配網開關設備智能制造數字化工廠實踐及思考

徐 志

（寧夏力成電氣集團有限公司）

1 實施背景及目的

配網成套開關設備制造屬于電力機械傳統制造領域，與電力系統中高壓超高壓GIS等主網裝備相比，配網設備市場需求量大面廣、技術工藝門檻較低、同業競爭異常激烈、產品質量參差不齊。隨著國家對制造業核心競爭力提升的要求和企業向專精特新高質量方向發展，對國內眾多的配網設備制造企業提出了生存與發展現實問題：如何提升核心競爭力和高質量發展？智能制造是基于新一代信息通訊技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式［1］，利用智能制造新模式賦能傳統配網設備制造企業，無疑是轉型升級發展提升核心競爭力的手段之一。本文通過總結某企業實施配網中低壓設備數字化工廠的案例，闡述了在智能制造模式下按配網成套開關設備生命周期管理維度中的設計、生產、物流、銷售、服務一系列互相聯系的價值創造活動組成的鏈式集合［1］，重點對上述5個活動如何借助自動化、信息化實現智能制造進行闡述，并通過實施后應用數據的對比，提出了本領域產業生態鏈的思考和建議，供本領域內電力裝備制造業企業參考。

2 配網設備生命周期管理

2.1 基于PDM產品數據管理系統的平臺化協同設計

配網中低壓設備的設計主要是在滿足客戶應用工況需求基礎上，輸出工廠化工藝能力范圍內可執行文件。一方面由于國家、行業標準的約束以及企業產品型式試驗大綱設計的固化指標，配網設備的工程化設計不會100%非標定制化，相對來講容易實現標準化，而實現標準化設計的關鍵在于數據庫的建立；另一方面受工程項目進度控制的考慮，一般對設計的周期要求越短越好，可以給元器件采購和產品加工提供更長時間，而短時間內組織團隊協作完成結構設計（鈑金下料、沖孔、折彎圖及BOM）、電氣設計（元器件BOM、工程圖）、工藝設計（NC代碼、二次線束／母線加工）靠人為管理效率慢、問題多?？紤]以上兩個因素，在智能制造模式下可以采用產品數據管理PDM系統，如圖1統一的PDM數據庫平臺上組織結構、電氣、工藝協同設計，以及相關的仿真、審核、發布、變更等管理，同時把Solidworks／Superhens等CAD軟件、CAE軟件用接口與PDM系統集成起來，這樣隨著項目設計量的增加，庫資源就越豐富，設計中調用和借用標準圖的幾率越高，且不同設計之間的協同辦公很透明，較傳統的人為管理、圖紙文本化歸檔管理，設計效率可大幅提升。

圖1 基于PDM產品數據管理系統的配網設備協同設計示意圖

2.2 基于機器人、流水線、柔性加工方式的緊前同步生產

配網設備制造屬于離散型制造，是由用戶需求驅動的生產，這種情況下從用戶合同簽訂到生產交付，如按照單一化傳統生產方式：鈑金－柜體裝配－元器件安裝－母線制作－二次線下線制作－成品檢驗－出庫的串型作業，生產效率低履約不可控風險高。智能制造模式下的生產應該關注“一個核心兩個基礎”，“一個核心”即打破傳統單一化生產模式，如圖2采用全要素設計驅動的緊前同步生產模式，通過統一的任務劃分使元器件預定、鈑金件加工、二次線束預制和母線預制同步進行［2］，無需等待產品裝配工序交付半成品主動預制，把大部分工作量前移，最后再總裝配（柜體組裝、元器件安裝、二次線束安裝、母線安裝）完工檢驗出庫；“兩個基礎”的第一個基礎即采用機器換人、設備連線的自動化改造，把重復作業多、勞動強度大、技能依賴高的工序利用機器人、流水線、自動化裝備替代，比如，采用鈑金柔性制造系統代替傳統單機“剪板－轉序－沖孔－轉序－折彎－轉序”作業；采用機器人輔助＋柔性可重構工裝組成裝配作業代替傳統的人工裝配作業（圖3、圖4）；采用二次線束預制設備自動完成選線、下線、套線號、剝線皮、壓接線鼻子的工藝，生成各種規格的單根成品線［3］；第二個基礎是采用MES制造執行系統優化生產管理，如圖5把計劃管理、現場作業管理、質量管理、物料管理、設備管理、報表及可視化、人員管理等管理活動利用信息化系統使之透明、可視、可控，比如采用掃碼方式進行產品報工、報檢代替傳統工序流轉卡＋人工調度方式；采用IOT方式進行設備聯網實時監測設備運行代替設備定檢、巡檢等。“一個核心”的緊前同步生產是建立在“自動化改造、信息化管理”融合應用兩個基礎之上，不可或缺。

圖2 配網設備緊前同步并行生產方式示意圖

圖3 智能制造模式下的機器人＋柔性工裝的裝配

圖4 傳統模式下的人工定點裝配

圖5 配網設備制造執行MES系統架構圖

2.3 基于WMS物流倉儲系統和AGV的自動配送

傳統模式廠內物流都采用平面庫區＋人工發料（領料）的模式，庫管員勞動強度大且因人為作業容易造成材料實物領用與ERP出入庫系統賬實不符，導致成本核算不準確等問題。智能制造模式可采用立體庫＋WMS物流倉儲系統管理方式。入庫物料分為單件管理和批量管理，均嚴格執行一物一碼。出庫由ERP企業資源計劃系統按照PDM產品數據管理系統的工藝BOM清單，由采購到貨觸發自動生成材料出庫單，通過接口觸發WMS物流倉儲系統進而驅動堆垛機自動取料配貨，庫管員在已配物料上通過手持掃碼槍掃描條碼確認材料出庫，并自動觸發導引AGV小車集中將物料配送到流水線。這種全程由自動化裝備代替重復性人工作業和利用信息化系統自動記錄的物流方式，針對物料齊套率高的企業前作業效率和準確度更高，但如在資源有限或物料齊套率不高的情況下不推薦采用，通過加強庫房管理，沿用傳統模式也可達到不錯的效果，如圖6～圖8所示。

圖6 立體庫與堆垛機

圖7 導引AGV小車

圖8 掃碼確認出庫

2.4 基于CRM客戶關系管理系統的精準營銷

銷售環節作為配網設備制造企業的龍頭部門、關鍵環節，其營銷策略和客戶關系管理至關重要，獲取訂單持續性直接關系到數字化工廠效能釋放。傳統模式下的營銷主要靠業務人員的專業攻關和銷售政策激勵，忽略了市場分析和客戶黏性、市場商機等方面的數據價值。智能制造模式下可以采用CRM客戶關系管理系統把市場、客戶、業務經理信息通過信息化平臺統一管理、分析、服務。如圖9所示，采用漏斗銷售管理信息模型通過“項目信息、招投標信息、訂單合同、回款履約”等數據把客戶進行主動的按照“潛在客戶－跟進客戶－簽單客戶－優質客戶”標簽化管理，精準地篩選優質客戶建立長期合作關系；再如利用信息系統的算力和實時性把海量市場商機通過區域共享，協助業務人員線下洽談，避免傳統模式下業務人員內部無序、無效的活動和發生，提高接單成功率，控制銷售費用成本。

圖9 漏斗銷售管理在CRM系統中的信息模型示意圖

2.5 基于PHM設備健康管理模式下的遠程運維服務

配網開關設備的運維服務，對用戶安全可靠用電和配網制造企業的產品改進、客戶黏性乃至經營發展至關重要，傳統的配網設備運維管理并沒有建立科學有效健康評價體系，一般由用戶根據通用安全管理辦法配置電工值守和定期巡檢作為運維保障手段，在設備故障或異常發生后憑電工經驗進行排故和恢復供電，這種被動運維服務模式存在的問題：一是運維管理過于粗放。常見的表征設備健康狀況的內部指標沒有在線連續監測和可視化、可量化，不易及早發現隱患和問題；二是運維管理成本高，需要電工值守且故障后無計劃停電造成損失和應急修復成本較高；三是運維管理經驗沉淀少，事故分析處理沒有可參考的知識庫快速獲取到同類數據和信息，制造企業也很難獲得用戶工況下產品改進依據和意見，客戶的二次商機需求也沒有辦法與制造商快速有效共享［4］。在智能制造模式下可以借助工業互聯網平臺建設基于PHM設備健康管理模式下的遠程運維服務，利用融合物聯網、在線傳感器、人工智能、攝像頭等設備，按照圖10所示的分層分級五個步驟的配網設備健康評估模型對配網設備做健康評估進而實現預測型維護，并可形成設備數字檔案和工業知識庫，借助云數據庫提供基于大數據的精準運維服務。

圖10 配網設備健康評估模型示意圖

3 應用后存在問題及改進措施

項目實施完成通過近三年的應用指標數據統計，如表所示，在生產效率、綜合運營成本、產品設計周期、產品不良率方面均取得明顯變化，從生產能力角度支撐了企業核心競爭力的提升。

表 企業實施智能制造后三年與實施前的數據統計對比

從表中數據對比也可以發現一些問題，比如2020年企業綜合運行成本不降反增，生產效率也有所下降，結合企業2020年受疫情影響銷售訂單不足、上游原材料齊套率低的實際情況，也可以看出企業乃至配網設備制造行業實施智能制造在產業鏈生態方面還面臨的共性問題：一是市場拓展和銷售訂單獲取能力直接影響實施效果；二是原材料區域配套率亦制約產能釋放。針對上述問題，企業當前一方面通過繼續加強CRM客戶關系管理信息化系統深度建設，通過信息化平臺拓展渠道代理銷售、市場戰略合作等精準服務大客戶大市場來獲取訂單量；另一方面通過建設集采信用平臺供應商資源池、詢比價系統，以及融合供應鏈金融產品保障原材料的齊套率。

通過企業實施智能制造建設數字化工廠和不斷持續改進，企業在生產制造方面的競爭力不斷加強。上述問題雖沒有徹底解決，但從整個行業的產業生態角度來看，隨著產業鏈上下游實施智能制造建設數字化工廠的企業數量越多，在工業互聯網平臺協同共享方式下供應鏈、產業鏈的數據會越全、越透明，產業鏈上下游企業利用區域數據的互聯、互信、互認協同發展，上述問題在發展中會逐步得到解決。

4 結束語

本文通過配網開關設備制造企業實施智能制造建設數字化工廠的實踐案例出發，詳細闡述了配網產品在生命周期管理維度下采用基于PDM產品數據管理系統的平臺化協同設計，和基于機器人、流水線、柔性加工方式的緊前同步生產等5個互相關聯環節的典型做法和關鍵要點，對比傳統模式更具備的優勢或解決的問題等，最后通過企業應用后三年的數據統計分析，提出了以企業為典型的行業共性問題和改進思路。結果表明通過配網產品生命周期管理維度的智能制造實施，在數字化工廠生產效率、綜合運營成本、產品設計周期、產品不良率方面均取得明顯變化，從生產制造基礎方面提升了企業核心競爭力。