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十四所:践行智能制造,打造装配车间标杆

2021/1/29    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:智能车间案例  e-works年度盘点  智能制造  十四所  
本文为“2020年度中国智能制造最佳实践奖”参评案例。本次活动将评选出2020年度,为中国智能制造领域带来突出效益的最佳实践工程,全面介绍企业推进智能制造的步骤、重点与难点、获得效益等,分享建设过程中的经验,供广大制造业行业企业学习供鉴。

一、企业简介

    中国电子科技集团公司第十四研究所(以下简称“十四所”)始建于1949年,是中国雷达工业的发源地,是国家军工电子核心研发力量,是一个从事国家战略产业并处于领先地位的国家核心骨干研究所。十四所现有职工7800余人,具有业内领先的顶尖人才,中国工程院院士2名,国家及省部级专家150余名,2019年实现营业总收入198亿元。十四所成功研制出我国第一部大型相控阵远程预警雷达、第一部机载脉冲多普勒火控雷达、第一部预警机雷达“空警2000”、第一部舰载多功能相控阵雷达“中华神盾”等一大批高端武器装备;先后在“两弹一星”、“载人航天”、“三峡工程”、“国庆阅兵”等诸多国家重点工程中承担关键任务,累计荣获国家级科技奖励60余项。十四所依托军工科研优势打造了民用雷达、高端芯片、智慧交通、智能制造、智慧气象、智慧显示等产业生态链。

中国电子科技集团公司第十四研究所

图1 中国电子科技集团公司第十四研究所

二、企业在智能制造方面的现状

    面向国家加快数字化转型要求、军事装备创新研制要求以及十四所高质量发展的内在需求,“十三五”以来,十四所以“智慧研究所”建设为目标,以业务深度融合为导向,针对如何开展数字化转型以实现业务提升的关键问题,十四所已经建成了覆盖全部核心业务的信息系统架构,打造了“3+N+1”的智慧企业解决方案体系,助推企业的智慧化转型。在设计方面,应用了电讯设计、结构设计、电磁场分析、热力流体等各专业领域的设计仿真工具,使各专业初步具备数字化设计仿真能力。在管理方面,建设了OA系统、ERP系统、明细表系统等管理系统,提升了数字化管理水平。在保障方面,建立MRO系统、培训训练系统、交互式电子手册,提升了装备服务保障能力。在制造方面,建立了柔性数控加工中心,建成了PDM平台,建成了全所统一的MOM系统。在知识工程方面,通过对海量数据的挖掘、整合,形成面向企业核心业务的向导式知识服务环境,将知识及大数据分析结果推送至各业务活动中,提升各业务智能化水平。在智能产线建设方面,开展从微组装、电子装配到总装总调智能车间建设,打造复杂电子装备全层级智能制造示范能力。

智慧企业解决方案体系

图2 智慧企业解决方案体系

    多年来,十四所秉持“信息化和工业化深度融合”的理念,持续开展两化融合试点建设合,推动了十四所企业战略、管理模式、管理流程、人员思想等各方面的变革,促进了十四所综合竞争能力的大幅度提升,并在科研生产管理、社会及经济效益等多方面给十四所带来显著收益。2011年以来,信息化水平评价连续A档。2013年,获工信部“国家级两化深度融合示范企业”称号。2016年,胡明春所长入选年度中国两化融合十大领军人物,十四所获得年度两化融合创新实践奖。2017年,“民用雷达产品数字化产品设计和工艺仿真集成标准研究与试验验证”入选工信部智能制造综合标准化与新模式应用,“电子组件智能制造车间试点示范”入选工信部制造业与互联网融合发展试点示范项目,2018年“微波组件数字化工厂新模式应用”入选工信部智能制造综合标准化与新模式应用。2019年十四所获评江苏省工业互联网示范工程(标杆工厂类),同年十四所智能制造整体解决方案获得第七届中国电子信息博览会金奖。

十四所获得荣誉

图3 十四所获得荣誉

    通过将智能制造技术在复杂电子装备研发、生产、保障和管理等产品全生命周期主要环节进行应用实践,十四所雷达产品设计差错减少65%以上,实物验证减少40%以上,研制周期缩短约25%,人员减少40%以上,满足了产品高效研发需求,提升力产品的市场竞争力。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

    1.项目背景介绍

    十四所面向网信体系科研生产保障需求,依托自身“3+N+1”框架为核心的智慧研究所建设实践经验,结合国家级智能车间示范工程建设形成的技术产品,形成了智能制造产业发展“SIC战略”。S是指智能车间(Smart Factory),I是指智慧企业(Intelligent Enterprise),C是指云制造服务(Cloud for Manufacturing Service)。电子装配车间生产任务具有典型的订单小批量、非标程度高、品种多样化等特点。通过建设电子装配车间生产制造运营管理系统(MOM)、电子装配车间数字化看板系统(WVS)、电子装配车间数据采集控制系统(SCADA)、电子装配车间智能物流管理系统(WMS)以及智能化自动生产线、人机协作生产线、智能协作单元,打造国内一流、行业领先的离散型电子装配智能示范车间。项目建设的基本思路为:

    产品聚类分析。聚类相似产品对象的结构组成及工艺特点,建立智能化自动生产线、人机协作生产线、智能协作单元三类工作方式的生产线。

    工艺流程再造。突破传统工艺设计思路,细化工艺文件,均衡生产节拍,再造电子设备装配的工艺全流程。

    产线手段升级。提取相似装配动作采用机器代人、配置自动化设备手段,实现生产作业敏捷化,规划建设了智能物流系统。

    网络化、信息化提升。建设电子装配车间运营管理系统、数据采集及控制系统,实现生产制造过程数据实时采集、监控,电子装配车间生产透明化管理。

    2.项目实施与应用情况详细介绍

    基于我所产品未来产能需求,按照“统筹规划,分步实施,试点示范,转型升级”的建设思路,提升多品种、小批量、研制、量产与维保多种业态共存的军工电子设备装配能力和生产组织的管理能力,并通过建设智能示范车间,逐步实现军工电子设备装配方式的转型升级,整体提升十四所核心竞争力,带动军工电子行业整体智能制造能力的提升。

    2.1 电子装配智能车间体系架构

    围绕十四所智慧院所整体构架,以建成多品种、小批量、离散型电子装配智能车间为目标,进行了详细的智能车间功能模块及层次关系梳理。构建以“运营层、控制层、设备层”三个层级为重点抓手建设电子装配智能车间。主要包括电子装配车间生产制造运营管理系统(MOM)、电子装配车间数字化看板系统(WVS)、电子装配车间数据采集及控制系统(SCADA)、电子装配车间智能物流管理系统(WMS)以及智能化自动生产线、人机协作生产线、智能协作单元。

十四所智慧院所整体构架

图4 十四所智慧院所整体构架

    同时,通过制造运营管理系统对接十四所现有的产品三维工艺设计系统、ERP系统及PDM系统等,在产品全生产周期的横向进行信息知识的前后贯通,以最实时准确的制造加工信息支撑智能研发的设计优化、智能验证的功能实现及智能保障的数据提供,形成“研发-试制-验证-保障”四位一体的循环。

    2.2 电子装配车间制造运营管理系统建设

    聚焦生产制造过程的问题现状,十四所打造生产计划管理一体化自适应的电子装配车间制造运营管理系统。一是通过联接各项业务单元之间的数据关系、逻辑关系,将生产运营过程中各业务单元之间的投入、转换、产出等横向相互依赖的关系整合集成。二是对企业级、车间级、班组级三级计划体系进行实时监控、联动及过程控制,实时掌控生产动态,采集生产过程数据,并根据生产异常变化,自动优化排产,识别最短周期和最优资源配置,减少人工干预。三是对生产过程异常停滞快速反馈、追踪、闭环处理以及在线数据统计。四是生产现场图纸工艺即时获取调用、文件无纸化、信息精准推送,实现了上下贯通、敏捷高效、自主决策的生产运营管理。

电子装配车间制造运营管理系统

图5 电子装配车间制造运营管理系统

    2.3 电子装配车间数字化看板系统建设

    为实现生产过程透明化、可视化管理,提高决策效率,十四所在电子装配车间内设置管理决策、产线监控、工位作业三级数字化看板系统,汇聚来自车间仓储、各生产线、各班组的生产信息,以图形化的车间模型为载体,以多维统计图表为展示形式,动态可视化展示与车间生产过程相关的各种实况信息。管理层通过可视化、直观的生产信息,对生产过程进行快捷管理,对生产异常做出快速决策;班组通过产线监控看板,快速了解人员到岗情况、订单完成情况、安灯看板以及齐套情况等;工人通过工位作业看板,实时查看岗位所需工艺文件、设计文件以及标准作业指导书,快速掌握操作内容和装配要求。

数字化看板系统

图6 数字化看板系统

    2.4 电子装配车间智能物流管理系统建设

    面向多业态、离散型的制造特征,针对物料管理不透明、配送不及时等影响电子装配车间高效运营的主要问题,电子装配车间按照“分级存放、自主决策、精准配送”的原则,建设基于物联网技术的具备智能仓储与智能配送功能的车间智能物流管理系统。

车间智能物流管理系统

图7 车间智能物流管理系统

    (1)基于物联网技术的智能仓储管理系统以立体货架和智能货柜为载体,立体货架用于存放未来2-3天即将生产的物料,货位有唯一的二维码标签,通过扫码器采集物料信息,实时与物流信息化平台进行数据交互。智能货柜用于存放生产过程的辅料,通过与物流系统网络互联,实现货柜无人值守,物料智能存取。物料存取大数据信息可通过网络远程实时监控、查询、追溯,缺料自动报警、智能感知。多措并举,实现了仓储透明化管理,缩短物料发放的停滞和等待时间,实现电子装配车间物流高效协同。

    (2)基于物联网技术的智能配送管理系统,以数据为纽带,将计划下达信息、生产班组实时任务信息、物料库存信息等数据进行互通融合,可查询仓储管理系统所有货位对应的物料明细,自主决策物料配送时间和配送地点,并对AGV车、自动转运车调度和行进路线等进行统一规划管理,减少工位等待时间;同时,可将由于缺料导致停滞的半成品及时存放到车间缓存库,减少现场物料积压,避免生产混料。智能化物流管理系统,实现了生产物料存储管理的透明化、配送指令和路径决策的自主化、配送物料和工位匹配的精准化。

    2.5 电子装配车间数据采集及控制系统建设

    基于智能车间的信息化架构,自主开发基于统一数据标准的数据采集系统(SCADA),构建电子装配车间生产数据交换体系,对生产过程中“人、机、料、法、环、测”五大要素数据进行定义、采集、管理、检索与统计分析,实现关键工艺参数、测试数据、生产执行数据、生产质量数据、设备运行状态等7大类100余项生产数据实时采集与管理,涉及焊装、螺装、胶装、精密等60余台套设备,关键生产数据采集率达100%以上,为电子装配车间智能决策提供数据支撑。

    同时以SCADA系统为枢纽,对上承接MOM系统工序工步作业计划,自动化装配系统按生产作业计划执行,在线获取自动化装配系统等关键设备的运行状态、工艺参数等数据,对产品装配关键工艺参数实施过程统计分析(SPC),并反馈至MOM的作业计划管理模块、质量管理模块以及设备运行管理系统、三维可视化监控系统,实现作业计划-物料-资源-生产数据四为一体的生产数据全闭环,达到关键装配进度和质量的透明化管控。

基于智能车间的信息化架构

图8 基于智能车间的信息化架构

    2.6 电子装配车间生产线建设

    2.6.1 电子装配车间生产布局调整

    正确合理的工艺流程是生产线建设的前提条件,为了满足智能车间的建设需求,电子装配车间着手开展布局调整。调整后的布局打破了原有机载、地面、舰载的产品属性划分,按照聚类产品结构和加工工艺流程相似的特点,重新规划生产线,提高设备利用效率,减少产品周转次数,合理利用人力资源。电子装配车间规划建设了天线单元组合智能自动装配线、平面电源组件人机协作线、智能协作单元等示范线,通过工艺流程优化设计,提取易于机器代人的操作内容,通过配置自动化设备、人机协作机器人、智能工具等生产手段和电子装配车间生产制造运营管理系统(MOM),显著提升了电子装配车间的自动化、智能化水平。

电子装配车间布局调整

图9 电子装配车间布局调整

    2.6.2 智能化自动生产线

    匹配大批量、规模化、工艺和流程相对单一的产品,采用自动生产线代替手工操作,有利于提高生产效率,降低人工成本。同时建设数据采集系统,产品装配程序通过扫码自动下载执行,实现装配过程中的装配力矩、胶量、压力、温湿度等关键工艺参数的实时采集、监控、记录、展示,形成集自动化与信息化相结合的智能生产线。相比传统的人工装配,智能化自动生产线的生产效率可提升10倍以上。

智能化自动生产线

图10 智能化自动生产线

    2.6.3 人机协作生产线

    军工电子设备结构复杂,工序多,生产周期长,若所有操作全部采用自动化生设备,自动线将十分庞大复杂,同时自动线的可拓展性受制于产品多样性,整条产线的利用率大大降低。匹配小批量产品,精益化工艺流程,提取部分简单易大量重复动作如点胶、螺装操作,采用协作机器人完成,降低工人劳动强度,提升装配质量和效率。协作机器人执行程序通过扫码自动下载,装配过程的螺装力矩信息、胶结压力、温度参数等均通过传感器自动采集记录,机器人运行状态实时监控,自动故障报警,设备运行状态及产品进度通过产线看板实时展示。

人机协作生产线

图11 人机协作生产线

    2.6.4 智能协作单元

    对于结构复杂、数量较少的电子设备采用细胞单元的方式组织生产,十四所建立由核心技能人员、集成智能化工具工装、数据采集系统组成的智能协作单元。智能协作单元集成了智能工具、图像及数据采集、可移动组合式工位、精密拧紧系统、防错报警以及信息化系统,装配过程的焊接参数、力矩参数等关键工艺数据可实时采集记录,与传统手工记录数据相比,数据采集系统采集更及时、更全、数据存储更安全、便捷,产品全寿命周期质量追溯可通过信息化系统大数据库便捷查询。通过三维装配仿真工艺可视化指导工人操作,三维数字化工艺输出的信息是数字化采集系统的基础数据,工人生产过程中实际采集的数据将与之自动比对,自动进行防错检查,提升装配效率和质量。

智能协作单元

图12 智能协作单元

    3.效益分析

    1)管理效益

    电子装配智能车间的建设与运营,有力助推了十四所高质量完成了包括“四代机”、“预警机”、“中华神盾”以及“天眼”等多个国防重大项目研制。雷达装备研制交付周期从6-8年下降到2~3年,质量问题下降70%,研制成本降低32%。

    2)经济效益

    2020年电子装配车间产出提升了32%,人均产出增长15%以上。多业态、离散型电子装配车间建设与运营管理的创建与成功实施,先后在多家军工电子、航空航天、兵器装备制造、造船及民用装备制造企业的智能化转型升级,助力十四所智能制造产业产值突破10亿元大关。

    3)社会效益

    十四所多业态、离散型电装智能车间具有较强的行业代表性,其建设与运营管理的研究成果在装备制造业具有良好的普适性、通用性。十四所牵头申报各部委智能制造课题10余项,累计获得项目经费超过1亿元,申报专利近20项,获得软件著作权20余项,接待了包括省部级领导、集团领导等在内的参观200余次,在行业形成了较大的影响力。

责任编辑:程玥
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