馬 杰，姚 波，李 勇

（1.中電科技德清華瑩電子有限公司，湖州 313200；2.中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京 210016）

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，制造業(yè)在我國得到了長足而迅速的發(fā)展。2007年，全球制造業(yè)總產(chǎn)值為9.324萬億美元，中國為1.15萬億美元，到了2017年，中國制造業(yè)總產(chǎn)值3.596萬億美元，提高了17個百分比。強大的制造業(yè)是提升綜合國力、保衛(wèi)國家安全最有力的保障。2015年5月國務院印發(fā)“中國制造2025”，部署全面推進實施制造強國戰(zhàn)略。我國已經(jīng)具備了建設(shè)制造強國的基礎(chǔ)和條件，但我國工業(yè)化起步晚，技術(shù)積累相對落后，先進技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化能力也與發(fā)達國家存在顯著差距，致使國產(chǎn)智能制造產(chǎn)品和系統(tǒng)的發(fā)展面臨技術(shù)和市場的雙重瓶頸，要從國外進口高端裝備和成套生產(chǎn)線。

新一代信息技術(shù)是我國信息經(jīng)濟的戰(zhàn)略性、先導性和基礎(chǔ)性技術(shù)，特別是我國移動通信技術(shù)在經(jīng)歷了1G“空白”、2G“跟隨”、3G“突破”、4G“同步”后，5G將力求領(lǐng)先，而與之相對應的核心材料與器件必須率先取得突破。基于壓電晶體為襯底材料的微聲（SAW，Surface Acoustic Wave）濾波器是新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)元件，目前國外企業(yè)憑借核心技術(shù)和智能制造優(yōu)勢，長期壟斷我國市場，導致智能終端用微聲濾波器國產(chǎn)化率不到2%，材料國產(chǎn)化率不到20%，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)雖然在材料技術(shù)、封裝技術(shù)等方面取得了重大突破，但受智能制造水平制約而陷入產(chǎn)品生產(chǎn)周期長、成本高、合格率低的困境。同時，部分關(guān)鍵設(shè)備尚存在技術(shù)瓶頸、整個產(chǎn)業(yè)鏈核心設(shè)備的國產(chǎn)化率不高，嚴重影響我國微聲材料與器件行業(yè)的自主安全發(fā)展。習總書記在419講話中指出“最關(guān)鍵最核心的技術(shù)要立足自主創(chuàng)新、自立自強”，當下，微聲器件作為5G通信關(guān)鍵器件，如何突破關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化短板和智能制造能力掣肘，顯著提升國產(chǎn)微聲材料與器件的自主競爭力已成為高科技競爭最為激烈的制高點之一。

就目前國內(nèi)發(fā)展的狀態(tài)，智能制造整體化模型的建立將大大加快企業(yè)的發(fā)展速度，有力的推動整個行業(yè)的發(fā)展，乃至帶動整體制造業(yè)的發(fā)展。

1 智能制造模型結(jié)構(gòu)說明

以打造世界領(lǐng)先的微聲材料與器件智能制造工廠為目標，對以下幾個模塊進行了規(guī)劃：

1）技術(shù)創(chuàng)新；2）信息系統(tǒng)；3）核心設(shè)備；4）資源戰(zhàn)略；5）基礎(chǔ)保障。

圖1 整體模塊結(jié)構(gòu)圖

1）技術(shù)創(chuàng)新：突破關(guān)鍵短板設(shè)備，應用數(shù)據(jù)挖掘/機器視覺等人工智能技術(shù)，提升工藝水平、提高作業(yè)效能、降低能耗。主要分為：

（1）關(guān)鍵設(shè)備及短板設(shè)備的技術(shù)突破。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)中的整體工序的需要，在關(guān)鍵設(shè)備和工藝短板的設(shè)備上的技術(shù)突破必須加快，例如核心設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)進行系統(tǒng)的優(yōu)化，提升設(shè)備的使用效率，提升產(chǎn)品的良品率降低該設(shè)備的生產(chǎn)風險。

（2）數(shù)據(jù)挖掘等大數(shù)據(jù)分析。在一定的用戶數(shù)據(jù)積累以后，應用在生產(chǎn)運營中，突破對數(shù)據(jù)分析思維，能夠重新認識數(shù)據(jù)，獲取更精準的信息，幫助產(chǎn)線進行必要的生產(chǎn)調(diào)整。

（3）設(shè)備在線無損檢測。通過技術(shù)創(chuàng)新，將關(guān)鍵設(shè)備進行必要的網(wǎng)絡(luò)連接，可以在線監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，以及生產(chǎn)的連續(xù)性。

（4）工藝AR輔助作業(yè)指導。實現(xiàn)提供三維沉浸式的精確輔助作業(yè)指導，綜合提升產(chǎn)品性能和作業(yè)效率。

2）信息系統(tǒng)模塊：集成PDM/ERP/MES/APS/WMS/SCADA，實現(xiàn)核心設(shè)備組網(wǎng)與監(jiān)控，以及全生產(chǎn)過程的協(xié)同管理與控制。具體分為六塊：PDM、ERP、MES、APS、WMS、SCADA。

（1）PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）是管理所有與產(chǎn)品相關(guān)信息和所有與產(chǎn)品相關(guān)過程的技術(shù)?？梢蕴岣呱a(chǎn)效率，有利于對產(chǎn)品的全生命周期進行管理，加強對于數(shù)據(jù)的高效利用，使工作流程規(guī)范化。徹底實現(xiàn)生產(chǎn)車間無紙化生產(chǎn)。

（2）ERP（企業(yè)資源計劃）是建立在信息技術(shù)基礎(chǔ)上，融合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形用戶界面、客戶服務器結(jié)構(gòu)等對企業(yè)資源進行了有效集成。為企業(yè)決策層及員工提供高效的決策運行手段。

（3）MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）是面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理等管理模塊，為企業(yè)打造全面的制造協(xié)同管理平臺。

（4）APS（高級計劃排程）是利用先進的信息科技及規(guī)劃技術(shù)，通過控制物料、倉庫、設(shè)備、人員、品質(zhì)、工藝等工廠資源來提高生產(chǎn)效率。滿足顧客需求及面對競爭激烈的市場。作出平衡企業(yè)利益與顧客權(quán)益的最佳規(guī)劃和決策。

（5）WMS（智能倉儲物流）是綜合運用的管理系統(tǒng)，有效控制并跟蹤倉庫業(yè)務的物流和成本管理全過程，完善企業(yè)倉儲信息管理。

（6）SCADA（智能設(shè)備組網(wǎng)）即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。

3）核心設(shè)備模塊：引進并集成數(shù)十種核心智能設(shè)備，升級芯片線、擴建封裝線、建設(shè)新型測試線，大幅提高產(chǎn)能和自動化水平。具體分為：（1）晶體生長車間核心設(shè)備；（2）晶片加工核心設(shè)備；（3）芯片線核心設(shè)備；（4）封裝線核心設(shè)備；（5）測試線核心設(shè)備。

4）資源戰(zhàn)略模塊：升級ERP系統(tǒng)并引入OA系統(tǒng)，實現(xiàn)人力資源、社會資源、信息資源、財務資源的統(tǒng)一協(xié)同管理。

5）基礎(chǔ)保障模塊：強化組織/技術(shù)/人員/機制和資金等因素，給予項目實施提供有力保障。該模塊分為：（1）組織保障；（2）技術(shù)保障；（3）人員保障；（4）機制保障；（5）資金保障。

2 信息系統(tǒng)相互協(xié)同管理說明

如圖2所示，通過精心梳理工序布局和物料流轉(zhuǎn)過程，建立高效作業(yè)流程和物料拉動機制，徹底消除物料呆滯和停工等料現(xiàn)象，提高物流速度和生產(chǎn)節(jié)拍，實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)和物料物流的精益管理。

六大軟件系統(tǒng)的互相協(xié)同，將整個工廠的生產(chǎn)流程盡在掌握，提高了管理和生產(chǎn)效率的同時，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本和人工成本，壓縮了產(chǎn)品的生產(chǎn)流轉(zhuǎn)周期，加快了工廠的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、驅(qū)動信息化和工業(yè)化技術(shù)的深度融合，逐步實現(xiàn)工位、工序、車間的智能化，由點及面、打造信息與工業(yè)一體的現(xiàn)代化智慧型工廠。

3 項目實施完成后著重提高的技術(shù)指標

1）數(shù)字建模：實現(xiàn)生產(chǎn)線建模、生產(chǎn)工藝建模和生產(chǎn)流程建模，用數(shù)字化標準模型對微聲材料與器件產(chǎn)品和生產(chǎn)過程進行標準化管理，達到行業(yè)領(lǐng)先水平。

圖2 信息系統(tǒng)協(xié)同管理流程圖

2）設(shè)計仿真：引進VASP實現(xiàn)材料生長的模擬仿真，利用COM模型、ADS、HFSS等軟件進行研發(fā)全過程的產(chǎn)品建模、計算、仿真和工藝規(guī)劃，基于PDM系統(tǒng)實現(xiàn)多仿真系統(tǒng)的集成應用，為行業(yè)首創(chuàng)。

3）數(shù)據(jù)采集：全面部署生產(chǎn)基地工業(yè)以太網(wǎng)（含無線網(wǎng)），確保工業(yè)網(wǎng)絡(luò)100%覆蓋到生產(chǎn)車間；建立高安全等級的工業(yè)數(shù)據(jù)中心，確保采集數(shù)據(jù)100%存數(shù)到數(shù)據(jù)存儲中；建成SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)從DCS（Distributed Conutrol System 分布式控制系統(tǒng)）、設(shè)備、PLC（Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器）等多渠道采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，全面監(jiān)控設(shè)備運行情況、工藝控制參數(shù)、水電氣等能源消耗情況，并將實時數(shù)據(jù)庫存儲至工業(yè)數(shù)據(jù)中心，設(shè)備數(shù)據(jù)采集率達行業(yè)先進水平。

4）數(shù)據(jù)可視化：建立企業(yè)生產(chǎn)集控中心，利用信息化技術(shù)使系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖形、圖表、圖像，數(shù)據(jù)可視化率達到90%以上。

5）智能控制：全面建立企業(yè)服務總線，架設(shè)不同生產(chǎn)線、不同設(shè)備之間、不同DCS系統(tǒng)之間的快速信息通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換；建設(shè)整廠MES與APS，實現(xiàn)材料與器件全生產(chǎn)過程的協(xié)同管理與智能控制；綜合運用WMS（Warehouse Management System倉庫管理系統(tǒng)）與AGV（Automated Guided Vehicle自動導引小車）調(diào)度系統(tǒng)，全面實現(xiàn)倉儲物流的智能控制，整廠智能化程度與行業(yè)先進水平同步。

6）人工智能：建立企業(yè)級工業(yè)大數(shù)據(jù)智慧云平臺，利用數(shù)據(jù)挖掘、機器視覺等人工智能技術(shù)，在以下四個方面實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)的首次創(chuàng)新應用：

（1）通過數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化能源分配，提高晶體生長質(zhì)量；

（2）通過在產(chǎn)、試產(chǎn)海量數(shù)據(jù)分析輔助實現(xiàn)工藝快速定型、精準抽樣檢測、產(chǎn)品精準投放；

（3）運用工業(yè)機器視覺技術(shù)解決晶片透光率在線無損檢測的行業(yè)難題，提出并研制壓電晶片在線無損視覺檢測系統(tǒng)；

（4）通過工業(yè)AR（Augmented Reality增強現(xiàn)實）頭戴顯示器將多種輔助信息（物料、工藝參數(shù)、操作指導、設(shè)備零件等）顯示給操作者，提供三維沉浸式的精準輔助作業(yè)指導，綜合提升產(chǎn)品性能和作業(yè)效率。

4 預期解決的重大問題

1）解決我國微聲材料與器件行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)能力不足的問題。

我國微聲（SAW）濾波器在頻率和帶寬已經(jīng)取得長足的進步，但是濾波器的小型化、寬頻帶、集成化等主流方向上與國際巨頭還有差距；大直徑黑化鈮酸鋰、鉭酸鋰晶片在高平整度超薄加工工藝方面與國外先進水平還有一定差距。借助本項目實施，完善產(chǎn)品生命周期管理（PLM）和知識管理系統(tǒng)，提升IT對研發(fā)的支撐能力，增強研發(fā)協(xié)同，縮短產(chǎn)品開發(fā)和工藝匹配周期，項目核心關(guān)鍵設(shè)備的集成應用將提升設(shè)計與測試驗證能力，突破溫度補償技術(shù)、晶圓級封裝技術(shù)和模塊集成化技術(shù)的國際封鎖，大大提升我國微聲材料與器件行業(yè)的研發(fā)水平。

2）改變我國高端微聲材料與器件的生產(chǎn)能力、制造過程控制水平較低的現(xiàn)狀。

目前，國內(nèi)微聲材料與器件行業(yè)的產(chǎn)能與生產(chǎn)過程與國外同行業(yè)有較大差距，在高端微聲材料與器件上問題突出。通過提高微聲材料和器件生產(chǎn)過程自動化和智能化水平，加強器件及晶片制造過程中的質(zhì)量控制，建立生產(chǎn)過程的全流程追溯體系，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的實時采集、監(jiān)控并實現(xiàn)智能化調(diào)整，提高生產(chǎn)效率，由此提升我國微聲材料與器件整體的質(zhì)量控制水平，進一步提升產(chǎn)品的市場競爭力和品牌影響力。

3）改變我國在新一代信息技術(shù)主導能力薄弱的局面。

新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展的七大產(chǎn)業(yè)之一，具有創(chuàng)新活躍、滲透性強、帶動作用大等特點，被普遍認為是引領(lǐng)未來經(jīng)濟、科技和社會發(fā)展的一支重要力量。由于掌握并壟斷著核心軟件和關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件的設(shè)計和生產(chǎn)，美國、日本等發(fā)達國家在新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)占據(jù)主導地位。作為關(guān)鍵基礎(chǔ)元件的微聲器件行業(yè)，率先通過智能制造新模式應用項目提升企業(yè)核心技術(shù)、核心知識產(chǎn)權(quán)和核心制造能力，為中國新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈輸出高質(zhì)量、安全可靠的基礎(chǔ)元器件，推動主機廠商向高技術(shù)含量、高附加值的產(chǎn)業(yè)鏈上游發(fā)展，打造出具有國際競爭力的品牌和產(chǎn)品，從而增強我國在新一代信息技術(shù)的主導能力。

4）改變我國半導體裝備長期依賴進口的局面。

通過供需結(jié)合和研用結(jié)合的新機制，大大縮短設(shè)備的研發(fā)周期、快速提升設(shè)備水平。突破一系列安全可控核心智能制造裝備的研制和集成應用，促進我國半導體封測及材料生長加工先進裝備制造水平提升，改變國內(nèi)半導體行業(yè)裝備長期依賴進口的局面，提升我國電子裝備制造企業(yè)在國內(nèi)、國際市場的占有率。

5 結(jié)束語

智能制造的應用實施過程是一項復雜的系統(tǒng)工程，具有內(nèi)在聯(lián)系性、科學性、開放性，涵蓋現(xiàn)有標準、正在制定的標準和預計要發(fā)展的標準，并對標準的應用提供指導和支持。具備實現(xiàn)特定功能的有機整體，開放以適應標準體系的外部環(huán)境、技術(shù)體系的變化與發(fā)展。

智能制造工廠實現(xiàn)了特種計算機生產(chǎn)制造過程中研、產(chǎn)、銷、服等方面的核心創(chuàng)新能力，引領(lǐng)了產(chǎn)品智能制造新模式。實現(xiàn)了生產(chǎn)過程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化、企業(yè)綜合管控信息化 、制造裝備智能化與數(shù)字化、工業(yè)云平臺和大數(shù)據(jù)分析。智能工廠的實時可使得企業(yè)生產(chǎn)效率提高，運營成本降低，產(chǎn)品研制周期縮短，產(chǎn)品不良品率降低，能源利用率提高。技術(shù)推廣后將全面提升相關(guān)行業(yè)自動化智能化水平，對我國“制造大國”到“制造強國”的轉(zhuǎn)型有著重大意義。