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★ 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所

編者按：

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的飛速發(fā)展，以及IT與OT技術(shù)的進(jìn)一步融合，工業(yè)制造、城市交通、電力能源、農(nóng)業(yè)等各大行業(yè)領(lǐng)域的智慧化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。推進(jìn)各領(lǐng)域向智慧化發(fā)展是一項(xiàng)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，既需要單一技術(shù)與裝備的突破應(yīng)用，還需要系統(tǒng)化的集成創(chuàng)新。智慧系統(tǒng)解決方案是推廣普及智能化技術(shù)的關(guān)鍵手段，是促進(jìn)各行業(yè)智能化水平提升的核心。

為深化智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)一步提升智慧產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域系統(tǒng)解決方案應(yīng)用水平，現(xiàn)由中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)、智能制造推進(jìn)合作創(chuàng)新聯(lián)盟、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國(guó)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)主辦，控制網(wǎng)（www.dlhxzk.com.cn）＆《自動(dòng)化博覽》承辦的2021智慧系統(tǒng)解決方案征集活動(dòng)已正式啟動(dòng)，面向全行業(yè)公開征集智慧系統(tǒng)解決方案。本刊特開設(shè)智慧系統(tǒng)解決方案專欄，刊發(fā)其中優(yōu)秀的解決方案以饗讀者。

1　目標(biāo)和概述

航空機(jī)載、彈載產(chǎn)品生產(chǎn)裝配過程中會(huì)大量使用膠粘劑，中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所（以下簡(jiǎn)稱：自控所）的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中也對(duì)膠粘劑依賴很大，其中自行配制的種類近百種，常配膠粘劑品種也多達(dá)40余種，涉及60余種原料。平均每天制備5種以上，200多份。

自控所一直以來被用膠過程中的各類問題困擾著，主管領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)員因配膠失誤受到問責(zé)和處罰多次。自控所用膠方面核心問題主要有四個(gè)方面：

（1）種類多但用膠量卻極少，有些特殊膠種每次用膠需求量?jī)H有幾克。同時(shí)涉及膠粘劑配方等核心商密。

（2）常用膠的存放周期都比較短，膠粘劑有效期一般不超過3天，有的特殊膠種周期更短，嚴(yán)重制約制備和使用效率。一方面生產(chǎn)線要求快速響應(yīng)、減少等待，一方面要求降本增效、壓縮浪費(fèi)。而膠粘劑的短周期存放特性更是加劇了這一矛盾。

（3）常會(huì)出現(xiàn)配錯(cuò)料現(xiàn)象。因涉及材料多達(dá)60余種，配方多達(dá)百種，過去配膠作業(yè)為純手工操作，配膠人員需要完成原料查表、用量計(jì)算、取料、稱量、混合、記錄、分裝、分發(fā)等操作，工序交織且繁瑣，每個(gè)環(huán)節(jié)都可能出錯(cuò)；盡管采取了一些防錯(cuò)措施，但受到客觀條件限制，平均每年仍會(huì)出現(xiàn)2次錯(cuò)誤。

（4）配膠過程數(shù)據(jù)不可追溯，當(dāng)膠粘劑出現(xiàn)質(zhì)量問題后，卻不知道問題膠用在哪些產(chǎn)品上。同種膠粘劑會(huì)同時(shí)在多個(gè)部門生產(chǎn)的多種產(chǎn)品上使用，由于缺乏有效的追溯手段，一旦出錯(cuò)就需要召回同時(shí)段生產(chǎn)的全部產(chǎn)品，甚至召回裝機(jī)產(chǎn)品，影響面廣、損失巨大。

隨著用膠量快速增長(zhǎng)，加之自控所進(jìn)入一所三地的運(yùn)行模式，傳統(tǒng)的膠粘劑生產(chǎn)和使用方式矛盾凸顯，既不能杜絕質(zhì)量事故發(fā)生又無法及時(shí)滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需求，自控所在該領(lǐng)域的管理者和技術(shù)人員倍感壓力。團(tuán)隊(duì)下決心建立一套先進(jìn)的配膠用膠系統(tǒng)，支持低成本、快產(chǎn)出、防錯(cuò)配、數(shù)據(jù)可追溯。

團(tuán)隊(duì)通過深入調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上沒有現(xiàn)成的解決方案，也沒有一家廠商獨(dú)立開發(fā)過此類系統(tǒng)，一來傳統(tǒng)膠粘劑生產(chǎn)企業(yè)更多關(guān)注化學(xué)配膠和大規(guī)模生產(chǎn)，深耕自動(dòng)化的膠粘劑廠商幾乎沒有。二來傳統(tǒng)的自動(dòng)化公司因?yàn)槭袌?chǎng)用膠屬于小眾需求，也無人問津，且我們希望的基于自動(dòng)化和信息化的膠粘劑生產(chǎn)、分發(fā)系統(tǒng)涉及的跨學(xué)科專業(yè)面廣，既涵蓋非金屬材料化工，又包含自動(dòng)化控制。業(yè)務(wù)流程長(zhǎng)，研制周期長(zhǎng)、還要求低成本，從而增大了研制風(fēng)險(xiǎn)。團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)帶著問題找遍了國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)各類大小企業(yè)，試圖解決當(dāng)前困局，但一旦別人深入了解上述需求后，都不約而同地打起了退堂鼓。沒人干就自己干，要解決上述問題，必須通過技術(shù)創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新來探索一條符合行業(yè)特點(diǎn)的新路徑。團(tuán)隊(duì)通過從制備到使用全流程分析，各種技術(shù)對(duì)比，引進(jìn)新技術(shù)，反復(fù)摸索實(shí)踐，經(jīng)過近兩年的不懈努力，成功解決了上述問題，研制出了現(xiàn)在的膠粘劑全流程追溯及自動(dòng)分發(fā)系統(tǒng)，它基于互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、人機(jī)協(xié)同。實(shí)現(xiàn)了四大核心功能：

（1）支持低成本的極少劑量配膠。克服了傳統(tǒng)配膠、分膠作業(yè)因容器和管線數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致的費(fèi)用高昂的困難，以幾塊錢的方法實(shí)現(xiàn)了原來動(dòng)輒上千元才能實(shí)現(xiàn)的配膠、分膠作業(yè)。通過行星式混膠機(jī)配合低成本一次性膠液盒，支持幾克到幾千克的配膠，通過蠕動(dòng)泵配合膠液傳輸管實(shí)現(xiàn)了低成本分膠，由于本方案的膠液可實(shí)現(xiàn)泵外流動(dòng)，無需泵體內(nèi)循環(huán)，省去了大量清洗和切換的時(shí)間和成本，膠種切換只需更換幾塊錢的膠液傳輸管即可。通過模式創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新將自動(dòng)化的高可靠、高效率特點(diǎn)與人工操作的低成本有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、零差錯(cuò)的多品種、小劑量膠粘劑生產(chǎn)。

（2）配膠防錯(cuò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零差錯(cuò)配膠。借鑒基于按燈取料系統(tǒng)的手工裝配思想，進(jìn)行移植創(chuàng)新，獨(dú)創(chuàng)了膠粘劑制備過程防錯(cuò)系統(tǒng)。將原來由人實(shí)現(xiàn)的控制、運(yùn)算和決策功能交給設(shè)備和控制系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)，人只作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按照系統(tǒng)提示完成少數(shù)幾個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作，這樣就可以最大程度減少分心引起的失誤。此外，系統(tǒng)通過傳感器對(duì)人工執(zhí)行的動(dòng)作進(jìn)行檢查判斷，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤將不能進(jìn)入下一步操作，實(shí)現(xiàn)全方位防錯(cuò)。

（3）工藝創(chuàng)新大幅度延長(zhǎng)配膠存放時(shí)間。在膠粘劑特性摸透基礎(chǔ)上，探索延長(zhǎng)有效期的方案。經(jīng)過大量研究和實(shí)驗(yàn)，將膠粘劑有效期延長(zhǎng)10倍，將存放時(shí)間延長(zhǎng)至30天。有效緩解供需矛盾，降低了存放超期的可能性。由于配制頻次減少，相應(yīng)減少了配膠出錯(cuò)的發(fā)生概率。

（4）配膠用膠數(shù)據(jù)全流程可追溯。克服了過去所有記錄均為手工填寫，各種記錄文件由不同部門管理，信息量不足，時(shí)效性差，難以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)打通申請(qǐng)、制備、存儲(chǔ)、配送、使用等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)替代了原有的流程驅(qū)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)了膠粘劑全流程管控和追溯。

在該系統(tǒng)中，人不再是流程的控制者，而只是作為全流程中的一部分，執(zhí)行無法由機(jī)器完成的作業(yè)。通過膠粘劑配置需求數(shù)量、庫存量、應(yīng)配制數(shù)量、現(xiàn)場(chǎng)分發(fā)柜分發(fā)量等數(shù)據(jù)分析計(jì)算來指導(dǎo)全流程運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。創(chuàng)造拉式生產(chǎn)模式下的安全庫存平衡算法，實(shí)現(xiàn)了配制和取用的動(dòng)態(tài)平衡；基于云平臺(tái)開發(fā)自動(dòng)分發(fā)柜，結(jié)合手機(jī)客戶端，解決了過去業(yè)務(wù)銜接等待時(shí)間長(zhǎng)、流程推進(jìn)靠人催等問題，依靠移動(dòng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)自動(dòng)推送技術(shù)，實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)隨時(shí)取膠，從而實(shí)現(xiàn)配膠零差錯(cuò)，用膠零等待的最終目標(biāo)。

系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2　方案詳細(xì)介紹

2.1　系統(tǒng)運(yùn)行流程介紹

首先根據(jù)膠粘劑申請(qǐng)數(shù)據(jù)并與當(dāng)前庫存進(jìn)行比較，確定應(yīng)當(dāng)配置的品種和數(shù)量，配膠人員在智能防錯(cuò)系統(tǒng)界面選擇需要配置的膠粘劑品種并在系統(tǒng)引導(dǎo)下取出對(duì)應(yīng)原材料，一次只能取出一種原料，取用完放回原位；

根據(jù)配膠防錯(cuò)系統(tǒng)的提示稱取相應(yīng)重量的原料，

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控放入容器的原料重量并自動(dòng)記錄；

按配方要求稱取的原料放入攪拌機(jī)進(jìn)行充分混合攪拌；

將配置完成的膠粘劑分別裝入標(biāo)準(zhǔn)容器；

將容器放入自動(dòng)封裝、標(biāo)印機(jī)中完成封裝并進(jìn)行激光打標(biāo)；

每個(gè)完成標(biāo)記的容器作為一個(gè)成品被自動(dòng)錄入系統(tǒng)；

批量封裝好的容器被放入冷凍儲(chǔ)藏柜中，相當(dāng)于進(jìn)入成品庫；

使用人員通過手機(jī)發(fā)出膠粘劑領(lǐng)用申請(qǐng)；

用膠申請(qǐng)定時(shí)匯總，系統(tǒng)自動(dòng)生成出庫清單；

配膠人員根據(jù)清單進(jìn)行出庫，并打印二次標(biāo)識(shí)，用來明確使用部門、制造日期、出庫日期、有效期等信息；

配送人員將二次標(biāo)識(shí)完成的膠粘劑裝入保溫容器，按部門配送至各生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能自助取膠冷凍柜；

使用人員通過手機(jī)掃碼從自助取膠冷凍柜中取出已經(jīng)申請(qǐng)過的對(duì)應(yīng)品種的膠粘劑。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2.2　系統(tǒng)架構(gòu)介紹

膠粘劑全流程追溯及自動(dòng)分發(fā)系統(tǒng)由膠粘劑制備、存儲(chǔ)、發(fā)放管理平臺(tái)，膠粘劑制備過程防錯(cuò)子系統(tǒng)，膠粘劑封裝、打標(biāo)子系統(tǒng)，膠粘劑存儲(chǔ)子系統(tǒng)，膠粘劑分發(fā)領(lǐng)用子系統(tǒng)和膠粘劑申請(qǐng)、領(lǐng)用手機(jī)客戶端軟件組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

（1）膠粘劑制備、存儲(chǔ)、發(fā)放管理平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的控制樞紐，具有數(shù)據(jù)通訊、處理、運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)、記錄、查詢等功能。通過該平臺(tái)將處在不同空間的子系統(tǒng)鏈接為一個(gè)整體。

（2）膠粘劑制備過程防錯(cuò)子系統(tǒng)。通過人機(jī)界面、智能防錯(cuò)柜、傳感器等設(shè)備讓原來需要手工完成的查配方表、重量計(jì)算、合格判斷、數(shù)據(jù)記錄等工作全部自動(dòng)完成，配膠人員只需進(jìn)行原料取放和稱重作業(yè)，避免因分心產(chǎn)生錯(cuò)誤；開發(fā)工藝互鎖功能，避免出現(xiàn)原料重量超差、重復(fù)加入同一種原料或者遺漏某一原料的錯(cuò)誤；自主開發(fā)智能防錯(cuò)柜，將原來混放在一起的各種原材料分別放入防錯(cuò)柜可自動(dòng)開閉的窗格中，每次只能取放一種原料，防止拿錯(cuò)；增加溫濕度監(jiān)控功能，當(dāng)溫濕度超出允許范圍后會(huì)報(bào)警提示，避免因環(huán)境因素導(dǎo)致膠粘劑產(chǎn)生質(zhì)量問題。

（3）膠粘劑封裝、打標(biāo)子系統(tǒng)。通過自動(dòng)封裝、標(biāo)印機(jī)實(shí)現(xiàn)膠瓶自動(dòng)封裝、自動(dòng)打印二維碼，避免配膠人員手工裝瓶蓋并擰緊數(shù)百個(gè)瓶蓋和手工打印粘貼數(shù)百?gòu)垬?biāo)簽，大大降低了配膠人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）膠粘劑存儲(chǔ)子系統(tǒng)。膠粘劑配制完成后必須立即冷凍保存，為了延長(zhǎng)有效期，實(shí)現(xiàn)批量化配膠，經(jīng)過大量研究和實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了低溫存儲(chǔ)柜。存放時(shí)間延長(zhǎng)至30天，有效緩解供需矛盾，降低了存放超期的可能性。由于配制頻次減少，相應(yīng)減少了配膠出錯(cuò)的發(fā)生概率。

（5）膠粘劑分發(fā)領(lǐng)用子系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于自動(dòng)售貨機(jī)原理開發(fā)，將自動(dòng)分發(fā)低溫存儲(chǔ)柜分別布置在各個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，配制好的膠粘劑按訂單提前配送，使用人員隨用隨取，不僅解決了集中領(lǐng)取時(shí)等待周期長(zhǎng)、轉(zhuǎn)運(yùn)分發(fā)過程難以監(jiān)控等問題，而且減少了數(shù)名配送人員。

（6）膠粘劑申請(qǐng)、領(lǐng)用手機(jī)客戶端。以往申領(lǐng)膠粘劑主要通過電話和郵件形式，時(shí)效性差，數(shù)據(jù)無法顯形化，使用手機(jī)客戶端后，各種信息一目了然，實(shí)時(shí)更新，不僅提高了全流程的效率，同時(shí)降低了管理和使用成本。

3　代表性及推廣價(jià)值

該系統(tǒng)已投用近3年，配膠量由8萬份/年增加到30萬份/年，未發(fā)生任何質(zhì)量事故（投用前，年均2次），有效避免因召回導(dǎo)致的重大經(jīng)濟(jì)損失和企業(yè)名譽(yù)損失。

該系統(tǒng)為行業(yè)首創(chuàng)，技術(shù)領(lǐng)先。首先是模式創(chuàng)新，將傳統(tǒng)流程型驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式改變?yōu)榛谝苿?dòng)互聯(lián)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式，打破時(shí)空限制，讓手機(jī)從日常用品變身為生產(chǎn)工具，使系統(tǒng)隨時(shí)在線，避免因時(shí)間、空間原因造成申請(qǐng)、制備或領(lǐng)用等待，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和知識(shí)積累；其次是工藝創(chuàng)新，針對(duì)痛點(diǎn)問題，通過工藝再設(shè)計(jì)將防錯(cuò)設(shè)計(jì)、工藝互鎖和可追溯理念落實(shí)到每一個(gè)環(huán)節(jié)中，將原有的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)操作進(jìn)行規(guī)范化和工程化；然后是技術(shù)創(chuàng)新，將自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工藝技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同，最大化減少人工操作和人工干預(yù)。

該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用為軍工領(lǐng)域存在多品種小批量膠粘劑人工配置生產(chǎn)和配送的單位提供了一套完整解決方案。建設(shè)成本低，性價(jià)比高，可移植性強(qiáng)，具有較高的推廣價(jià)值。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年12月刊