引言
以新能源、新材料、3C電子、半導(dǎo)體和汽車等為代表的高端制造業(yè)正加速成為我國工業(yè)的中堅力量。高端裝備作為智能制造的基礎(chǔ)，其智能化程度直接決定了制造的水平。據(jù)預(yù)測，我國的高端裝備業(yè)預(yù)計在2025年達(dá)到30萬億的規(guī)模。長期以來，我國的高端裝備無論是在核心技術(shù)的自主可控、工藝的精細(xì)化控制、以及體系化的維護(hù)保養(yǎng)上，與國外高端裝備廠商相比，都存在著較大的差距，裝備的智能化迫在眉睫。
從裝備智能化到生產(chǎn)智能化，如何快速推動高端裝備實現(xiàn)智能制造?9月，寄云科技副總裁柯晗在“數(shù)聚力量 智見未來”寄云NeuSeer全新工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品發(fā)布會上重磅解鎖寄云科技全新工業(yè)智能應(yīng)用。
北京寄云鼎城科技有限公司副總裁 柯晗
寄云NeuSeer工業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺 1.0到3.0，寄云平臺產(chǎn)品始終都圍繞著兩個方向：一是裝備智能化，二是生產(chǎn)智能化。
首先從中國制造業(yè)的發(fā)展背景來看，2021年中國制造業(yè)總量突破30萬億，連續(xù)12年位居世界首位。與此同時，我國傳統(tǒng)制造業(yè)一直存在著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)失衡、企業(yè)數(shù)量多但名企少、核心技術(shù)匱乏等“卡脖子”問題，同時還面臨著中低端產(chǎn)業(yè)向東南亞國家轉(zhuǎn)移、高端制造業(yè)回流至發(fā)達(dá)國家的雙重夾擊等問題?；诖吮尘埃绾翁嵘覈圃鞓I(yè)水平，促使我國向制造業(yè)強(qiáng)國邁進(jìn)是我國制造業(yè)當(dāng)前面臨的主要問題。
此外，市場的變化使包括像材料、零部件、裝備等高端制造企業(yè)面臨著包括原材料和人工成本的上升、產(chǎn)品生命周期的縮短、產(chǎn)品的個性化和多樣化以及激烈的市場競爭等多方面的挑戰(zhàn)，都對企業(yè)在成本管控，交付能力，創(chuàng)新能力和服務(wù)能力方面提出了更高的要求。在此背景下，先進(jìn)制造的必要性更加突出。
談到先進(jìn)制造，寄云認(rèn)為需要具備以下五大特點。
■ 精準(zhǔn)性：如芯片制造工藝已經(jīng)進(jìn)入納米級別，需要控制過程具備更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性;
■ 實時性：高度自動化的生產(chǎn)過程需要基于數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時的決策和過程控制;
■ 靈活性：生產(chǎn)過程高度復(fù)雜，在動態(tài)變化的生產(chǎn)過程中，需要產(chǎn)線具備自適應(yīng)的能力;
■ 可預(yù)測：需要對關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行智能化預(yù)測，以滿足效率和良率的要求;
■ 可優(yōu)化：在可預(yù)測的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)過程需要具備自我優(yōu)化和自我調(diào)節(jié)的能力。
基于這些特點，高度依賴自動化裝備的同時，智能化生產(chǎn)需要借助新一代信息技術(shù)手段，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的實時洞察、異常分析與性能預(yù)測，從而優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)能及品質(zhì)。
同時，先進(jìn)制造對裝備也提出了更高的要求。先進(jìn)的制造過程會把人、機(jī)、料、法、環(huán)等生產(chǎn)要素，按照最合理的方式進(jìn)行分配，為了達(dá)到最理想的結(jié)果，這就要求生產(chǎn)裝備能夠快速、連續(xù)、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的執(zhí)行各項指令，同時也要具備高度協(xié)作、聯(lián)動的屬性。
一、 裝備智能化
為了滿足上述先進(jìn)制造要求，裝備的智能化作為先進(jìn)制造的基礎(chǔ)面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括裝備產(chǎn)生的大量實時數(shù)據(jù)同機(jī)理模型的融合程度不高、突發(fā)的設(shè)備故障導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷、不能實時感知和自動調(diào)整導(dǎo)致控制精度的不足、各種類型的裝備之間不能互聯(lián)互通協(xié)同工作。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，寄云認(rèn)為裝備智能化的核心能力包括了數(shù)字孿生、智能控制、預(yù)測性維護(hù)以及開放集成的能力。
第一，數(shù)字孿生。提到數(shù)字孿生，可能很多人印象是3D展現(xiàn)形式。寄云科技認(rèn)為形式固然重要，但是更重要的是為裝備構(gòu)建基于運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)理模型的仿真系統(tǒng)，并通過虛擬傳感器實現(xiàn)更全面的感知，完成裝備全生命周期的監(jiān)測和預(yù)測。加速工藝配方的開發(fā)和優(yōu)化、預(yù)測裝備的失效模式、從而降低設(shè)計成本。
在實際應(yīng)用中，寄云科技為中石油寶石機(jī)械等不同類型的裝備廠商，構(gòu)建基于運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)理模型的數(shù)字孿生以實現(xiàn)裝備全生命周期的監(jiān)測和預(yù)測。一方面，服務(wù)于研發(fā)過程，提升工藝研發(fā)的效率;另一方面，對生產(chǎn)過程進(jìn)行全流程的監(jiān)測和優(yōu)化，包括基于模型的預(yù)測性分析。
第二，智能控制。智能控制，是整個先進(jìn)制造過程中非常核心的一個能力。因為現(xiàn)在很多行業(yè)的制造過程都高度復(fù)雜，整個生產(chǎn)過程受到各種因素的影響。因此，傳統(tǒng)的基于靜態(tài)規(guī)則的自動化控制就存在很大的局限性。在靜態(tài)規(guī)則的基礎(chǔ)上，可以基于對歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和對當(dāng)前狀態(tài)的感知，實現(xiàn)智能化控制;提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性。結(jié)合寄云兩個案例，分享下智能控制在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用場景。
第一個案例，寄云科技協(xié)助中國石油實現(xiàn)頁巖氣井智能管控。頁巖井的生產(chǎn)過程是通過電動調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行控制每天的壓降，在不同壓力的情況下，每天壓降在一定范圍內(nèi)才可實現(xiàn)最大產(chǎn)量。傳統(tǒng)的模式是用人工來控制壓降，每天通過5-6次的操作來把壓力下降控制在合理的范圍。
基于此，寄云科技通過在邊緣控制器上增加智能算法，幫助客戶把壓降從人工控制的0.21MPa/天精細(xì)到0.01～0.1MPa/天。另外，因為流體力學(xué)的原因，調(diào)節(jié)閥進(jìn)行操作以后6-7小時壓力才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以實時預(yù)測最終的狀態(tài)，提前6-7小時預(yù)測最終結(jié)果，最終可實現(xiàn)單井采收率提高10%。這是一個典型的智能控制在工業(yè)場景里面的應(yīng)用。
第二個案例，是寄云與北方華創(chuàng)合作打造的半導(dǎo)體裝備智能管控系統(tǒng)。寄云認(rèn)為智能控制在很多情況下，彌補(bǔ)傳感器不足。針對半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中需要各種類型的氣體，其中在氧化，光刻，刻蝕，薄膜等工藝中用到的氣體有幾十種，且需要對進(jìn)氣量進(jìn)行精準(zhǔn)控制。熱式傳感器靠氣體傳熱達(dá)到熱平衡來估算流量，存在一定的滯后。我們通過濾波補(bǔ)償算法，把傳感器的信號盡量擬合成實際流量值，使響應(yīng)時間從秒級降低到毫秒級，從而實現(xiàn)了對流量更精準(zhǔn)的控制。
上述兩個案例都說明了智能控制在工業(yè)里面的重要應(yīng)用。未來，無論是先進(jìn)制造，還是智能制造，智能控制一定是不可缺少的。
第三，預(yù)測性維護(hù)。設(shè)備維護(hù)的常見方式有預(yù)防性維護(hù)，預(yù)測性維護(hù)和故障維修。寄云認(rèn)為預(yù)測維護(hù)是預(yù)防維護(hù)和故障成本相比是最優(yōu)的，但是前提程度準(zhǔn)確性要足夠高。傳統(tǒng)的預(yù)測性維護(hù)多是基于固定門限的，預(yù)測準(zhǔn)確性存在很大的限制，寄云的預(yù)測性維護(hù)方案是通過模型的建立，并用歷史數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，實現(xiàn)在故障早期階段的預(yù)警。
例如寄云在和寶潔集團(tuán)合作針對熱熔膠機(jī)經(jīng)常發(fā)生非計劃停機(jī)的情況，通過對溫度，壓力等參數(shù)構(gòu)建模型，并通過歷史數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，對故障預(yù)測的準(zhǔn)確率超過了80%，并可提前24-36小時實現(xiàn)預(yù)測，從很大程度上解決生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性的問題。
第四，開放集成。多數(shù)工業(yè)場景中的設(shè)備類型都非常多，通過為裝備建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和控制接口，可實現(xiàn)與外部自動化和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高效集成，更適合開展全流程的自動化控制和編排。
例如針對東方晶源這類半導(dǎo)體光刻工藝監(jiān)測設(shè)備的生產(chǎn)廠家，寄云科技為客戶構(gòu)建了完整的通信協(xié)議棧及控制框架。半導(dǎo)體裝備進(jìn)入Fab場后需要通過協(xié)議棧同廠端的EAP系統(tǒng)連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使用特殊的SECS/GEM協(xié)議，為此寄云提供了覆蓋檢測設(shè)備涉及到的200/300協(xié)議棧以實現(xiàn)高性能穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，且基于寄云提供的控制框架，協(xié)助企業(yè)快速構(gòu)建裝備的控制系統(tǒng)。
二、 生產(chǎn)智能化
裝備智能化基礎(chǔ)之上，寄云科技認(rèn)為生產(chǎn)過程本身，也需要通過對數(shù)據(jù)價值的挖掘，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的一個智能化。其中，制約生產(chǎn)過程向智能化發(fā)展的主要四個因素包括：
■ 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)不完整：信息系統(tǒng)多而異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失的原因并不是在生產(chǎn)過程中未產(chǎn)生數(shù)據(jù)，而是未能及時準(zhǔn)確的獲取信息。
■ 工藝控制不精確：因原材料、生產(chǎn)環(huán)境、訂單等因素的變化，使生產(chǎn)時工藝要快速做出調(diào)整，但往往調(diào)整后的參數(shù)很難穩(wěn)定生產(chǎn)。
■ 缺陷定位不準(zhǔn)確：一個完整生產(chǎn)制造過程，涉及多個工序和環(huán)節(jié)，缺陷是滯后發(fā)現(xiàn)的，不容易定位到根本原因上。
■決策依據(jù)不充分：在進(jìn)行生產(chǎn)計劃執(zhí)行過程中，涉及內(nèi)外部多個部門和多種要素，決策人員在判斷處理方式時，只獲得了部分信息，導(dǎo)致決策出現(xiàn)偏差。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，寄云認(rèn)為生產(chǎn)智能化需要具備的四個核心能力，包括體系化數(shù)據(jù)的治理，裝備和工藝的穩(wěn)定性，缺陷的診斷和預(yù)測，以及實時透明的生產(chǎn)管控能力。
第一，體系化數(shù)據(jù)治理。寄云認(rèn)為當(dāng)企業(yè)信息化系統(tǒng)足夠復(fù)雜，數(shù)據(jù)種類足夠多的情況下，需要對生產(chǎn)過程中多種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的IT數(shù)據(jù)和多種裝備的OT數(shù)據(jù)，在統(tǒng)一融合的數(shù)據(jù)平臺中，進(jìn)行數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。
比如寄云為中車打造的軌道交通車輛數(shù)據(jù)智能服務(wù)平臺，可以支持從不同地區(qū)、不同型號的車輛運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)采集，包括線網(wǎng)系統(tǒng)、閘機(jī)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等異構(gòu)數(shù)據(jù)源。這些數(shù)據(jù)采集以后，讓它形成相對標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，支撐像車輛故障預(yù)測等各種不同類型的應(yīng)用場景，協(xié)助企業(yè)全面掌控數(shù)據(jù)資產(chǎn)現(xiàn)狀、提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、提升數(shù)據(jù)獲取效率，保障數(shù)據(jù)安全合規(guī)、持續(xù)釋放和挖掘數(shù)據(jù)價值。
第二，工藝穩(wěn)定性控制。工藝的穩(wěn)定性對生產(chǎn)過程至關(guān)重要。通過采集裝備數(shù)據(jù)和生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時數(shù)據(jù)分析，一方面可對工藝配方文件進(jìn)行管理，根據(jù)生產(chǎn)情況推薦最優(yōu)的工藝配方;另一方面，可以對構(gòu)建檢測結(jié)果和工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型，對穩(wěn)定性進(jìn)行評估，動態(tài)優(yōu)化工藝參數(shù)。
如寄云在協(xié)助中電科某研究所通過采集系統(tǒng)集成流程中技術(shù)驗證設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲、清洗預(yù)處理、分析，通過數(shù)據(jù)接口，按照業(yè)務(wù)運(yùn)行要求，與協(xié)同仿真設(shè)計環(huán)境的精準(zhǔn)工藝建模和系統(tǒng)集成環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對工藝數(shù)據(jù)的分析，包括對工藝參持續(xù)優(yōu)化。
第三，缺陷的診斷與預(yù)測。當(dāng)前，在很多復(fù)雜的生產(chǎn)過程中，一個問題的出現(xiàn)可能會跟很多因素相關(guān)。所以，當(dāng)出現(xiàn)一些質(zhì)量性因素的時候，如何能夠快速定位問題是制造企業(yè)面臨的極大挑戰(zhàn)。基于此，寄云科技將產(chǎn)線的實時工藝數(shù)據(jù)與檢測結(jié)果數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)產(chǎn)線級別的虛擬量測和根因分析。當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問題出現(xiàn)的時候，能快速定位這些問題;另外一方面，生產(chǎn)過程中，可實現(xiàn)實時缺陷預(yù)測，避免缺陷產(chǎn)生，持續(xù)提高產(chǎn)品品質(zhì)。
比如寄云科技和彩虹集團(tuán)針對電子玻璃生產(chǎn)過程中由于工藝偏差引起的翹曲缺陷，基于海量的歷史工藝數(shù)據(jù)、控制參數(shù)和輸出環(huán)節(jié)的檢驗結(jié)果，依托寄云工業(yè)大數(shù)據(jù)分析能力，實現(xiàn)了對電子玻璃生產(chǎn)質(zhì)量的溯源和預(yù)測及產(chǎn)線的實時指標(biāo)監(jiān)控，有效提高數(shù)據(jù)提取和分析效率，協(xié)助快速定位缺陷產(chǎn)生的工藝參數(shù)異常，并構(gòu)建質(zhì)量預(yù)測模型，實現(xiàn)將問題診斷和解決的速度從4-5周降到3-4天，提高整體良率3%~5%。
第四，實時透明的生產(chǎn)管控。在很多高度自動化生產(chǎn)企業(yè)里面，需要基于實時的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建全方位智能化的生產(chǎn)管控平臺，對產(chǎn)能、損失和效率進(jìn)行實時分析和管控，協(xié)助企業(yè)做出更準(zhǔn)確、實時、透明的生產(chǎn)決策，在數(shù)字化時代提升企業(yè)的綜合競爭實力。
比如寄云科技與全球500強(qiáng)企業(yè)麥格納集團(tuán)下屬格特拉克針對生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行效率的優(yōu)化展開合作，依托寄云NeuSeer工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過采集設(shè)備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合ERP和MES的工藝數(shù)據(jù)，實現(xiàn)秒級生產(chǎn)指標(biāo)(OEE/JPH/MTTR/MTBF)的實時計算，構(gòu)建工藝流程監(jiān)控、關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控，覆蓋設(shè)備端、工廠層、產(chǎn)線層到集團(tuán)層等不同層面的指標(biāo)，打通MES、ERP等OT/IT系統(tǒng)和應(yīng)用，最終幫助客戶實現(xiàn)產(chǎn)線所需人員減少，OEE(設(shè)備綜合效率)提升9%，MTBF(平均無故障工作時間)增加6%等可量化的可觀收益提升。
三、 未來展望
無論是裝備智能化、還是生產(chǎn)智能化，其核心都是數(shù)據(jù)。從下圖的“工業(yè)4.0的6個成熟度水平”可以看出，后三個發(fā)展階段“透明性”，“預(yù)測性”，“自適應(yīng)性”都是通過對于數(shù)據(jù)的深入分析來實現(xiàn)的。智能制造的核心還是在于對數(shù)據(jù)的利用，并充分挖掘其中的價值。
面向未來，寄云科技將持續(xù)圍繞著裝備智能化和生產(chǎn)智能化這兩個方向，基于自身在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、邊緣計算、智能控制、數(shù)據(jù)分析建模以及數(shù)據(jù)治理等一體化的數(shù)據(jù)能力，切實助力高端制造廠商以更高效、更智能的方式實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，加速邁向先進(jìn)制造行列。
（寄云科技）
