電力裝備制造業(yè)智能工廠規(guī)劃與實(shí)踐

王軍奎，王 凱，張葉同，2，韓 湘，彭金龍，孫燦良

（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）

1 引言

在當(dāng)前新形勢下，電力裝備企業(yè)發(fā)展面臨著雙重壓力。一方面，受國際政治與經(jīng)濟(jì)形勢、新冠肺炎疫情等因素影響，我國制造業(yè)受到了前所未有的沖擊，電力裝備行業(yè)具有技術(shù)和勞動密集型等特性，正面臨著國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革以及生產(chǎn)成本增高、價(jià)格競爭激烈、準(zhǔn)入門檻降低等考驗(yàn)。另一方面，隨著國家構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)及“雙碳”目標(biāo)的提出，新一代智能電網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展，對電力裝備制造行業(yè)提出了更高的要求。

全球范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，智能制造作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，日益成為新工業(yè)革命的關(guān)鍵支撐和重要基石，是我國制造業(yè)實(shí)現(xiàn)“追、趕、超”的重要手段。電力裝備行業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級，既能提升企業(yè)產(chǎn)品競爭力和效率效益，也支撐國家能源安全戰(zhàn)略和“一帶一路”建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)下能源轉(zhuǎn)型的必由之路。

某電力裝備制造企業(yè)以智能制造為發(fā)展戰(zhàn)略，以打造國內(nèi)電力裝備智能制造示范和領(lǐng)先企業(yè)為遠(yuǎn)景目標(biāo)，構(gòu)建以“生產(chǎn)設(shè)備智能激活”“生產(chǎn)過程數(shù)字賦能”“精益生產(chǎn)管理創(chuàng)新”為核心的智能工廠頂層規(guī)劃。加快智能產(chǎn)線、智能車間和智能工廠的規(guī)劃和實(shí)踐，以智能制造示范項(xiàng)目方式推進(jìn)智能產(chǎn)線建設(shè)，著力開展信息化深度應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)企業(yè)從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造、從產(chǎn)品制造向品牌制造、從局部中高端制造向全面中高端制造、從國內(nèi)制造向全球化制造等發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。本文總結(jié)了該企業(yè)智能工廠規(guī)劃與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及智能制造示范效益，為我國電力裝備制造業(yè)探索智能制造提供借鑒與參考。

2 智能工廠規(guī)劃

該企業(yè)以打造電力裝備二次行業(yè)智能工廠標(biāo)桿為目標(biāo)愿景，到2025年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能翻番、收入翻番、利潤翻番，智能制造能力成熟度達(dá)到三級以上，深挖價(jià)值增長點(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理、個性化定制、智能化制造、服務(wù)化延伸，助力企業(yè)提質(zhì)量、降成本、增效益、減庫存，如圖1所示。

圖1 智能工廠規(guī)劃藍(lán)圖

智能工廠規(guī)劃主要依據(jù)“統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實(shí)施，協(xié)同推進(jìn)，并行發(fā)展”的原則，采取“三步走”策略，即生產(chǎn)設(shè)備智能激活——“自動化建設(shè)”，生產(chǎn)過程數(shù)字賦能——“信息化建設(shè)”，精益生產(chǎn)管理創(chuàng)新——“生產(chǎn)體系重構(gòu)”，這也是“以制造為根、以數(shù)據(jù)為魂，以體系為魄，以可持續(xù)發(fā)展為本”的智能制造轉(zhuǎn)型升級理念，將智能制造優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為企業(yè)可持續(xù)核心競爭優(yōu)勢，促進(jìn)企業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展。

2.1 生產(chǎn)設(shè)備智能激活

現(xiàn)有核心產(chǎn)線覆蓋了從元器件入廠測試、貼插裝、板卡測試、裝置測試、屏柜裝配到艙體組裝全制程。遵循“建好、用好、聯(lián)好”的基本原則，按照“育珠→串鏈→結(jié)網(wǎng)”智能制造推進(jìn)路線，重點(diǎn)開展智能單元建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器代人”、物流自動化、關(guān)鍵工序組裝自動化和測試自動化，充分激活核心產(chǎn)線效能。

（1）推進(jìn)路線

電力裝備制造企業(yè)推進(jìn)智能制造的路徑，可以形象地比喻為“育珠→串鏈→結(jié)網(wǎng)”，如圖2所示。生產(chǎn)設(shè)備智能激活的主要任務(wù)就是培育智能單元，建成智能產(chǎn)線，為智能工廠建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖2 從智能單元到實(shí)現(xiàn)智能制造的演進(jìn)路線圖

“育珠”即著力培育智能單元。從小微改造做起，即以較小投入成本，應(yīng)用最新的先進(jìn)技術(shù)成果和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行針對性改造，如給設(shè)備裝上新部件、新裝置、新附件，以改善現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)性能，使之達(dá)到或局部達(dá)到最為適宜的功能水平。智能單元就是利用自動化、信息化手段對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造升級，不僅降低生產(chǎn)制造成本，提升企業(yè)獲利能力，而且可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)的采集，具備信息輸入與輸出的能力。

“串鏈”即逐步構(gòu)建智能工廠。多個智能單元基于信息化系統(tǒng)的集成形成智能產(chǎn)線，多條智能產(chǎn)線基于信息化系統(tǒng)與生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)間的集成形成智能車間，多個智能車間基于信息化系統(tǒng)與企業(yè)運(yùn)營各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的集成形成智能工廠。

“結(jié)網(wǎng)”即打造智能制造生態(tài)?；谥悄芄S，深化應(yīng)用新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)全價(jià)值鏈的智能化升級轉(zhuǎn)型。構(gòu)建智能化網(wǎng)絡(luò)生態(tài)，增強(qiáng)供應(yīng)鏈產(chǎn)業(yè)鏈的彈性和韌性，保障企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

（2）智能單元

智能單元是實(shí)現(xiàn)智能制造的基本單元，是智能制造推進(jìn)的有效抓手。由用于一種（或多種）原材料的轉(zhuǎn)換、加工、分離或反應(yīng)等制造環(huán)節(jié)，生產(chǎn)出中間產(chǎn)品（或最終產(chǎn)品）的一組能力相近的生產(chǎn)設(shè)備組成（加工設(shè)備和輔助設(shè)備）。

智能單元可以是單臺（套）設(shè)備，也可以是一組能力相近的設(shè)備組成的單元線，也可以是一條完整流水線中的某個設(shè)備或多個能力相近的設(shè)備組成的功能模塊。

智能單元應(yīng)針對產(chǎn)品或工序，具備某種獨(dú)立功能，如上料、加工、裝配、測試等功能，具有模塊化、自動化、信息化等特征，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)和信息的自動采集交互，如圖3所示。

圖3 智能單元主要特征

2.2 生產(chǎn)過程數(shù)字賦能

結(jié)合現(xiàn)狀統(tǒng)籌考慮數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)開發(fā)與維護(hù)、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)資源等要素，建設(shè)能提供數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)匯聚融合、數(shù)據(jù)分析等多種形式的統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心，打通信息數(shù)據(jù)“孤島”，支撐生產(chǎn)、安全等各專業(yè)數(shù)據(jù)分析類應(yīng)用的構(gòu)建。橫向聯(lián)通各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為各系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐；縱向貫通生產(chǎn)制造執(zhí)行信息系統(tǒng)（MES），為生產(chǎn)管控提供實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)，為決策提供必要支撐。前端與供應(yīng)鏈協(xié)同制造，優(yōu)化生產(chǎn)交付及存貨管理，在線進(jìn)行供應(yīng)商工藝管理、質(zhì)量管理等，降低管理成本；后端為政府部門及客戶提供必要的數(shù)據(jù)服務(wù)，提高客戶滿意度。最終打造以數(shù)據(jù)服務(wù)為中心的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺生態(tài)，為智能制造轉(zhuǎn)型發(fā)展提供平臺支撐。

物聯(lián)系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)應(yīng)包含生產(chǎn)指揮管理、過程監(jiān)造、資源調(diào)配、安全/質(zhì)量控制、數(shù)字協(xié)同、遠(yuǎn)程運(yùn)維、數(shù)據(jù)共享服務(wù)等模塊，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)融合貫通、數(shù)據(jù)共享透明，支撐數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，如圖4所示。

圖4 物聯(lián)系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)

2.3 精益生產(chǎn)管理創(chuàng)新模式

在初步實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)設(shè)備智能激活”和“生產(chǎn)過程數(shù)字賦能”基礎(chǔ)上，全面梳理生產(chǎn)管理體系現(xiàn)狀，逐項(xiàng)分析現(xiàn)存問題，明確優(yōu)化目標(biāo)及實(shí)施計(jì)劃。圍繞企業(yè)提質(zhì)、降本、增效、減存等價(jià)值點(diǎn)，創(chuàng)新性構(gòu)建一種基于訂單拉動的生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、可視化、均衡化、準(zhǔn)時(shí)化、自愈化的精益生產(chǎn)管理新模式，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理、個性化定制、智能化制造、服務(wù)化延伸，如圖5 所示。

圖5 精益生產(chǎn)管理體系新模式

3 智能工廠實(shí)踐

電力裝備二次行業(yè)大多屬于典型的離散型制造，該企業(yè)為實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展需求，以智能制造示范項(xiàng)目方式推進(jìn)，著力開展自動化實(shí)踐與創(chuàng)新。

3.1 自動化建設(shè)

針對裝置、屏柜、預(yù)制艙三種核心產(chǎn)品建設(shè)智能化產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了自動送料、自動裝配、自動檢測，逐步提高生產(chǎn)線智能化水平。

（1）裝置測試智能產(chǎn)線

產(chǎn)線應(yīng)用七軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)裝置與測試設(shè)備的快速定位對接，通過掃碼識別裝置身份，自動調(diào)取裝置測試程序，結(jié)果智能判定，快速完成裝置自動測試。

測試針盤采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)和裝置配送的狀況，在不同產(chǎn)品系列間自動快速切換、自動測試，測試記錄自動生成并上傳后臺數(shù)據(jù)系統(tǒng)，如圖6 所示。

圖6 裝置測試智能產(chǎn)線工作場景

（2）屏柜裝配智能產(chǎn)線

產(chǎn)線采用自動掃碼身份識別，從“人找設(shè)備”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)備自動找人”?；谥悄苌a(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，使用夾抱式AGV運(yùn)轉(zhuǎn)屏柜，實(shí)現(xiàn)屏柜自動上線，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器代人”，如圖7所示。

圖7 屏柜裝配智能產(chǎn)線工作場景

產(chǎn)線每個工位配備電子看板，生產(chǎn)圖樣、作業(yè)指導(dǎo)書、工單等通過系統(tǒng)自動下發(fā)，生產(chǎn)過程文檔自動記錄。通過不斷改善，將工藝知識庫沉淀到自動化設(shè)備和系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序工藝操作自動提醒。

（3）艙體組裝智能產(chǎn)線

為了適應(yīng)用戶個性化、多樣性需求，降低生產(chǎn)復(fù)雜性，解決生產(chǎn)瓶頸，將二次預(yù)制艙產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化為3種尺寸、7種布置方案。同時(shí)，協(xié)同供應(yīng)商將內(nèi)部裝修、輔助電氣設(shè)備預(yù)制于模塊內(nèi)部，從而降低預(yù)制艙加工難度。

產(chǎn)線由MES調(diào)度AGV轉(zhuǎn)運(yùn)艙體，采用七軸機(jī)器人、圖像識別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物料智能識別、預(yù)制艙自動定位、地板自動鋪設(shè)和屏柜自動進(jìn)艙，提高生產(chǎn)過程的智能化水平，如圖8所示。

圖8 艙體組裝智能產(chǎn)線工作場景

3.2 信息化建設(shè)

推進(jìn)信息化深度應(yīng)用，先后建設(shè)企業(yè)資源管理ERP、客戶關(guān)系管理CRM、產(chǎn)品生命周期管理PLM、協(xié)同辦公OA、運(yùn)營監(jiān)控等信息系統(tǒng)。2020年，建設(shè)完成MES系統(tǒng)，作為智能產(chǎn)線與ERP等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的貫通橋梁，以生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享及制造過程透明為主線，以生產(chǎn)主計(jì)劃管理、設(shè)計(jì)進(jìn)度管理、采購計(jì)劃管理、生產(chǎn)進(jìn)度管理、發(fā)運(yùn)管理、合同訂單管理等業(yè)務(wù)為支撐，與生產(chǎn)各環(huán)節(jié)計(jì)劃執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、信息高效傳遞相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程數(shù)字化管控。2021年實(shí)現(xiàn)移動端應(yīng)用，大幅度提升管理效率。

4 示范效益

通過智能制造頂層規(guī)劃和實(shí)踐，優(yōu)化企業(yè)資源配置，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)能和制造品質(zhì)，將智能制造優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展核心競爭優(yōu)勢。

經(jīng)濟(jì)效益：裝置測試時(shí)間從原來33 min/臺減少至5 min/臺，屏柜裝配生產(chǎn)周期由4天壓縮到2天，產(chǎn)能提升到25 000面/年，單臺艙體裝配時(shí)間由82 h減少到38 h，人工減少40%。整體來看，管理效率提升超10%，整體生產(chǎn)效率提升25%以上，產(chǎn)能提升5億元以上，智慧變電站交付周期90天，處于行業(yè)領(lǐng)先水平，支撐業(yè)務(wù)快速增長。

技術(shù)效益：實(shí)現(xiàn)了裝置測試自動檢測、裝配調(diào)試過程記錄數(shù)字化，生產(chǎn)過程可視化；針對裝置測試、屏柜進(jìn)艙、地板鋪設(shè)等關(guān)鍵工序自主開發(fā)設(shè)計(jì)多個工藝設(shè)備。關(guān)鍵技術(shù)取得突破，多項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

社會效益：通過自動化、智能化設(shè)備的改造，減少噪聲、粉塵、有害氣體排放等污染，構(gòu)建了低碳、綠色、友好的生產(chǎn)環(huán)境，員工幸福指數(shù)大幅度提高。在中山同福變電站、青海共和風(fēng)電場、南川工業(yè)園等重點(diǎn)示范工程提供高質(zhì)量產(chǎn)品，快速滿足用戶交付需求，獲得相關(guān)政府和客戶一致好評。

5 結(jié)束語

我國電力裝備行業(yè)發(fā)展的著力點(diǎn)不在于追求更高的增速，而在于正確處理好增長速度與結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、效益、環(huán)境保護(hù)等重大關(guān)系，改善和提升產(chǎn)業(yè)整體素質(zhì)，著力提高技術(shù)創(chuàng)新能力、國際競爭力和可持續(xù)發(fā)展 能力。

本文提出了一種以“生產(chǎn)設(shè)備智能激活”“生產(chǎn)過程數(shù)字賦能”“精益生產(chǎn)管理創(chuàng)新”為核心的智能工廠頂層規(guī)劃，以智能制造示范項(xiàng)目方式推進(jìn)智能產(chǎn)線建設(shè)，著力開展信息化深度應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級。通過某電力裝備企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，本文提出的智能工廠規(guī)劃具有可行性并取得了一定成效，為我國電力裝備制造業(yè)探索智能制造提供了一定的參考。