大型电力装备企业智能制造实践之路

张叶同，王军奎，史 健，孙灿良，张 豪

（1. 许继集团有限公司，河南 许昌 461000；2. 华北电力大学 机械工程系，河北 保定 071003；3. 北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100085）

1 引言

电力装备是支撑各级电网发电、输电、配电、用电稳定运行的核心设备，是实现能源安全稳定供给和国民经济持续健康发展的基础。电力装备被列入《中国制造2025》十大支持领域，持续推进电力装备企业生产模式和商业模式的转变，向着数字化、智能化转型发展。近几年，我国在大型发电、特高压输变电、智能电网成套装备等领域已经达到世界领先水平。

“十三五”以来，智能制造推广应用成效明显，试点示范项目生产效率平均提高45%，产品研制周期平均缩短35%，产品不良品率平均降低35%，涌现出网络协同制造、大规模个性化定制、远程运维服务等新模式新业态。

某大型电力装备企业通过外部环境形势分析，评估智能制造能力成熟度，分析核心产品现状价值流，总结提炼现状问题，以精益思想为指导，以智能制造为手段，进行智能工厂顶层设计，构建了一个在多品种小批量定制化生产模式下，快速交付、快速服务的智能工厂蓝图。在智能工厂顶层设计框架下，积极开展磁控柱上开关智能生产线、一二次融合环保型配电开关设备智能生产线、联调测试系统建设等具有延续性、实用性的系列化智能制造示范项目，整体生产制造水平大幅度提升。其中，磁控柱上开关智能生产线攻克了自动装配、自动耐压测试、自动联调测试等行业性技术难题，达到国际领先水平。本文总结了该企业智能工厂蓝图顶层设计、智能工厂规划实施方案的方法论，分享了具有代表性的智能制造实践案例，并提出未来展望，为电力装备企业探索实践智能制造提供参考。

2 智能工厂蓝图顶层设计

从外部形势环境分析切入，评估智能制造能力成熟度，分析核心产品现状价值流，总结提炼现状问题，结合SWOT分析方法，确定智能工厂目标愿景和蓝图，完成智能工厂顶层设计。智能制造是复杂的系统性工程，智能工厂顶层设计是制造企业实现智能化转型的首要任务，否则任何智能制造实践活动都是“无根之萍”。

2.1 外部环境分析

制造企业进行智能工厂顶层设计，绘制智能工厂未来蓝图，要结合企业自身实际、行业特性，充分考虑国家战略导向、需求升级变化、企业模式变革及新一代制造技术应用等因素。

（1）国家战略导向

“十三五”以来，智能制造形成了央地紧密配合、多方协同推进的工作格局，我国智能制造发展取得长足进步。国家陆续发布《中国制造2025》《智能制造发展规划（2016－2020年）》《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》《“十四五”智能制造发展规划》等重要政策文件，智能制造支撑体系逐步完善。同时，构建了国际先行的标准体系，发布国家标准300余项，主导制定国际标准42项；培育具有行业和区域影响力的工业互联网平台近100个。近年来，深圳、江苏、上海、重庆、广东等地方政府大力支持智能制造，因地制宜地发展智能制造产业，在智能制造链条上诞生了大量的产业园区，孕育了一大批智能制造产业链企业。

（2）需求升级变化

随着市场经济体制不断完善与发展，企业应以客户为中心，所有活动应满足客户个性化定制需求。国家电网和南方电网加快数字化转型，电力系统对配套设备的质量和可靠性要求逐渐提高，电力装备行业将朝着智能化、免维护、环保性、小型化、集成化方向发展，如图1所示。

图1 电力装备发展方向

（3）企业模式变革

智能制造不仅带来的是生产方式变化，还带来生产关系的变化。企业的商业模式将由以企业为中心转变为以满足用户体验为中心，由提供产品转变为提供服务。制造模式也随之变革，从传统制造到现代制造，再演进至智能制造，见表1。

表1 制造模式变革演进

（4）新一代制造技术

新一代信息技术与工业深度融合必将深刻影响制造业发展，必须重点关注并结合实际探索应用。人工智能、区块链、云计算、大数据、物联网、量子计算、5G等新一代智能制造技术逐渐趋于成熟，成本也愈来愈低。目前，智能制造装备国内市场满足率超过50%，主营业务收入超10亿元的系统解决方案供应商达43家。正如朱森第所说，“只有热情拥抱新技术，当使用时才不会陌生与抵触。”

2.2 企业现状评估

（1）智能制造能力成熟度评估

依据《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评估方法》评估出企业整体制造水平，识别能力弱项，明确发展目标和投资方向。中国电子技术标准化研究院为更好地服务于制造业转型升级，开发了智能制造评估评价公共服务平台（www.c3mep.cn）。制造企业可通过平台进行注册，在平台上完成智能制造能力成熟度自诊断，通过自诊断可判定企业智能制造整体水平，帮助企业识别当前智能制造发展现状，提供与同行业同地区企业对比分析报告，如图2所示。

图2 智能制造能力成熟度评估报告部分内容

（2）精益价值流分析

通过价值流分析主要产品的主要矛盾。电力装备企业一般的共性问题点：一是市场模式、需求与供应链能力的矛盾；二是工程项目决定了多品种小批量的订单结构，对研发、制造的柔性能力提出较高要求；三是内部信息化系统较多，但暂没有深度集成，系统与系统之间需要人为进行链接，信息不能及时共享和反馈。

2.3 SWOT分析

结合外部环境分析与企业现状评估，进行SWOT分析，用系统的思想将所有相关因素相互匹配起来进行综合分析，使得智能工厂蓝图的制定更加科学全面。该企业SWOT分析结果如图3所示。

图3 SWOT分析结果

2.4 定位与目标

在进行智能工厂蓝图设计之前，还应对未来企业发展进行准确定位，设置明确的目标。其中，定位应有一定的前瞻性和聚焦性，目标要有确定的指标数据支撑，如营收规模、市场占有率、经营指标、行业地位等。该电力装备企业智能工厂的定位与目标，如图4所示。

图4 智能工厂蓝图（理想图）

图4 智能工厂定位与目标

2.5 蓝图设计

（1）理想图

以精益思想为指导，以智能制造为手段，构建未来智能工厂的蓝图，完成顶层设计，如图5所示。智能工厂蓝图一般涵盖以下6方面的内容。

图5 智能工厂现状

1）基础设施：网络、机房、云服务和信息安全等，支撑硬件设备。

2）硬件设备：产线、机器人、立库、自动设备和智能办公等，通过接口协议系统向外输出数据。

3）平台技术：PLC、IPC、CNC-DCS、SCADA，监测人员设备工艺物料物流能耗等数据，汇入中台。

4）软件应用：数据分析，制造执行管理系统，MES、WMS、PLM、CRM等业务系统。

5）运营管理：人财物资源管理，SAP、运营监控等。

6）战略规划：对系统数据ETL抽取/转化、BI等，实现生产管理、产能规划、客情分析等。

（2）现状图

在理想图上，目视化区分出现有状态和当前模式，反映出现状与理想的差异。待完善和缺口的部分将是智能工厂实施的重点内容。

3 智能工厂规划实施方案

智能化工厂规划实施方案遵照“顶层设计、标准引领、精益为基、系统实施、集成应用”的指导方针，统筹推进智能制造项目建设和系统应用。

3.1 智能工厂实施方案气泡图

依据智能工厂现状图，将待完善和缺口的部分进行归集，按照重要性、紧迫性排入各区间。第一区间措施优先规划到近两年关键任务，第二、三区间以此类推。如图6所示。

图6 智能工厂实施气泡图

3.2 智能工厂实施方案路线图

在智能工厂顶层设计框架下，提出具体任务清单。再依据每年重点不同，分别定义为智能工厂的启动年、模块优化年、要素互联年、智能应用年、智能体系年。如图7所示。

图7 智能工厂实施路线图

3.3 智能工厂规划实施注意事项

（1）实施原则：智能制造不是目的，其目的是提升企业核心竞争优势；智能制造不可能一蹴而就，需要长期的努力和变革；智能制造不是自动化改造，其根本是企业模式的变化；多品种，小批量企业不要盲目推进“无人工厂”。

（2）实施策略：整体规划、分步实施、量身定制、量力而行、小步快跑。

（3）实施重点：智能工厂规划实施是为了战略与经营服务；智能工厂实施的基础是标准化与精益化；项目与流程的顺利执行需要建立推行组织与制度的约束；软硬件是工具，工具能效的发挥需要因地制宜设计和整个组织统一思想。

4 智能制造实践

某大型电力装备企业按上述智能工厂蓝图顶层设计、智能工厂规划实施方案的方法论，逐步实施智能化转型升级，以提升生产制造水平和公司综合竞争力。因篇幅有限，将重点介绍智能制造项目关键措施、以磁控柱上开关智能化产线为代表的示范意义。

4.1 项目关键措施

采取以下措施保证投资一个项目，建好一个项目，实用化一个项目，并取得实效一个项目。

（1）强化产品工艺，为智能制造打牢基础

优化工艺管理体系架构，提高工艺人员技术素质和专业能力；强化产品工艺管理、牵引工艺改进、开展工艺攻关，深入产品工艺技术研究，分析影响产品质量、效率、成本等因数，从产品设计、生产装配以及外协加工等各个环节提高产品的可制造性和可测试性。

（2）加快信息化建设助推智能制造

规划建设生产制造执行系统（MES），设置可视化硬件，实现生产全过程的可视化管理，同时具有生产数据、测试数据自动记录、存储、统计分析功能，实现生产装配过程物料配送精准化，测试数据准确、客观，以实现数字化、信息化、智能化生产。

（3）实施周、月、季度计划与总结推进方式

按年度计划，实施周报、双周报、月报及进度总结方式有力推进和考核，确保项目按期完成。

（4）目标导向，强化项目过程评审及验收标准

按研发项目过程管控要求，加强项目前期方案的评审，确保项目建设方案符合公司产品生产制造需求。项目完成建设及投入试运行后，组织公司级项目验收小组，科学客观评价项目完成情况和达成的效果，并与项目规划建设目标进行对比评估，确保项目建设质量达标。

4.2 示范意义

（1）技术效益

自主设计了极柱涂胶专机1套，密封圈自动装配专机1套，机构拧紧专机1套，自动磨合工作站1套，耐压、联调测试自动接线专机各1套。攻克了一二次融合装备领域自动装配、自动耐压测试、自动联调测试等行业性技术难题，达到国际领先水平。

（2）经济效益

磁控配电开关自动化生产线建成后，主要工位由机器人替代人工装配和测试。整线设有4个全自动化装配工位、3个自动化专机装配工位、4个全自动测试工位、一个自动下线工位，生产人员数量由14人较少至3人，生产效率提升了3倍以上，产品合格率由98.5%提升到99.9%，达到每8分钟生产下线一台，单线年产能超2万台，产值达10亿元。

（3）社会效益

智能电网的快速建设与发展对中低压输配电装备可靠性和质量提出了更高的要求。要求我们电力装备制造企业通过一系列项目建设，向数字化车间、数字化工厂到智能工厂转变，由传统制造型企业向制造服务型企业创新升级、转型发展，全面实现智能制造。智能配电设备磁控配电开关智能制造典型应用场景建设和示范，为公司带来效率效益同时，还带动了电力装备制造企业创新升级、转型发展。

（4）推广应用

以智能配电产品（智能柱上开关、环网柜和配电控制终端设备）为主体，以磁控柱上开关智能制造典型应用场景为示范，开发、引进环网柜和配电控制终端设备各个工位的自动化专机设备，实现智能配电产品装配自动化、移载运转自动化、测试自动化的全面自动化，推进智能配电设备智能制造和数字化工厂示范工程建设。

5 结束语

本文提出了通过外部环境形势分析，评估智能制造能力成熟度，分析核心产品现状价值流，总结提炼现状问题，以精益思想为指导，以智能制造为手段，进行智能工厂顶层设计、智能工厂规划实施方案的方法论，总结了智能工厂规划实施注意事项。通过智能制造项目实践案例，验证了基于该方法论推进智能制造的可行性，以供电力装备企业探索实践智能制造参考。

制造企业智能化转型是一条坎坷曲折，但又不得不走的道路。站在新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式的历史性交汇点，要坚定不移地以智能制造为主攻方向，推动产业技术变革和优化升级，推动制造业产业模式和企业形态根本性转变，促进我国制造业迈向全球价值链中高端。