并垄断着核心软件和关键基础元器件的设计和生产，美国、日本等发达国家在新一代信息技术产业占据主导地位。作为关键基础元件的微声器件行业，率先通过智能制造新模式应用项目提升企业核心技术、核心知识产权和核心制造能力，为中国新一代信息技术产业链输出高质量、安全可靠的基础元器件，推动主机厂商向高技术含量、高附加值的产业链上游发展，打造出具有国际竞争力的品牌和产品，从而增强我国在新一代信息技术的主导能力。

4）改变我国半导体装备长期依赖进口的局面。

通过供需结合和研用结合的新机制，大大缩短设备的研发周期、快速提升设备水平。突破一系列安全可控核心智能制造装备的研制和集成应用，促进我国半导体封测及材料生长加工先进装备制造水平提升，改变国内半导体行业装备长期依赖进口的局面，提升我国电子装备制造企业在国内、国际市场的占有率。

5 结束语

智能制造的应用实施过程是一项复杂的系统工程，具有内在联系性、科学性、开放性，涵盖现有标准、正在制定的标准和预计要发展的标准，并对标准的应用提供指导和支持。具备实现特定功能的有机整体，开放以适应标准体系的外部环境、技术体系的变化与发展。

智能制造工厂实现了特种计算机生产制造过程中研、产、销、服等方面的核心创新能力，引领了产品智能制造新模式。实现了生产过程数字化、网络化和智能化、企业综合管控信息化 、制造装备智能化与数字化、工业云平台和大数据分析。智能工厂的实时可使得企业生产效率提高，运营成本降低，产品研制周期缩短，产品不良品率降低，能源利用率提高。技术推广后将全面提升相关行业自动化智能化水平，对我国“制造大国”到“制造强国”的转型有着重大意义。