電氣設(shè)備制造行業(yè)智能工廠研究

文/蔣昊松，肖 洋 蘇州蘇能集團(tuán)有限公司 匯德電氣制造分公司

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于制造企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)自感知、自決策、自執(zhí)行的新型生產(chǎn)方式。電氣設(shè)備制造屬于離散型制造，通過建設(shè)智能工廠，可以打破生產(chǎn)過程的信息孤島，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)互通、生產(chǎn)過程實時監(jiān)控、高效利用企業(yè)資源，促進(jìn)企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級。

在信息通信技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)融合發(fā)展的推動下，傳統(tǒng)制造正朝著以數(shù)據(jù)驅(qū)動整體資源配置，對制造過程實現(xiàn)精準(zhǔn)控制的新一代智能制造不斷發(fā)展，不同行業(yè)的制造企業(yè)都在積極探索智能制造的應(yīng)用以及智能工廠建設(shè)。電氣設(shè)備是支撐電力傳輸、配送和用電穩(wěn)定的核心設(shè)備，是保障能源穩(wěn)定安全供給和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。電氣設(shè)備制造行業(yè)是典型的離散制造模式，容易受到市場環(huán)境和用戶需求變化的影響，隨著勞動力等生產(chǎn)要素成本不斷上升、產(chǎn)品需求多樣化、行業(yè)內(nèi)部競爭加劇，急需推進(jìn)制造過程智能化，充分有效利用生產(chǎn)資源，使電氣裝備制造企業(yè)實現(xiàn)提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級。

電氣設(shè)備制造行業(yè)現(xiàn)狀

目前電氣設(shè)備制造企業(yè)采用傳統(tǒng)制造模式進(jìn)行生產(chǎn)時，存在設(shè)備分散，缺乏信息化支撐，在生產(chǎn)過程中無法及時獲取設(shè)備狀態(tài)信息等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)信息滯后，生產(chǎn)過程透明度較低，不利于企業(yè)對生產(chǎn)過程進(jìn)行有效管理。其次，在生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)線不夠自動化、智能化，人工操作環(huán)節(jié)較多，因此生產(chǎn)效率較低。并且客戶需求的產(chǎn)品存在品種多、批量小等問題，難以形成標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)流程，加大了生產(chǎn)線自動化改造的難度。

此外，傳統(tǒng)制造模式下，倉庫管理采用人工錄入的方式。但是物料的規(guī)格型號、數(shù)量等信息依賴人工確認(rèn)容易出錯，并且很難對物料、半成品、成品的流動進(jìn)行追蹤和追溯。由于物料的庫存量數(shù)據(jù)更新滯后，倉儲難以根據(jù)實際的生產(chǎn)情況確定物料的庫存量，如果安全庫存量設(shè)置不合理，可能會導(dǎo)致生產(chǎn)停滯。物料和產(chǎn)品出入庫時依賴人工質(zhì)檢，檢驗數(shù)據(jù)由紙質(zhì)文檔進(jìn)行記錄，工作量大，不利于進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計和追溯。

由于車間內(nèi)部與外部溝通只能依賴于文檔，外部獲取的車間生產(chǎn)信息、物料信息存在延遲，不能及時根據(jù)車間實際情況對生產(chǎn)計劃進(jìn)行調(diào)整。生產(chǎn)過程中，每道工序的紙質(zhì)流程管理卡需要手工線下記錄，難以進(jìn)行嚴(yán)格管理，所以對員工的工作量和失誤率進(jìn)行統(tǒng)計時缺乏詳細(xì)的數(shù)據(jù)。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時，在追溯過程中，通過生產(chǎn)工序記錄進(jìn)行排查，無法快速確定出現(xiàn)問題的工藝環(huán)節(jié)，生產(chǎn)責(zé)任無法落實到個人。前后工序之間的物料運(yùn)送缺乏控制，會導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)奏變慢。這些因素都會對企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。

電氣設(shè)備制造智能工廠建設(shè)內(nèi)容

智能制造的關(guān)鍵核心是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。智能工廠將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與制造企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等環(huán)節(jié)有效融合。結(jié)合電氣設(shè)備制造行業(yè)特點，通過融合工業(yè)通信、工業(yè)信息安全、數(shù)據(jù)處理分析及可視化等技術(shù)，可以實現(xiàn)機(jī)器設(shè)備互聯(lián)、生產(chǎn)過程全數(shù)字管理、物料和生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時更新、設(shè)備遠(yuǎn)程管理運(yùn)維等功能，并且企業(yè)的產(chǎn)品制造產(chǎn)能可預(yù)期、物料可追蹤、產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題可回溯。針對電氣設(shè)備產(chǎn)品存在品種多、批量小的特點，通過優(yōu)化車間內(nèi)的生產(chǎn)流程，提升物料配給效率和生產(chǎn)線的柔性化，可以實現(xiàn)按需生產(chǎn)，充分提高生產(chǎn)效率。

考慮到電氣設(shè)備制造智能工廠建設(shè)的復(fù)雜性和實施難度，需要引入先進(jìn)的管理系統(tǒng)，如圖1所示，包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System, MES）、企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning，ERP）、倉庫管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（Product Lifecycle Management, PLM）、供應(yīng)商關(guān)系管理系統(tǒng)（Supplier Relationship Management，SRM）和高級計劃與排程系統(tǒng)（Advanced Planning and Scheduling，APS）。

圖1 電氣設(shè)備制造智能工廠系統(tǒng)間交互示意圖

（1）智能工廠建設(shè)核心——MES

MES是面向車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，可以為企業(yè)提供包括生產(chǎn)計劃管理、物流配送管理、生產(chǎn)執(zhí)行管理、人員和設(shè)備管理、質(zhì)量管理等功能，是實施高效自動化生產(chǎn)安排、產(chǎn)品制造和質(zhì)量檢驗的基礎(chǔ)。同時，MES可以實時采集車間內(nèi)的設(shè)備異常信息，為生產(chǎn)過程中的異常處理、設(shè)備及時維修保養(yǎng)提供了便利。

以中低壓電氣柜生產(chǎn)企業(yè)為例，生產(chǎn)過程包括殼體加工、銅排加工、零部件檢測、裝配和實驗測試幾個環(huán)節(jié)。將生產(chǎn)線升級自動化后，可以利用二維碼、條形碼等電子標(biāo)簽對物料、零部件或者產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記，在關(guān)鍵工序處利用電子標(biāo)簽對物料、零部件等進(jìn)行信息收集。這些數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心后，經(jīng)過處理分析可以顯示在車間內(nèi)的看板上，便于跟蹤在制品信息，實現(xiàn)流程與產(chǎn)量控制和工序流程管理。車間內(nèi)所有設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)后，可以及時獲取設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)信息，實現(xiàn)異?？刂?，并且可以為設(shè)備的保養(yǎng)維修提供預(yù)警信息。在質(zhì)量管理方面，可以利用MES實現(xiàn)產(chǎn)品和物料的追溯，發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品時可以快速定位到是采購物料不合格、某個工序的設(shè)備故障或是操作人員失誤導(dǎo)致，通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以幫助企業(yè)找到產(chǎn)品質(zhì)量提升的路徑。

（2）倉庫管理數(shù)字化——WMS

WMS通過入庫、出庫、倉庫調(diào)撥等環(huán)節(jié)對庫存批次、物料對應(yīng)、庫存盤點、質(zhì)量檢驗等進(jìn)行管理，可以有效控制并跟蹤倉庫業(yè)務(wù)和成本管理全過程，實現(xiàn)倉儲資源共享，降低企業(yè)成本。

企業(yè)內(nèi)部建立智能倉儲物流系統(tǒng)后，利用WMS可以對倉庫內(nèi)的貨位進(jìn)行定義，實現(xiàn)倉儲透明化和可視化。物料入庫后，物料上的電子標(biāo)簽信息和所存儲的貨位編號會進(jìn)行關(guān)聯(lián)。倉庫內(nèi)進(jìn)行盤點時，可以獲得工位上物料的詳細(xì)入庫信息。并且出庫時，可以根據(jù)入庫時間優(yōu)先選擇儲存時間長的物料，避免物料因積壓出現(xiàn)質(zhì)量問題。在實現(xiàn)智能物流后，AGV可以通過貨位編號獲得領(lǐng)取物料貨位的坐標(biāo)，自動前往目標(biāo)貨位取貨，提升物流效率。

（3）企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)——ERP

ERP可以協(xié)調(diào)企業(yè)各管理部門圍繞市場導(dǎo)向，更加靈活地開展業(yè)務(wù)，快速響應(yīng)市場的需求。ERP會將客戶訂單和銷售預(yù)測兩方面信息傳遞給MES，MES經(jīng)過處理后會生產(chǎn)物料的采購訂單和自制件的生產(chǎn)工單。在生產(chǎn)過程中，MES會將物料配送和轉(zhuǎn)移信息、生產(chǎn)工單完成數(shù)量傳遞給ERP，使得非生產(chǎn)部門可以掌握車間的生產(chǎn)情況和物料使用情況。

（4）產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)——PLM

PLM主要管理產(chǎn)品信息，可以支持產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)的全過程。電氣產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)工藝、物料信息等都可以在PLM中進(jìn)行管理，這些信息會傳遞至MES中作為產(chǎn)品生產(chǎn)的依據(jù)。PLM與MES結(jié)合不僅可以提高生產(chǎn)靈活性，還能提高生產(chǎn)效率，并為產(chǎn)品的迭代優(yōu)化、質(zhì)量提升提供方法。

（5）供應(yīng)商關(guān)系管理系統(tǒng)——SRM

SRM主要管理采購需求和上游供應(yīng)商。MES會將物料需求傳遞給SRM，由SRM對供應(yīng)商進(jìn)行評估，并準(zhǔn)確及時地完成采購。SRM既要面對企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)，又要面對外部市場和客戶，需要兼顧到各方需求，所以要能夠整合內(nèi)外部資源，在提升采購效率的同時有效控制成本。

（6）高級計劃與排程系統(tǒng)——APS

APS可以對企業(yè)內(nèi)部的所有資源進(jìn)行實施監(jiān)控，包括物料狀態(tài)、設(shè)備和人員狀態(tài)、客戶需求等，并能根據(jù)這些條件生成一個有效精準(zhǔn)的生產(chǎn)計劃，是智能工廠建設(shè)中最具核心價值的系統(tǒng)。針對電氣設(shè)備制造行業(yè)離散制造的特點，APS可以有效解決多工序、多物料、多人員的優(yōu)化調(diào)度問題，實現(xiàn)時間成本最小化和資源利用率最大化目標(biāo)。

實施效果

智能工廠建設(shè)前期需要對車間完成智能化改造。通過生產(chǎn)車間進(jìn)行升級改造，建設(shè)數(shù)字化車間，實現(xiàn)了對車間內(nèi)設(shè)備、人員和物料的高效管理，以及車間內(nèi)、外部聯(lián)動。管理人員可實時獲取到車間現(xiàn)場的生產(chǎn)情況，清晰地了解項目的進(jìn)展，便于對生產(chǎn)計劃作出調(diào)整，增強(qiáng)了生產(chǎn)計劃的適應(yīng)性和靈活性。并且可以根據(jù)生產(chǎn)情況合理安排物料的采購、存儲等環(huán)節(jié)，使資源得到更加有效的配置和利用。

結(jié)束語