大型電力裝備企業智能制造實踐之路

張葉同，王軍奎，史 健，孫燦良，張 豪

（1. 許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；2. 華北電力大學 機械工程系，河北 保定 071003；3. 北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 100085）

1 引言

電力裝備是支撐各級電網發電、輸電、配電、用電穩定運行的核心設備，是實現能源安全穩定供給和國民經濟持續健康發展的基礎。電力裝備被列入《中國制造2025》十大支持領域，持續推進電力裝備企業生產模式和商業模式的轉變，向著數字化、智能化轉型發展。近幾年，我國在大型發電、特高壓輸變電、智能電網成套裝備等領域已經達到世界領先水平。

“十三五”以來，智能制造推廣應用成效明顯，試點示范項目生產效率平均提高45%，產品研制周期平均縮短35%，產品不良品率平均降低35%，涌現出網絡協同制造、大規模個性化定制、遠程運維服務等新模式新業態。

某大型電力裝備企業通過外部環境形勢分析，評估智能制造能力成熟度，分析核心產品現狀價值流，總結提煉現狀問題，以精益思想為指導，以智能制造為手段，進行智能工廠頂層設計，構建了一個在多品種小批量定制化生產模式下，快速交付、快速服務的智能工廠藍圖。在智能工廠頂層設計框架下，積極開展磁控柱上開關智能生產線、一二次融合環保型配電開關設備智能生產線、聯調測試系統建設等具有延續性、實用性的系列化智能制造示范項目，整體生產制造水平大幅度提升。其中，磁控柱上開關智能生產線攻克了自動裝配、自動耐壓測試、自動聯調測試等行業性技術難題，達到國際領先水平。本文總結了該企業智能工廠藍圖頂層設計、智能工廠規劃實施方案的方法論，分享了具有代表性的智能制造實踐案例，并提出未來展望，為電力裝備企業探索實踐智能制造提供參考。

2 智能工廠藍圖頂層設計

從外部形勢環境分析切入，評估智能制造能力成熟度，分析核心產品現狀價值流，總結提煉現狀問題，結合SWOT分析方法，確定智能工廠目標愿景和藍圖，完成智能工廠頂層設計。智能制造是復雜的系統性工程，智能工廠頂層設計是制造企業實現智能化轉型的首要任務，否則任何智能制造實踐活動都是“無根之萍”。

2.1 外部環境分析

制造企業進行智能工廠頂層設計，繪制智能工廠未來藍圖，要結合企業自身實際、行業特性，充分考慮國家戰略導向、需求升級變化、企業模式變革及新一代制造技術應用等因素。

（1）國家戰略導向

“十三五”以來，智能制造形成了央地緊密配合、多方協同推進的工作格局，我國智能制造發展取得長足進步。國家陸續發布《中國制造2025》《智能制造發展規劃（2016－2020年）》《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》《“十四五”智能制造發展規劃》等重要政策文件，智能制造支撐體系逐步完善。同時，構建了國際先行的標準體系，發布國家標準300余項，主導制定國際標準42項；培育具有行業和區域影響力的工業互聯網平臺近100個。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，因地制宜地發展智能制造產業，在智能制造鏈條上誕生了大量的產業園區，孕育了一大批智能制造產業鏈企業。

（2）需求升級變化

隨著市場經濟體制不斷完善與發展，企業應以客戶為中心，所有活動應滿足客戶個性化定制需求。國家電網和南方電網加快數字化轉型，電力系統對配套設備的質量和可靠性要求逐漸提高，電力裝備行業將朝著智能化、免維護、環保性、小型化、集成化方向發展，如圖1所示。

圖1 電力裝備發展方向

（3）企業模式變革

智能制造不僅帶來的是生產方式變化，還帶來生產關系的變化。企業的商業模式將由以企業為中心轉變為以滿足用戶體驗為中心，由提供產品轉變為提供服務。制造模式也隨之變革，從傳統制造到現代制造，再演進至智能制造，見表1。

表1 制造模式變革演進

（4）新一代制造技術

新一代信息技術與工業深度融合必將深刻影響制造業發展，必須重點關注并結合實際探索應用。人工智能、區塊鏈、云計算、大數據、物聯網、量子計算、5G等新一代智能制造技術逐漸趨于成熟，成本也愈來愈低。目前，智能制造裝備國內市場滿足率超過50%，主營業務收入超10億元的系統解決方案供應商達43家。正如朱森第所說，“只有熱情擁抱新技術，當使用時才不會陌生與抵觸。”

2.2 企業現狀評估

（1）智能制造能力成熟度評估

依據《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估方法》評估出企業整體制造水平，識別能力弱項，明確發展目標和投資方向。中國電子技術標準化研究院為更好地服務于制造業轉型升級，開發了智能制造評估評價公共服務平臺（www.c3mep.cn）。制造企業可通過平臺進行注冊，在平臺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智能制造整體水平，幫助企業識別當前智能制造發展現狀，提供與同行業同地區企業對比分析報告，如圖2所示。

圖2 智能制造能力成熟度評估報告部分內容

（2）精益價值流分析

通過價值流分析主要產品的主要矛盾。電力裝備企業一般的共性問題點：一是市場模式、需求與供應鏈能力的矛盾；二是工程項目決定了多品種小批量的訂單結構，對研發、制造的柔性能力提出較高要求；三是內部信息化系統較多，但暫沒有深度集成，系統與系統之間需要人為進行鏈接，信息不能及時共享和反饋。

2.3 SWOT分析

結合外部環境分析與企業現狀評估，進行SWOT分析，用系統的思想將所有相關因素相互匹配起來進行綜合分析，使得智能工廠藍圖的制定更加科學全面。該企業SWOT分析結果如圖3所示。

圖3 SWOT分析結果

2.4 定位與目標

在進行智能工廠藍圖設計之前，還應對未來企業發展進行準確定位，設置明確的目標。其中，定位應有一定的前瞻性和聚焦性，目標要有確定的指標數據支撐，如營收規模、市場占有率、經營指標、行業地位等。該電力裝備企業智能工廠的定位與目標，如圖4所示。

圖4 智能工廠藍圖（理想圖）

圖4 智能工廠定位與目標

2.5 藍圖設計

（1）理想圖

以精益思想為指導，以智能制造為手段，構建未來智能工廠的藍圖，完成頂層設計，如圖5所示。智能工廠藍圖一般涵蓋以下6方面的內容。

圖5 智能工廠現狀

1）基礎設施：網絡、機房、云服務和信息安全等，支撐硬件設備。

2）硬件設備：產線、機器人、立庫、自動設備和智能辦公等，通過接口協議系統向外輸出數據。

3）平臺技術：PLC、IPC、CNC-DCS、SCADA，監測人員設備工藝物料物流能耗等數據，匯入中臺。

4）軟件應用：數據分析，制造執行管理系統，MES、WMS、PLM、CRM等業務系統。

5）運營管理：人財物資源管理，SAP、運營監控等。

6）戰略規劃：對系統數據ETL抽取/轉化、BI等，實現生產管理、產能規劃、客情分析等。

（2）現狀圖

在理想圖上，目視化區分出現有狀態和當前模式，反映出現狀與理想的差異。待完善和缺口的部分將是智能工廠實施的重點內容。

3 智能工廠規劃實施方案

智能化工廠規劃實施方案遵照“頂層設計、標準引領、精益為基、系統實施、集成應用”的指導方針，統籌推進智能制造項目建設和系統應用。

3.1 智能工廠實施方案氣泡圖

依據智能工廠現狀圖，將待完善和缺口的部分進行歸集，按照重要性、緊迫性排入各區間。第一區間措施優先規劃到近兩年關鍵任務，第二、三區間以此類推。如圖6所示。

圖6 智能工廠實施氣泡圖

3.2 智能工廠實施方案路線圖

在智能工廠頂層設計框架下，提出具體任務清單。再依據每年重點不同，分別定義為智能工廠的啟動年、模塊優化年、要素互聯年、智能應用年、智能體系年。如圖7所示。

圖7 智能工廠實施路線圖

3.3 智能工廠規劃實施注意事項

（1）實施原則：智能制造不是目的，其目的是提升企業核心競爭優勢；智能制造不可能一蹴而就，需要長期的努力和變革；智能制造不是自動化改造，其根本是企業模式的變化；多品種，小批量企業不要盲目推進“無人工廠”。

（2）實施策略：整體規劃、分步實施、量身定制、量力而行、小步快跑。

（3）實施重點：智能工廠規劃實施是為了戰略與經營服務；智能工廠實施的基礎是標準化與精益化；項目與流程的順利執行需要建立推行組織與制度的約束；軟硬件是工具，工具能效的發揮需要因地制宜設計和整個組織統一思想。

4 智能制造實踐

某大型電力裝備企業按上述智能工廠藍圖頂層設計、智能工廠規劃實施方案的方法論，逐步實施智能化轉型升級，以提升生產制造水平和公司綜合競爭力。因篇幅有限，將重點介紹智能制造項目關鍵措施、以磁控柱上開關智能化產線為代表的示范意義。

4.1 項目關鍵措施

采取以下措施保證投資一個項目，建好一個項目，實用化一個項目，并取得實效一個項目。

（1）強化產品工藝，為智能制造打牢基礎

優化工藝管理體系架構，提高工藝人員技術素質和專業能力；強化產品工藝管理、牽引工藝改進、開展工藝攻關，深入產品工藝技術研究，分析影響產品質量、效率、成本等因數，從產品設計、生產裝配以及外協加工等各個環節提高產品的可制造性和可測試性。

（2）加快信息化建設助推智能制造

規劃建設生產制造執行系統（MES），設置可視化硬件，實現生產全過程的可視化管理，同時具有生產數據、測試數據自動記錄、存儲、統計分析功能，實現生產裝配過程物料配送精準化，測試數據準確、客觀，以實現數字化、信息化、智能化生產。

（3）實施周、月、季度計劃與總結推進方式

按年度計劃，實施周報、雙周報、月報及進度總結方式有力推進和考核，確保項目按期完成。

（4）目標導向，強化項目過程評審及驗收標準

按研發項目過程管控要求，加強項目前期方案的評審，確保項目建設方案符合公司產品生產制造需求。項目完成建設及投入試運行后，組織公司級項目驗收小組，科學客觀評價項目完成情況和達成的效果，并與項目規劃建設目標進行對比評估，確保項目建設質量達標。

4.2 示范意義

（1）技術效益

自主設計了極柱涂膠專機1套，密封圈自動裝配專機1套，機構擰緊專機1套，自動磨合工作站1套，耐壓、聯調測試自動接線專機各1套。攻克了一二次融合裝備領域自動裝配、自動耐壓測試、自動聯調測試等行業性技術難題，達到國際領先水平。

（2）經濟效益

磁控配電開關自動化生產線建成后，主要工位由機器人替代人工裝配和測試。整線設有4個全自動化裝配工位、3個自動化專機裝配工位、4個全自動測試工位、一個自動下線工位，生產人員數量由14人較少至3人，生產效率提升了3倍以上，產品合格率由98.5%提升到99.9%，達到每8分鐘生產下線一臺，單線年產能超2萬臺，產值達10億元。

（3）社會效益

智能電網的快速建設與發展對中低壓輸配電裝備可靠性和質量提出了更高的要求。要求我們電力裝備制造企業通過一系列項目建設，向數字化車間、數字化工廠到智能工廠轉變，由傳統制造型企業向制造服務型企業創新升級、轉型發展，全面實現智能制造。智能配電設備磁控配電開關智能制造典型應用場景建設和示范，為公司帶來效率效益同時，還帶動了電力裝備制造企業創新升級、轉型發展。

（4）推廣應用

以智能配電產品（智能柱上開關、環網柜和配電控制終端設備）為主體，以磁控柱上開關智能制造典型應用場景為示范，開發、引進環網柜和配電控制終端設備各個工位的自動化專機設備，實現智能配電產品裝配自動化、移載運轉自動化、測試自動化的全面自動化，推進智能配電設備智能制造和數字化工廠示范工程建設。

5 結束語

本文提出了通過外部環境形勢分析，評估智能制造能力成熟度，分析核心產品現狀價值流，總結提煉現狀問題，以精益思想為指導，以智能制造為手段，進行智能工廠頂層設計、智能工廠規劃實施方案的方法論，總結了智能工廠規劃實施注意事項。通過智能制造項目實踐案例，驗證了基于該方法論推進智能制造的可行性，以供電力裝備企業探索實踐智能制造參考。

制造企業智能化轉型是一條坎坷曲折，但又不得不走的道路。站在新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式的歷史性交匯點，要堅定不移地以智能制造為主攻方向，推動產業技術變革和優化升級，推動制造業產業模式和企業形態根本性轉變，促進我國制造業邁向全球價值鏈中高端。