李 侨， 闫 颖

（隆基绿能科技股份有限公司， 陕西 西安 710100）

0 引言

智能制造是基于信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于生产、管理等制造活动的各个环节，具有自学习、自决策、自执行等[1]功能的新型生产方式，2015 年我国政府提出了《中国制造2025》的发展战略。 这一战略的目的是最终形成智能产线、智能车间、智能工厂、不同地域的智能工厂互联的制造系统。 在该系统中工厂不仅实现了柔性制造， 而且使每件产品的全生命周期信息可追溯[2]。

目前单晶车间存在人员浪费严重、信息流转落后、数据利用不足、标准化实施差等问题，本方案以单晶车间现状出发， 以隆基系统运行数据为基础， 涵盖设备集中监控，关联智能物流，集合信息化系统、工业大数据等外围智能支撑，打造一体式单晶车间智能制造系统。不仅可以实现生产过程数字化、网络化、智能化，而且可以对生产计划、生产资源、生产进度等数据在信息化系统中进行有效的管控[3]，旨在减少人员投入、提高数据价值、改善车间运转流程、优化车间管理方案，进一步降低生产成本、提升产品品质，从根本上提高公司核心竞争力。

1 集中监控系统

现今离散型制造业生产系统日趋复杂、自动化水平显著提升、现场作业人员日益减少，这样对生产的连续性、稳定性和安全性等提出了更高的要求，变得越来越像流程工业，为此需要建设集中监视系统[4]。 在单晶车间，集中监控系统是连接下层自动化装备和上层信息化系统的重要桥梁，承担智能工厂体系中IT/OT 中间层的功能。其主要负责单晶车间内部（含备料与其他生产辅助支持类）的生产执行及管理。 包括数据采集、集中监控和数据应用三部分。

1.1 数据采集

数据是智能制造的柴米油盐，是智能工厂的原材料。制造企业要实施智能制造， 采集生产实时数据是重中之重，是实现智能制造的基石[5]。 因此，单晶车间在开始实施智能制造时，首先采用力控、Kepserver、组态王等SCADA软件通过建立数据采集系统来实现数据采集、设备监控、信号报警等各项功能，为智能制造提供各种实时数据。 采集的数据除了实时使用外，都将存储在Oracle 数据库，方便二次使用。 采集数据并不需要全部进入MES 等上层系统，也不可能全部进入前后端自动化系统；采集数据不经过筛选、整合处理无法被上层系统和前后端工序使用。因此，单晶集中监控系统是一个数据节点，负责采集数据、整合数据、提供数据。

1.2 集中监控

可监可控打造智能车间，颠覆传统生产模式。在单晶车间，通过标准SCADA 建设和视觉同步，可实时显示炉台数据和CCD 界面，见图1，使车间炉台状况尽在掌握之中， 如对炉台上的报警信息进行远程同步显示与报警提示；基于炉压变化来甄别危险性较高的异常事故，提供自动检测与报警功能等。

远程控制包括运动控制、真空控制、功率控制、工步控制、闭环控制、参数修改等模块。通过互锁、权限设计提升操作安全性。远程控制包括主动控制和提醒控制。主动控制为人直接点选指定炉台进行控制操作； 提醒控制是系统以任务的形式提醒用户异常或需要处理的炉台，用户执行任务处理异常。

图1 部分集中监控示意图Fig.1 Partial centralized monitoring schematic diagram

1.3 数据应用

数据应用包括标准化数据存储、 通用型数据标准化解析、定制化解析、 业务报表数据支持、解析数据以看板、邮件等形式展示等，见图2。 如定制化解析， 针对不同业务所需数据， 可定制化解析，力求最大程度满足业务需求，同时保证程序高内聚低耦合。拉晶相关数据基本都需要解析计算，对于从采集数据来的需求可以定制化开发。

图2 部分数据应用示意图Fig.2 Partial data application diagram

2 信息化系统

企业信息化， 实质上是将企业的所有业务过程和管理过程计算机化和网络化， 通过对各种信息系统进行网络加工，生成新的信息资源，提供给不同层次的人们以做出有利于生产要素组合优化的决策， 使企业资源合理配置，并适应瞬息万变的市场经济竞争环境，求得最大的经济效益。

ARM 将企业信息模型分为3 层，见图3，分别为：①计划层： 承担企业全面管理， 以ERP 为主， 包括SCM、CRM 等； ②执行层： 承担工厂协调和监控趋势的执行层（MES）；③控制层：承担工厂生产控制的控制层（PCS），包括先进控制、实时数据采集系统等。

图3 企业信息集成模型Fig.3 Enterprise information integration model

2.1 PCS 控制系统

自动化控制系统（PCS）包括DCS、PLC、SCADA 等控制系统，SCADA 在工厂自动化系统中， 处于PLC 与MES之间，在自动化系统的资料流中，SCADA 是资料提供者，而MES 是接受者，SCADA 将从PLC 所撷取的资料，往上送给MES，而MES 向其他控制系统提供一定时间内以最优方式进行生产的工艺规程、配方和指令等[6]。

2.2 MES 系统

在信息系统集成模型中，MES 处于中间层， 起到了信息集线器的作用， 它承担着生产管理的各个方面，同时还要与上下层系统进行信息沟通。MES 作为生产制造系统的核心是将ERP 与PCS 连接起来，对采集的数据进行分析处理，完成数据和信息交换，使得数据采集系统采集上来的数据可以有效地为企业的ERP系统利用，实现信息系统无缝集成，提高系统整体稼动率[7]。

MES 可使生产过程透明化。通过MES 对基础数据的灵活运用，结合工厂信息化、可视化的要求，以各种不同的电子化看板来反应生产的实时状况。让工厂的管理人员可以随时了解生产状况，及时发现生产过程中的问题并找到对应的方案将其改善[8]。

2.3 ERP 系统

ERP 是对企业三大资源（物流、信息流、资金流）进行全面集成的企业级管理信息系统。它以财务管理为核心，包括销售管理、采购管理、库存管理、计划管理、设备管理等相关功能模块。 从整个生产架构来看，ERP 必须依据MES 所搜集的现场信息，才能安排适当的生产活动；反过来说， 由于MES 系统的实时信息和监控，ERP 规划的结果才得以落实。 所以ERP 与MES 的有效整合，是提升企业生产力的关键因素。

无论是PCS、MES 还是SCADA， 对企业来说都只是自动化架构的一部分。 因此，无从比较谁比谁重要，都是透过自动化系统，优化作业流程、配置调度资源，达到降低制造成本、提升设备稼动率[9]。

3 工业大数据

3.1 工业大数据的概念和特点

工业大数据是大数据的一种类型，是工业领域智能化生产过程中产生的大数据，通过对数量巨大、来源分散、格式多样的工业系统的数据进行采集、 存储和关联分析，从中发现产品、服务和商业的新知识、新价值、新能力[10]。工业大数据有5V 特点：大量性（Volume）、高速性（Velocity）、多样性（Variety）、价值性（Value）、真实性（Veracity）。 大数据技术的重要意义在于： 对含有意义的庞大数据信息进行专业处理[12]。 如果把大数据比作一种产业，那么这种产业实现盈利的关键，在于提高对数据的加工能力，通过加工实现数据的增值[11]。

3.2 工业大数据在单晶车间的应用价值

工业大数据作为实现智能制造的重要驱动力， 可为企业制造、管理流程优化，商业模式创新及整个行业生态圈的快速聚合提供有效支撑。 利用工业大数据模型对拉晶数据进行分析，得出如下结论：

（1）严格监控生产，实现科学管控。 工业大数据应用的最大价值在于对企业生产制造、 业务流程管理进行智能优化。利用收集的功率、压力、直径、产量、拉速等数据，对生产过程进行严格监控，并通过设备诊断、能耗、产能、人员技能等方面的分析，改进生产工艺流程，优化生产过程，制定生产计划、下达生产任务等[13]。 在提升效率和质量的基础上，重塑企业制造与业务流程，实现实时、透明的生产管理，达到真正的科学管控[14]。

（2）数据挖掘，预测性分析。 分析现有工艺指标和因素，挖掘新的可控因素，为一些模糊指标，比如成晶率的改善提供方向和指导，为过程监控提供数据指导；对数据挖掘的结果进行一些预测性判断，提前发现异常问题或为其他工序提供参考，比如预估产量、预估成晶率等；在一些预测性分析的基础上，针对涉及人员、原辅材、水电等涉及资源调度方面的问题进行专门优化，比如工时、人员配比等。

4 智能物流

生产物流担负着储存、运输、装卸物料等任务，生产物流系统是生产制造各个环节有机组成的纽带。目前单晶生产车间存在以下问题：①生产布局比较松散，存在较多搬运浪费；②物料上下料与转运大多依靠人工，人力成本高，周转效率低，且不利于物料追溯；③物流与生产设备集成度有限，不利于生产和物流的统一调度管理；④物流调度方式原始，调度效率低下，不利于效率提升和在制优化；⑤存在大量的中转库存，造成资金占用与管理负担。

智能物流是实现智能制造的核心与关键。 智能物流不仅是连接物料供应和生产的重要环节， 而且是构建智能工厂的基石，为智能制造提供重要保障。如果把智能制造比作人体，那么信息系统犹如大脑，生产设备就是人体器官，而智能物流系统则是联通各器官的血管，为人体输送营养物质，维持生命运动。 在信息化系统的指挥下，智能物流系统可实现物料识别、地点跟踪、物料溯源、物料监控等，支持智能制造系统快速高效运行[15]。

建立智能物流系统，需要从硬件和软件两方面入手，硬件指的是先进的物流设备，如自动化立体仓库，自动化上下料，AGV 系统，机器视觉系统等，如图4 所示。在整个拉晶车间建立AGV 系统，不仅可以节约人力资源，解放劳动力，而且灵活性强，故障率低，调度能力可靠，物料搬运动作和路线精准。再通过结合机器视觉系统，能够使智能物流系统具有自动识别和检测的功能。 利用GIS 技术可实现智能定位，智能配送，提高物流效率，降低物流成本[16]。 软件指的是建立一套物料流程控制（MFC）系统，该系统向上能与生产管理系统连接， 向下能控制物流设备系统自动运行，将生产系统和物流系统有机的结合起来，见图5[17]。

图4 AGV 路线示意图Fig.4 AGV route map

图5 MFC 与其他系统之间关系Fig.5 Relationships between MFC and other systems

5 精益管理

智能制造平台下的精益管理模式是整个制造型企业管理模式发展的大势所趋，智能制造是利用现有成熟的信息化系统、物联网技术、互联网技术、 大数据分析平台对生产要素进行智能化改造， 精益管理是通过精益思想对管理流程和制造流程进行整体优化。 基于智能制造平台的精益管理模式，不仅可以通过减少生产过程中浪费的时间来有效缩短生产周期， 加快交付，而且对于提高生产效率，优化物流和生产计划、减少库存等，都有自己独特的优势。 通过智能制造平台下的精益管理优化，可极大的消除生产管理过程中的浪费环节，让企业规模生产的优势和灵活性得以充分展现[18]。

6 结论

自单晶车间实施智能制造项目以来， 已经取得了良好的效果。实现了拉晶过程的实时集中监控、生产异常、及时预警和远程操控，提高了生产安全性；人机、物料流转被系统管控，减少了流转周期；借助大数据智能预判功能减少了物料和时间的浪费；完成了车间数据可视化和生产作业标准化，使员工操作分工更明确，工作更加量化、透明化；但是在项目实施过程中也遇到一些问题，需进一步探索，如大数据建模缺乏经验、数据分析不全面等。

智能制造不仅填补了行业内单晶智能工厂的技术空白，使单晶生产成本降低，安全性增加，而且促进单晶行业生产技术水平的升级，为光伏行业发展指明新方向。