基于盘古工业互联网平台的微波器件精益制造执行系统的研究

李星辉

（湖南航天有限责任公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

微波器件是指工作在微波波段（频率为300～300 000兆赫）的器件，通过电路设计，可将这些器件组合成各种有特定功能的微波电路，用于雷达、电子战系统和通信系统等电子装备。作为一种重要的电子器件，其结构复杂、精度要求高、涉及众多的数控加工和精密焊接、成本高价值大，而且随着企业生产方式的变化，由之前的单品种、小批量逐渐转向多品种、大批量的生产模式[1]。但是传统的生产、制造、管理模式却没有发生太大的变化，导致企业存在很多弊端，主要存在以下问题：（1）不能准确评估和定位自身的生产能力，导致生产资源短缺或者过剩；（2）耗费巨大精力在工艺改进方面，却忽视了加工流程对生产的重要性；（3）企业不能正确认识物流运输对生产制造过程的重要促进作用；（4）对加工工序的并行优化程度不够，缺乏同期化调整；（5）柔性制造系统（FMS）应用程度不高；（6）车间基础设施的布局和工作人员的分工不能达到最优，缺乏动态性和适应性。

解决上述问题最好的方法就是在微波器件生产车间引入精益制造执行系统（LMES）。精益制造中的“lean”的直译就是瘦肉，即要去除一切无用的肥肉，对生产过程进行减肥。精益生产要求在最短的时间内灵活地设计、生产出成本低，在种类和质量上满足用户需求，在竞争中具有明显优势的产品[2]。在生产的组织上，精益生产不是强调细的分工，而是强调企业各部门之间的密切合作，尤其重视在产品设计、生产准备和制造过程之间实施并行工程。精益生产最显著的特点就是在工厂的各个环节去掉一切无用的东西，每个工人及其岗位的安排原则是必须增值，不能增值的岗位一律撤除[3]。精益的核心是精简，即精简产品开发设计、生产、管理过程中一切不产生附加值的环节[4]。

另一方面，随着工业4.0和“中国制造2025”概念的相继提出，以及针对企业内部各个工厂间ERP、MES、CRM系统繁多，互相隔离，无法有效地统一企业的数据链，形成价值合力这一弊端，盘古（Pangoo）工业互联网平台应运而生。因此，本研究结合盘古（Pangoo）工业互联网平台，提出了微波器件的精益制造执行系统（LMES）的建设方案。

1 基于Pangoo的微波器件LM E S建设方案

1.1 微波器件的制造工艺过程

微波器件作为一种电讯和通讯产品结构组件，其生产质量好坏严重影响着使用性能。微波器件多种多样，其工作原理、所用材料、加工工艺均存在较大差异，如图1所示，为有色金属类材质的微波器件的制造工艺流程图：

图1 有色金属类材质的微波器件制造工艺流程图

1.2 盘古（Pangoo）工业互联网平台

如图2所示，该平台包括以下平台及模块：微波器件网络物理系统、工业级数据接入及边缘计算平台、成熟的基础设施及服务（IaaS）、支持第三方开发的平台及服务（PaaS）、支持第三方APP开发软件及服务（SaaS）以及云安全模块。

图2 微波器件制造的Pangoo整体网络架构

Pangoo通过物联网连接设备和监控平台，实时监控生产流程，目的是用互联网改造传统微波器件制造行业，用物联网连接微波器件制造企业和产品、用大数据指导决策和管理、用产品智能化延伸企业的价值链。该平台结合了工业云平台的人工智能、机器学习、大数据处理及运算能力，成功实现了工业网络信息进程和实体物理进程的统一结合；集成了工业物联网数据采集、边缘计算平台的接入、存储、标准化、清洗、变换、及实时处理等，并支持软件自定义网络（Software Design Network，简称 SDN）、工业时敏网络（Industrial Time Sensitive Network，简称 ITSN），窄带物联网（Narrow Band-IoT，简称 NB-IoT）、宽带物联网（Wide Band-IoT，简称WB-IoT）以及卫星通信网络等，并集控制于一体的新一代智能网络系统。该平台通过互动式人—人、人—物、物—物接口实现了网络和物理进程的动态交互，实现设计、工艺、制造、检验、物流等制造过程各环节之间，以及制造过程和企业资源计划的深度信息互联互通。并使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控物理实体[5]。用生产服务化作为制造业的转型方向，为中国微波器件制造行业转型升级助力，实现制造业智能化转型。

1.3 基于Pangoo的微波器件LM E S建设方案

精益制造执行系统（Lean Manufacturing Executing System，LMES）是企业引入精益生产思想的车间MES建设，因此也应该遵从AMR三层模型，结合微波器件生产车间原有系统的实际情况，设计出了车间LMES系统模型，如图3所示。

图3 基于Pangoo的微波器件LM E S方案架构图

LMES与传统MES不同的是它本身具有精益MES模块，包括标准化、自动化、看板管理以及质量管理这四个子系统，指导车间现场进行精益制造。LMES向上与计划层的ERP系统集成，通过远程控制接口、数据采集接口、电子通讯等方式获取ERP系统的资源、财务、销售、存货、业务流程等生产订单信息，同时又能将制造情况、计划排程、生产调度、质量、人力资源、设备等数据信息反馈给ERP系统。根据ERP制订的生产计划，MES根据已定义的产品实现细节形成生产指令，为控制层提供下一步的动作指示，并且设备数据通过控制层输入到LMES模块。

1.4 Pangoo在LM E S各模块中的应用

1.4.1 标准化

在企业生产过程中，需要对各项指标参数进行标准化来保证制造的高效进行，比如日生产量标准化、操作时间标准化、加工流程标准化等，然而，这些标准都是动态调整的，不是一成不变的。因此，可利用Pangoo中嵌入的自适应学习、大数据分析决策算法对以上标准进行实时改进优化，节省了大量的成本。

1.4.2 自动化

在设备运行期间，当出现异常故障或者不合格产品出现时，就需要系统及时作出判断，调整运行状态甚至切断操作系统，这就需要系统能够像人类一样及时作出判断。同样，Pangoo在边缘平台的数据接入端能够对历史数据进行深度学习，从而对输入数据进行快速的故障类型判断，继而做出相应的指令，大大提升了设备运行的安全性。

1.4.3 看板管理

Pangoo在生产过程中提供多种精益电子看板，如设备看板、品质看板、生产管理看板、工序管理看板等，能够方便快捷地传递部件名称、生产量、生产时间、生产方法、作业计划、计划的完成率、生产作业进度、设备运行与维护状况、运送量、运送时间、运送目的地、存放地点、运送工具和容器等方面的信息、指令。

1.4.4 质量管理

质量方面Pangoo利用自动化测试工具对成品及样品检测实现在线和及时的过程反馈和过程追溯，以确保微波器件加工的质量可视化。

1.4.5 车间信息管理

数据是工业信息的基本元素，而Pangoo的优势所在便是对多元异构数据的处理方面。不论是电气模拟量数据、基金会现场总线数据、无线数据还是GPS数据、OPC-UA接口的工业以太网数据，Pangoo均能进行分类处理，继而对所传递信息进行快速反应操作和精确管理。

1.4.6 生产信息追踪

大型工业生产中，每秒会有巨大的数据信息产生，其中包括有益数据和无用数据。Pangoo可以给接入的不同结构的数据加上时间戳（精确到ms）进行标记与整理，然后上传至云端，后期可随时方便调用。此操作可以对大量的生产信息进行管理以及信息追踪。

1.4.7 生产计划与调度

为了精确制定生产计划与调度企业资源，可以利用第三方开发的平台及服务（PaaS）中的设计和仿真模块，进行虚拟操作以实现生产运营调用，该方法能够避免企业资源囤积或者空缺。

1.4.8 数据采集与分析

LMES通过Pangoo中的数据接入及边缘计算平台采集车间现场的各类加工数据，对标准工业总线协议进行有效解析，并能够对多源异构数据进行数据清洗、整理、格式转换，并对实时控制要求高的数据进行动态响应和基于电气及仪表线路或长/短距离无线协议实时输出。

1.4.9 库存信息管理

通常情况下，对于出库或入库的产品，需要管理员人工将货物信息录入到库存信息中。在Pangoo中，通过计算机的记忆功能以及准确计算的能力，可以实现精益生产模式下的“零库存”。

2 应用实例及实施效果

本文中建设的基于盘古工业互联网的微波器件精益制造执行系统方案自2015年开始在某制造企业的试点示范项目中得到了实施，几年来经过动态调整和对系统的一步步完善，最终取得了良好的收益效果。

（1）首先，该系统的应用使企业能够通过计算机端的仿真建模精确地衡量自身的生产能力、对生产任务进行合理分配与调度、优化资源配置、调整人员结构。据2018年第一季度数据统计显示：该企业的库存量相比2014年同期（以下数据均为同期对比）降低8.2%，用于存储及运输的费用降低了4.3%.由此可见，基于Pangoo的LMES正在向着“零库存”迈进，对提高企业的生产效益起到了重要的作用。

（2）此外，Pangoo平台在生产过程中表现出来的对大数据强大的计算分析能力使得微波器件的生产质量随时可追溯且可视化，使产品的废品率降低了2.6%，产品精度提高了1.2%，降低了3.5%的生产运营成本。

（3）该系统明显提高了企业智能化管理的水平。不论是在用户管理模块、工艺管理模块、信息综合管理模块、物流管理模块都能达到最优调配，使生产周期缩短了5.8%，管理效率提升了13.7%.

3 结束语

基于盘古工业互联网平台的微波器件精益制造执行系统深入到微波器件行业生产活动的投料、设计、加工、运输等各个环节。服务内容包括生产运营、智能管控、智能调度、安全质量监控、员工培训、政企合作、大型装备远程运维、预测性维护等。该方案能够加强企业的生产流程再造，缩短生产周期、加快交付速度、提升产品质量、降低生产成本，进而更好地进行竞争和占领更多的市场份额。