大型電力裝備企業(yè)智能制造實(shí)踐之路

張葉同，王軍奎，史 健，孫燦良，張 豪

（1. 許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2. 華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系，河北 保定 071003；3. 北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100085）

1 引言

電力裝備是支撐各級(jí)電網(wǎng)發(fā)電、輸電、配電、用電穩(wěn)定運(yùn)行的核心設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)能源安全穩(wěn)定供給和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。電力裝備被列入《中國(guó)制造2025》十大支持領(lǐng)域，持續(xù)推進(jìn)電力裝備企業(yè)生產(chǎn)模式和商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變，向著數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。近幾年，我國(guó)在大型發(fā)電、特高壓輸變電、智能電網(wǎng)成套裝備等領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

“十三五”以來，智能制造推廣應(yīng)用成效明顯，試點(diǎn)示范項(xiàng)目生產(chǎn)效率平均提高45%，產(chǎn)品研制周期平均縮短35%，產(chǎn)品不良品率平均降低35%，涌現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、大規(guī)模個(gè)性化定制、遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)等新模式新業(yè)態(tài)。

某大型電力裝備企業(yè)通過外部環(huán)境形勢(shì)分析，評(píng)估智能制造能力成熟度，分析核心產(chǎn)品現(xiàn)狀價(jià)值流，總結(jié)提煉現(xiàn)狀問題，以精益思想為指導(dǎo)，以智能制造為手段，進(jìn)行智能工廠頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一個(gè)在多品種小批量定制化生產(chǎn)模式下，快速交付、快速服務(wù)的智能工廠藍(lán)圖。在智能工廠頂層設(shè)計(jì)框架下，積極開展磁控柱上開關(guān)智能生產(chǎn)線、一二次融合環(huán)保型配電開關(guān)設(shè)備智能生產(chǎn)線、聯(lián)調(diào)測(cè)試系統(tǒng)建設(shè)等具有延續(xù)性、實(shí)用性的系列化智能制造示范項(xiàng)目，整體生產(chǎn)制造水平大幅度提升。其中，磁控柱上開關(guān)智能生產(chǎn)線攻克了自動(dòng)裝配、自動(dòng)耐壓測(cè)試、自動(dòng)聯(lián)調(diào)測(cè)試等行業(yè)性技術(shù)難題，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。本文總結(jié)了該企業(yè)智能工廠藍(lán)圖頂層設(shè)計(jì)、智能工廠規(guī)劃實(shí)施方案的方法論，分享了具有代表性的智能制造實(shí)踐案例，并提出未來展望，為電力裝備企業(yè)探索實(shí)踐智能制造提供參考。

2 智能工廠藍(lán)圖頂層設(shè)計(jì)

從外部形勢(shì)環(huán)境分析切入，評(píng)估智能制造能力成熟度，分析核心產(chǎn)品現(xiàn)狀價(jià)值流，總結(jié)提煉現(xiàn)狀問題，結(jié)合SWOT分析方法，確定智能工廠目標(biāo)愿景和藍(lán)圖，完成智能工廠頂層設(shè)計(jì)。智能制造是復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，智能工廠頂層設(shè)計(jì)是制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型的首要任務(wù)，否則任何智能制造實(shí)踐活動(dòng)都是“無根之萍”。

2.1 外部環(huán)境分析

制造企業(yè)進(jìn)行智能工廠頂層設(shè)計(jì)，繪制智能工廠未來藍(lán)圖，要結(jié)合企業(yè)自身實(shí)際、行業(yè)特性，充分考慮國(guó)家戰(zhàn)略導(dǎo)向、需求升級(jí)變化、企業(yè)模式變革及新一代制造技術(shù)應(yīng)用等因素。

（1）國(guó)家戰(zhàn)略導(dǎo)向

“十三五”以來，智能制造形成了央地緊密配合、多方協(xié)同推進(jìn)的工作格局，我國(guó)智能制造發(fā)展取得長(zhǎng)足進(jìn)步。國(guó)家陸續(xù)發(fā)布《中國(guó)制造2025》《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016－2020年）》《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等重要政策文件，智能制造支撐體系逐步完善。同時(shí)，構(gòu)建了國(guó)際先行的標(biāo)準(zhǔn)體系，發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)300余項(xiàng)，主導(dǎo)制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)42項(xiàng)；培育具有行業(yè)和區(qū)域影響力的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)近100個(gè)。近年來，深圳、江蘇、上海、重慶、廣東等地方政府大力支持智能制造，因地制宜地發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)，在智能制造鏈條上誕生了大量的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，孕育了一大批智能制造產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)。

（2）需求升級(jí)變化

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制不斷完善與發(fā)展，企業(yè)應(yīng)以客戶為中心，所有活動(dòng)應(yīng)滿足客戶個(gè)性化定制需求。國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)對(duì)配套設(shè)備的質(zhì)量和可靠性要求逐漸提高，電力裝備行業(yè)將朝著智能化、免維護(hù)、環(huán)保性、小型化、集成化方向發(fā)展，如圖1所示。

圖1 電力裝備發(fā)展方向

（3）企業(yè)模式變革

智能制造不僅帶來的是生產(chǎn)方式變化，還帶來生產(chǎn)關(guān)系的變化。企業(yè)的商業(yè)模式將由以企業(yè)為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詽M足用戶體驗(yàn)為中心，由提供產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┓?wù)。制造模式也隨之變革，從傳統(tǒng)制造到現(xiàn)代制造，再演進(jìn)至智能制造，見表1。

表1 制造模式變革演進(jìn)

（4）新一代制造技術(shù)

新一代信息技術(shù)與工業(yè)深度融合必將深刻影響制造業(yè)發(fā)展，必須重點(diǎn)關(guān)注并結(jié)合實(shí)際探索應(yīng)用。人工智能、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、量子計(jì)算、5G等新一代智能制造技術(shù)逐漸趨于成熟，成本也愈來愈低。目前，智能制造裝備國(guó)內(nèi)市場(chǎng)滿足率超過50%，主營(yíng)業(yè)務(wù)收入超10億元的系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商達(dá)43家。正如朱森第所說，“只有熱情擁抱新技術(shù)，當(dāng)使用時(shí)才不會(huì)陌生與抵觸?！?/p>

2.2 企業(yè)現(xiàn)狀評(píng)估

（1）智能制造能力成熟度評(píng)估

依據(jù)《GB/T 39116—2020智能制造能力成熟度模型》《GB/T 39117—2020智能制造能力成熟度評(píng)估方法》評(píng)估出企業(yè)整體制造水平，識(shí)別能力弱項(xiàng)，明確發(fā)展目標(biāo)和投資方向。中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院為更好地服務(wù)于制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，開發(fā)了智能制造評(píng)估評(píng)價(jià)公共服務(wù)平臺(tái)（www.c3mep.cn）。制造企業(yè)可通過平臺(tái)進(jìn)行注冊(cè)，在平臺(tái)上完成智能制造能力成熟度自診斷，通過自診斷可判定企業(yè)智能制造整體水平，幫助企業(yè)識(shí)別當(dāng)前智能制造發(fā)展現(xiàn)狀，提供與同行業(yè)同地區(qū)企業(yè)對(duì)比分析報(bào)告，如圖2所示。

圖2 智能制造能力成熟度評(píng)估報(bào)告部分內(nèi)容

（2）精益價(jià)值流分析

通過價(jià)值流分析主要產(chǎn)品的主要矛盾。電力裝備企業(yè)一般的共性問題點(diǎn)：一是市場(chǎng)模式、需求與供應(yīng)鏈能力的矛盾；二是工程項(xiàng)目決定了多品種小批量的訂單結(jié)構(gòu)，對(duì)研發(fā)、制造的柔性能力提出較高要求；三是內(nèi)部信息化系統(tǒng)較多，但暫沒有深度集成，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間需要人為進(jìn)行鏈接，信息不能及時(shí)共享和反饋。

2.3 SWOT分析

結(jié)合外部環(huán)境分析與企業(yè)現(xiàn)狀評(píng)估，進(jìn)行SWOT分析，用系統(tǒng)的思想將所有相關(guān)因素相互匹配起來進(jìn)行綜合分析，使得智能工廠藍(lán)圖的制定更加科學(xué)全面。該企業(yè)SWOT分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 SWOT分析結(jié)果

2.4 定位與目標(biāo)

在進(jìn)行智能工廠藍(lán)圖設(shè)計(jì)之前，還應(yīng)對(duì)未來企業(yè)發(fā)展進(jìn)行準(zhǔn)確定位，設(shè)置明確的目標(biāo)。其中，定位應(yīng)有一定的前瞻性和聚焦性，目標(biāo)要有確定的指標(biāo)數(shù)據(jù)支撐，如營(yíng)收規(guī)模、市場(chǎng)占有率、經(jīng)營(yíng)指標(biāo)、行業(yè)地位等。該電力裝備企業(yè)智能工廠的定位與目標(biāo)，如圖4所示。

圖4 智能工廠藍(lán)圖（理想圖）

圖4 智能工廠定位與目標(biāo)

2.5 藍(lán)圖設(shè)計(jì)

（1）理想圖

以精益思想為指導(dǎo)，以智能制造為手段，構(gòu)建未來智能工廠的藍(lán)圖，完成頂層設(shè)計(jì)，如圖5所示。智能工廠藍(lán)圖一般涵蓋以下6方面的內(nèi)容。

圖5 智能工廠現(xiàn)狀

1）基礎(chǔ)設(shè)施：網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房、云服務(wù)和信息安全等，支撐硬件設(shè)備。

2）硬件設(shè)備：產(chǎn)線、機(jī)器人、立庫、自動(dòng)設(shè)備和智能辦公等，通過接口協(xié)議系統(tǒng)向外輸出數(shù)據(jù)。

3）平臺(tái)技術(shù)：PLC、IPC、CNC-DCS、SCADA，監(jiān)測(cè)人員設(shè)備工藝物料物流能耗等數(shù)據(jù)，匯入中臺(tái)。

4）軟件應(yīng)用：數(shù)據(jù)分析，制造執(zhí)行管理系統(tǒng)，MES、WMS、PLM、CRM等業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

5）運(yùn)營(yíng)管理：人財(cái)物資源管理，SAP、運(yùn)營(yíng)監(jiān)控等。

6）戰(zhàn)略規(guī)劃：對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)ETL抽取/轉(zhuǎn)化、BI等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、產(chǎn)能規(guī)劃、客情分析等。

（2）現(xiàn)狀圖

在理想圖上，目視化區(qū)分出現(xiàn)有狀態(tài)和當(dāng)前模式，反映出現(xiàn)狀與理想的差異。待完善和缺口的部分將是智能工廠實(shí)施的重點(diǎn)內(nèi)容。

3 智能工廠規(guī)劃實(shí)施方案

智能化工廠規(guī)劃實(shí)施方案遵照“頂層設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)、精益為基、系統(tǒng)實(shí)施、集成應(yīng)用”的指導(dǎo)方針，統(tǒng)籌推進(jìn)智能制造項(xiàng)目建設(shè)和系統(tǒng)應(yīng)用。

3.1 智能工廠實(shí)施方案氣泡圖

依據(jù)智能工廠現(xiàn)狀圖，將待完善和缺口的部分進(jìn)行歸集，按照重要性、緊迫性排入各區(qū)間。第一區(qū)間措施優(yōu)先規(guī)劃到近兩年關(guān)鍵任務(wù)，第二、三區(qū)間以此類推。如圖6所示。

圖6 智能工廠實(shí)施氣泡圖

3.2 智能工廠實(shí)施方案路線圖

在智能工廠頂層設(shè)計(jì)框架下，提出具體任務(wù)清單。再依據(jù)每年重點(diǎn)不同，分別定義為智能工廠的啟動(dòng)年、模塊優(yōu)化年、要素互聯(lián)年、智能應(yīng)用年、智能體系年。如圖7所示。

圖7 智能工廠實(shí)施路線圖

3.3 智能工廠規(guī)劃實(shí)施注意事項(xiàng)

（1）實(shí)施原則：智能制造不是目的，其目的是提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；智能制造不可能一蹴而就，需要長(zhǎng)期的努力和變革；智能制造不是自動(dòng)化改造，其根本是企業(yè)模式的變化；多品種，小批量企業(yè)不要盲目推進(jìn)“無人工廠”。

（2）實(shí)施策略：整體規(guī)劃、分步實(shí)施、量身定制、量力而行、小步快跑。

（3）實(shí)施重點(diǎn)：智能工廠規(guī)劃實(shí)施是為了戰(zhàn)略與經(jīng)營(yíng)服務(wù)；智能工廠實(shí)施的基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)化與精益化；項(xiàng)目與流程的順利執(zhí)行需要建立推行組織與制度的約束；軟硬件是工具，工具能效的發(fā)揮需要因地制宜設(shè)計(jì)和整個(gè)組織統(tǒng)一思想。

4 智能制造實(shí)踐

某大型電力裝備企業(yè)按上述智能工廠藍(lán)圖頂層設(shè)計(jì)、智能工廠規(guī)劃實(shí)施方案的方法論，逐步實(shí)施智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，以提升生產(chǎn)制造水平和公司綜合競(jìng)爭(zhēng)力。因篇幅有限，將重點(diǎn)介紹智能制造項(xiàng)目關(guān)鍵措施、以磁控柱上開關(guān)智能化產(chǎn)線為代表的示范意義。

4.1 項(xiàng)目關(guān)鍵措施

采取以下措施保證投資一個(gè)項(xiàng)目，建好一個(gè)項(xiàng)目，實(shí)用化一個(gè)項(xiàng)目，并取得實(shí)效一個(gè)項(xiàng)目。

（1）強(qiáng)化產(chǎn)品工藝，為智能制造打牢基礎(chǔ)

優(yōu)化工藝管理體系架構(gòu)，提高工藝人員技術(shù)素質(zhì)和專業(yè)能力；強(qiáng)化產(chǎn)品工藝管理、牽引工藝改進(jìn)、開展工藝攻關(guān)，深入產(chǎn)品工藝技術(shù)研究，分析影響產(chǎn)品質(zhì)量、效率、成本等因數(shù)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)裝配以及外協(xié)加工等各個(gè)環(huán)節(jié)提高產(chǎn)品的可制造性和可測(cè)試性。

（2）加快信息化建設(shè)助推智能制造

規(guī)劃建設(shè)生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），設(shè)置可視化硬件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的可視化管理，同時(shí)具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝配過程物料配送精準(zhǔn)化，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、客觀，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、智能化生產(chǎn)。

（3）實(shí)施周、月、季度計(jì)劃與總結(jié)推進(jìn)方式

按年度計(jì)劃，實(shí)施周報(bào)、雙周報(bào)、月報(bào)及進(jìn)度總結(jié)方式有力推進(jìn)和考核，確保項(xiàng)目按期完成。

（4）目標(biāo)導(dǎo)向，強(qiáng)化項(xiàng)目過程評(píng)審及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

按研發(fā)項(xiàng)目過程管控要求，加強(qiáng)項(xiàng)目前期方案的評(píng)審，確保項(xiàng)目建設(shè)方案符合公司產(chǎn)品生產(chǎn)制造需求。項(xiàng)目完成建設(shè)及投入試運(yùn)行后，組織公司級(jí)項(xiàng)目驗(yàn)收小組，科學(xué)客觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目完成情況和達(dá)成的效果，并與項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，確保項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

4.2 示范意義

（1）技術(shù)效益

自主設(shè)計(jì)了極柱涂膠專機(jī)1套，密封圈自動(dòng)裝配專機(jī)1套，機(jī)構(gòu)擰緊專機(jī)1套，自動(dòng)磨合工作站1套，耐壓、聯(lián)調(diào)測(cè)試自動(dòng)接線專機(jī)各1套。攻克了一二次融合裝備領(lǐng)域自動(dòng)裝配、自動(dòng)耐壓測(cè)試、自動(dòng)聯(lián)調(diào)測(cè)試等行業(yè)性技術(shù)難題，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

（2）經(jīng)濟(jì)效益

磁控配電開關(guān)自動(dòng)化生產(chǎn)線建成后，主要工位由機(jī)器人替代人工裝配和測(cè)試。整線設(shè)有4個(gè)全自動(dòng)化裝配工位、3個(gè)自動(dòng)化專機(jī)裝配工位、4個(gè)全自動(dòng)測(cè)試工位、一個(gè)自動(dòng)下線工位，生產(chǎn)人員數(shù)量由14人較少至3人，生產(chǎn)效率提升了3倍以上，產(chǎn)品合格率由98.5%提升到99.9%，達(dá)到每8分鐘生產(chǎn)下線一臺(tái)，單線年產(chǎn)能超2萬臺(tái)，產(chǎn)值達(dá)10億元。

（3）社會(huì)效益

智能電網(wǎng)的快速建設(shè)與發(fā)展對(duì)中低壓輸配電裝備可靠性和質(zhì)量提出了更高的要求。要求我們電力裝備制造企業(yè)通過一系列項(xiàng)目建設(shè)，向數(shù)字化車間、數(shù)字化工廠到智能工廠轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)制造型企業(yè)向制造服務(wù)型企業(yè)創(chuàng)新升級(jí)、轉(zhuǎn)型發(fā)展，全面實(shí)現(xiàn)智能制造。智能配電設(shè)備磁控配電開關(guān)智能制造典型應(yīng)用場(chǎng)景建設(shè)和示范，為公司帶來效率效益同時(shí)，還帶動(dòng)了電力裝備制造企業(yè)創(chuàng)新升級(jí)、轉(zhuǎn)型發(fā)展。

（4）推廣應(yīng)用

以智能配電產(chǎn)品（智能柱上開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜和配電控制終端設(shè)備）為主體，以磁控柱上開關(guān)智能制造典型應(yīng)用場(chǎng)景為示范，開發(fā)、引進(jìn)環(huán)網(wǎng)柜和配電控制終端設(shè)備各個(gè)工位的自動(dòng)化專機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能配電產(chǎn)品裝配自動(dòng)化、移載運(yùn)轉(zhuǎn)自動(dòng)化、測(cè)試自動(dòng)化的全面自動(dòng)化，推進(jìn)智能配電設(shè)備智能制造和數(shù)字化工廠示范工程建設(shè)。

5 結(jié)束語

本文提出了通過外部環(huán)境形勢(shì)分析，評(píng)估智能制造能力成熟度，分析核心產(chǎn)品現(xiàn)狀價(jià)值流，總結(jié)提煉現(xiàn)狀問題，以精益思想為指導(dǎo)，以智能制造為手段，進(jìn)行智能工廠頂層設(shè)計(jì)、智能工廠規(guī)劃實(shí)施方案的方法論，總結(jié)了智能工廠規(guī)劃實(shí)施注意事項(xiàng)。通過智能制造項(xiàng)目實(shí)踐案例，驗(yàn)證了基于該方法論推進(jìn)智能制造的可行性，以供電力裝備企業(yè)探索實(shí)踐智能制造參考。

制造企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型是一條坎坷曲折，但又不得不走的道路。站在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國(guó)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的歷史性交匯點(diǎn)，要堅(jiān)定不移地以智能制造為主攻方向，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和優(yōu)化升級(jí)，推動(dòng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)模式和企業(yè)形態(tài)根本性轉(zhuǎn)變，促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)邁向全球價(jià)值鏈中高端。