電氣設備制造行業智能工廠研究

文/蔣昊松，肖 洋 蘇州蘇能集團有限公司 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與先進制造技術深度融合，貫穿于制造企業的研發、生產、管理和服務等制造活動的各個環節，能夠實現自感知、自決策、自執行的新型生產方式。電氣設備制造屬于離散型制造，通過建設智能工廠，可以打破生產過程的信息孤島，實現生產設備互聯互通、生產過程實時監控、高效利用企業資源，促進企業發展和產業升級。

在信息通信技術和先進制造技術融合發展的推動下，傳統制造正朝著以數據驅動整體資源配置，對制造過程實現精準控制的新一代智能制造不斷發展，不同行業的制造企業都在積極探索智能制造的應用以及智能工廠建設。電氣設備是支撐電力傳輸、配送和用電穩定的核心設備，是保障能源穩定安全供給和國民經濟發展的重要基礎。電氣設備制造行業是典型的離散制造模式，容易受到市場環境和用戶需求變化的影響，隨著勞動力等生產要素成本不斷上升、產品需求多樣化、行業內部競爭加劇，急需推進制造過程智能化，充分有效利用生產資源，使電氣裝備制造企業實現提質增效、轉型升級。

電氣設備制造行業現狀

目前電氣設備制造企業采用傳統制造模式進行生產時，存在設備分散，缺乏信息化支撐，在生產過程中無法及時獲取設備狀態信息等問題，導致生產信息滯后，生產過程透明度較低，不利于企業對生產過程進行有效管理。其次，在生產過程中，由于生產線不夠自動化、智能化，人工操作環節較多，因此生產效率較低。并且客戶需求的產品存在品種多、批量小等問題，難以形成標準化的生產流程，加大了生產線自動化改造的難度。

此外，傳統制造模式下，倉庫管理采用人工錄入的方式。但是物料的規格型號、數量等信息依賴人工確認容易出錯，并且很難對物料、半成品、成品的流動進行追蹤和追溯。由于物料的庫存量數據更新滯后，倉儲難以根據實際的生產情況確定物料的庫存量，如果安全庫存量設置不合理，可能會導致生產停滯。物料和產品出入庫時依賴人工質檢，檢驗數據由紙質文檔進行記錄，工作量大，不利于進行質量統計和追溯。

由于車間內部與外部溝通只能依賴于文檔，外部獲取的車間生產信息、物料信息存在延遲，不能及時根據車間實際情況對生產計劃進行調整。生產過程中，每道工序的紙質流程管理卡需要手工線下記錄，難以進行嚴格管理，所以對員工的工作量和失誤率進行統計時缺乏詳細的數據。當產品出現質量問題時，在追溯過程中，通過生產工序記錄進行排查，無法快速確定出現問題的工藝環節，生產責任無法落實到個人。前后工序之間的物料運送缺乏控制，會導致生產節奏變慢。這些因素都會對企業的生產效率和產品質量造成影響。

電氣設備制造智能工廠建設內容

智能制造的關鍵核心是數字化、網絡化和智能化。智能工廠將物聯網、大數據、人工智能等技術與制造企業的研發、生產、管理、服務等環節有效融合。結合電氣設備制造行業特點，通過融合工業通信、工業信息安全、數據處理分析及可視化等技術，可以實現機器設備互聯、生產過程全數字管理、物料和生產數據實時更新、設備遠程管理運維等功能，并且企業的產品制造產能可預期、物料可追蹤、產品出現質量問題可回溯。針對電氣設備產品存在品種多、批量小的特點，通過優化車間內的生產流程，提升物料配給效率和生產線的柔性化，可以實現按需生產，充分提高生產效率。

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

圖1 電氣設備制造智能工廠系統間交互示意圖

（1）智能工廠建設核心——MES

MES是面向車間執行層的生產信息管理系統，可以為企業提供包括生產計劃管理、物流配送管理、生產執行管理、人員和設備管理、質量管理等功能，是實施高效自動化生產安排、產品制造和質量檢驗的基礎。同時，MES可以實時采集車間內的設備異常信息，為生產過程中的異常處理、設備及時維修保養提供了便利。

以中低壓電氣柜生產企業為例，生產過程包括殼體加工、銅排加工、零部件檢測、裝配和實驗測試幾個環節。將生產線升級自動化后，可以利用二維碼、條形碼等電子標簽對物料、零部件或者產品進行標記，在關鍵工序處利用電子標簽對物料、零部件等進行信息收集。這些數據上傳到數據中心后，經過處理分析可以顯示在車間內的看板上，便于跟蹤在制品信息，實現流程與產量控制和工序流程管理。車間內所有設備實現聯網后，可以及時獲取設備當前的狀態信息，實現異常控制，并且可以為設備的保養維修提供預警信息。在質量管理方面，可以利用MES實現產品和物料的追溯，發現不合格產品時可以快速定位到是采購物料不合格、某個工序的設備故障或是操作人員失誤導致，通過統計數據可以幫助企業找到產品質量提升的路徑。

（2）倉庫管理數字化——WMS

WMS通過入庫、出庫、倉庫調撥等環節對庫存批次、物料對應、庫存盤點、質量檢驗等進行管理，可以有效控制并跟蹤倉庫業務和成本管理全過程，實現倉儲資源共享，降低企業成本。

企業內部建立智能倉儲物流系統后，利用WMS可以對倉庫內的貨位進行定義，實現倉儲透明化和可視化。物料入庫后，物料上的電子標簽信息和所存儲的貨位編號會進行關聯。倉庫內進行盤點時，可以獲得工位上物料的詳細入庫信息。并且出庫時，可以根據入庫時間優先選擇儲存時間長的物料，避免物料因積壓出現質量問題。在實現智能物流后，AGV可以通過貨位編號獲得領取物料貨位的坐標，自動前往目標貨位取貨，提升物流效率。

（3）企業資源計劃管理系統——ERP

ERP可以協調企業各管理部門圍繞市場導向，更加靈活地開展業務，快速響應市場的需求。ERP會將客戶訂單和銷售預測兩方面信息傳遞給MES，MES經過處理后會生產物料的采購訂單和自制件的生產工單。在生產過程中，MES會將物料配送和轉移信息、生產工單完成數量傳遞給ERP，使得非生產部門可以掌握車間的生產情況和物料使用情況。

（4）產品生命周期管理系統——PLM

PLM主要管理產品信息，可以支持產品開發、生產和維護的全過程。電氣產品的研發設計、生產工藝、物料信息等都可以在PLM中進行管理，這些信息會傳遞至MES中作為產品生產的依據。PLM與MES結合不僅可以提高生產靈活性，還能提高生產效率，并為產品的迭代優化、質量提升提供方法。

（5）供應商關系管理系統——SRM

SRM主要管理采購需求和上游供應商。MES會將物料需求傳遞給SRM，由SRM對供應商進行評估，并準確及時地完成采購。SRM既要面對企業內部的生產，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——APS

APS可以對企業內部的所有資源進行實施監控，包括物料狀態、設備和人員狀態、客戶需求等，并能根據這些條件生成一個有效精準的生產計劃，是智能工廠建設中最具核心價值的系統。針對電氣設備制造行業離散制造的特點，APS可以有效解決多工序、多物料、多人員的優化調度問題，實現時間成本最小化和資源利用率最大化目標。

實施效果

智能工廠建設前期需要對車間完成智能化改造。通過生產車間進行升級改造，建設數字化車間，實現了對車間內設備、人員和物料的高效管理，以及車間內、外部聯動。管理人員可實時獲取到車間現場的生產情況，清晰地了解項目的進展，便于對生產計劃作出調整，增強了生產計劃的適應性和靈活性。并且可以根據生產情況合理安排物料的采購、存儲等環節，使資源得到更加有效的配置和利用。

結束語