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1　背景介紹

中國目前已是世界第二大經(jīng)濟體和制造業(yè)大國，但自主創(chuàng)新能力薄弱、先進裝備貿易逆差嚴重、高端裝備與智能裝備嚴重依賴進口，嚴重制約我國制造產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。國務院下發(fā)《關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，將高端裝備制造業(yè)納入其中，全面開展智能制造技術研究將是發(fā)展高端裝備制造業(yè)的核心內容和促進我國從制造大國向制造強國轉變的必然。電力裝備被列入《中國制造2025》十大支持領域，輸配電裝備制造業(yè)作為電力裝備的核心，是為國家電力建設提供關鍵技術裝備的戰(zhàn)略性、基礎性產(chǎn)業(yè)。

輸變電裝備產(chǎn)品系列示意圖如圖1所示。

圖1 輸變電裝備產(chǎn)品系列示意圖

2　輸配電裝備行業(yè)現(xiàn)狀

輸配電裝備是智能電網(wǎng)建設中不可或缺的一部分，是保障用電設備和輸電線路的正常工作的核心關鍵設備。圍繞輸配電裝備行業(yè)存在的企業(yè)眾多、技術雷同、產(chǎn)品低端、重復投資、低水平建設、多數(shù)企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈不完整、產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)同性不夠、帶動性不強等共性問題。圍繞研發(fā)設計、工程設計、工藝、采購、制造和試驗等產(chǎn)品全生命周期的主要過程，建設以“集成化、精益化、數(shù)字化、互聯(lián)化、智能化”為特征的中低壓輸配電裝備智能化工廠，提升其制造過程的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化水平，縮短新產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質量與能源利用率，降低運營成本。

3　輸配電智能化工廠

輸配電裝備智能化工廠建設項目遵照“頂層設計、標準引領、精益為基、系統(tǒng)實施、集成應用”的指導方針，統(tǒng)籌推進智能制造體系建設和系統(tǒng)應用。

3.1　頂層設計

頂層設計構建起自底向上涵蓋數(shù)字化設備層、互聯(lián)化監(jiān)測層、精益化生產(chǎn)執(zhí)行層、集成化運營管理層和智能化決策支持層的智能工廠架構體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自底向上的無縫對接和實時反饋，實現(xiàn)公司戰(zhàn)略、管理、執(zhí)行的“自上而下與自下而上”的雙向無縫集成體系。其智能制造的總體功能框架如圖2所示。

圖2 中低壓輸配電裝備智能化工廠體系架構圖

根據(jù)企業(yè)及行業(yè)特征，借助信息技術、自動化技術、智能化技術打造以“管理信息化、研發(fā)及工藝設計數(shù)字化、生產(chǎn)制造管控精益化、設計協(xié)同及營銷采供網(wǎng)絡化、運營和決策分析智能化”為特征的中低壓輸配電智能化工廠。

3.2　標準引領

智能制造，標準先行，標準化工作是實現(xiàn)智能制造的重要技術基礎。

智能工廠標準用于規(guī)定智能工廠設計、制造和教輔等建設過程和工廠內設計、生產(chǎn)、管理、物流及其系統(tǒng)集成等業(yè)務活動，針對流程、工具、系統(tǒng)、接口等應滿足要求，確保智能工廠建設過程規(guī)范化、系統(tǒng)集成規(guī)范化、產(chǎn)品制造過程智能化，指導系統(tǒng)與業(yè)務的優(yōu)化。為輸變電裝備行業(yè)內智能化示范工廠的建設及應用推廣提供標準指引。電力裝備制造業(yè)智能化工廠標準體系圖如圖3所示。

圖3 電力裝備制造業(yè)智能化工廠標準體系圖

3.3　精益為基

將全面推行精益管理作為智能制造的重要基礎，通過推進以“精益生產(chǎn)”為核心的精益管理體系，推動管理思維、管理模式、管理體系的深度變革；通過在虛擬環(huán)境中對車間布局、倉儲物流及生產(chǎn)過程進行虛擬仿真，指導物理環(huán)境下的車間布局、物流倉儲和生產(chǎn)裝配過程等的持續(xù)優(yōu)化，減少生產(chǎn)過程與管理上的各種浪費，在精益工廠的基礎上全面打造數(shù)字化、智能化工廠。

3.4　系統(tǒng)實施

智能制造是典型的系統(tǒng)工程，具有周期長、涉及面廣、復雜度高等特征，從數(shù)字化單點應用到業(yè)務系統(tǒng)全價值鏈信息化貫通，需要進行大量的集成開發(fā)和適應性調整，若前期統(tǒng)籌規(guī)劃不足，則導致后期實效性差、投入成本劇增等。因此，項目以頂層設計為綱領，圍繞產(chǎn)品設計、工藝、采購、制造、試驗檢測等各環(huán)節(jié)系統(tǒng)性開展了業(yè)務流程和數(shù)據(jù)流向梳理，縱向打通“ERP、MES、設備監(jiān)控、生產(chǎn)線控制”的主線，實現(xiàn)生產(chǎn)與控制指令的下達，以及生產(chǎn)實時狀態(tài)的采集，橫向打通“數(shù)字化設計、數(shù)字化工藝、數(shù)字化制造、數(shù)字化試驗”，將數(shù)字化模型貫穿于產(chǎn)品各生命周期階段。智能化工廠跨系統(tǒng)業(yè)務流圖如圖4所示。

圖4 智能化工廠跨系統(tǒng)業(yè)務流圖

3.5　集成應用

通過建立主數(shù)據(jù)管理平臺，打通研發(fā)設計平臺、主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、三維工藝設計與仿真系統(tǒng)，虛擬監(jiān)控及生產(chǎn)仿真平臺、設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)及質量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等8個異構系統(tǒng)之間的主數(shù)據(jù)集成，統(tǒng)一數(shù)據(jù)口徑，為多系統(tǒng)集成應用奠定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎。

同時，通過對功能框架、功能特征及功能邊界的系統(tǒng)性梳理，明確智能化工廠各模塊間的數(shù)據(jù)集成、功能集成和業(yè)務集成要求，明確各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)流向，使各系統(tǒng)之間消除信息孤島，相互貫通。

智能化工廠信息流圖如圖5所示。

圖5 智能化工廠信息流圖

4　建設案例成效分析

通過輸配電領域智能制造試點示范項目建設，全方位增強了輸配電裝備制造企業(yè)的研發(fā)能力、制造效率、質量管控水平及接單按期交付等運營能力，以下是企業(yè)建成后各項綜合指標統(tǒng)計結果。

（1）運營成本降低20%以上：主要實現(xiàn)途徑包括通過鈑金、開關柜總裝、斷路器分裝生產(chǎn)線的智能柔性升級、自動化物流設施及裝備降低人力成本、通過高效率質檢手段和質量分析與改進措施降低質量損失、通過精益生產(chǎn)降低在制品庫存積壓以及通過智慧能源管理降低能耗成本等；

（2）產(chǎn)品研制周期縮短20%以上：主要實現(xiàn)途徑包括構建協(xié)同研發(fā)平臺降低新品研發(fā)周期、通過數(shù)字化試驗系統(tǒng)縮短產(chǎn)品型試驗周期等；

（3）生產(chǎn)效率提高20%以上：主要實現(xiàn)途徑包括通過引入“智能柔性生產(chǎn)線+制造執(zhí)行系統(tǒng)”提升產(chǎn)能、通過對關鍵檢測工序的數(shù)字化改造來減少生產(chǎn)過程瓶頸、通過優(yōu)化排程和同步物流縮短生產(chǎn)節(jié)拍以及通過精益生產(chǎn)管理來提升生產(chǎn)效率等；

（4）產(chǎn)品不良品率降低10%以上：主要實現(xiàn)途徑包括通過智能物料識別和精準物料配送來降低誤裝率、通過智能化檢測手段（如視覺檢測）來降低缺陷品漏檢率、通過嚴格的供應商管理來提升原料供應質量以及通過大數(shù)據(jù)質量分析與過程持續(xù)改進來提升產(chǎn)品設計與制造質量等；

（5）能源利用率提高6%以上：主要實現(xiàn)途徑包括通過智慧能源管理來降低車間能耗、通過優(yōu)化排程與調度減少設備空閑運轉導致的能源浪費等。

5　輸配電智能工廠建設要點

全方位構建“產(chǎn)品技術領先、制造技術領先和試驗檢測技術領先”的輸配電裝備智能制造新模式，具體體現(xiàn)在以下方面：

（1）建立支持異地協(xié)同的數(shù)字化研發(fā)設計平臺，實現(xiàn)研發(fā)、設計、仿真與制造之間的協(xié)同。創(chuàng)新研發(fā)基地研發(fā)系統(tǒng)負責新產(chǎn)品的原始設計、仿真優(yōu)化，智能制造基地的設計系統(tǒng)負責在產(chǎn)品原始設計基礎上進行變更設計、工程仿真和工藝設計，并為制造系統(tǒng)提供最終設計模型。數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺業(yè)務框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺業(yè)務框圖

（2）建立數(shù)據(jù)標準體系，統(tǒng)一數(shù)據(jù)口徑；建立了主數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)主數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和集中分發(fā)；建立基于ESB企業(yè)服務總線的集成平臺，實現(xiàn)異構系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。基于ESB的系統(tǒng)集成應用效果圖如圖7所示。

圖7 基于ESB的系統(tǒng)集成應用效果圖

（3）建立與物理車間相一致的三維虛擬模型，通過集成底層設備的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)的可視化監(jiān)控；通過建立仿真數(shù)學模型，實現(xiàn)對計劃、裝配過程及物流配送的仿真及優(yōu)化。虛擬工廠仿真效果圖如圖8所示。

圖8 虛擬工廠仿真效果圖

（4）通過面向精益管理的MES系統(tǒng)建設，建立從銷售、采購、生產(chǎn)、到物流多業(yè)務協(xié)同的多級計劃協(xié)同體系；實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)監(jiān)控和異常處理等全過程數(shù)字化管控；實現(xiàn)從來料檢、過程檢、到成品測試的全過程質量采集與管理。基于APS的多級計劃協(xié)同體系效果圖如圖9所示。

圖9 基于APS的多級計劃協(xié)同體系效果圖

（5）通過分析某型號斷路器裝配和試驗過程的質量數(shù)據(jù)，建立質量關聯(lián)關系模型，揭示質量問題的影響因素并為質量追溯提供決策支持，提升企業(yè)的質量管理水平。

質量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)效果圖如圖10所示。

圖10 質量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)效果圖

6　下一步建設思路及推廣目標

建設智能工廠是輸配電制造企業(yè)轉型升級的重要方式，當前電力裝備行業(yè)在智能制造方面已經(jīng)具備了良好的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，骨干企業(yè)具備了較為良好的技術基礎和條件，智能制造技術服務與支撐體系有了良好的前期布局和基礎。
為加快推進行業(yè)智能制造并邁進國際先進水平行列。針對電力裝備行業(yè)智能工廠建設需求，圍繞智能制造標準與關鍵技術研究、開展智能化裝置研發(fā)、工業(yè)通訊網(wǎng)關及SCADA系統(tǒng)開發(fā)、大數(shù)據(jù)分析平臺及技術應用研究、人工智能技術研發(fā)，并通過整合上述智能制造核心裝備的研發(fā)成果，構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，逐步在試點企業(yè)進行試探性應用。

這些智能制造關鍵技術裝備的研發(fā)，不僅可以對前期智能制造項目實踐知識和經(jīng)驗進行固化，而且將極大地支持后續(xù)智能制造經(jīng)驗的推廣和快速復制。

作者簡介：

史亞斌（1982-），男，陜西永壽人，高級工程師，碩士，現(xiàn)任中國西電中央研究院智能制造工程設計所所長，并兼任國家智能制造標準化總體組單位成員、中國通信工業(yè)協(xié)會專家委員、中國電機工程學會人工智能委員會委員、中國智能制造百人會專家委員。主持完成多項國家智能制造裝備發(fā)展專項、國家智能制造標準化和新模式等專項，主持制定多項行業(yè)智能制造應用標準，參與多個行業(yè)智能制造產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和陜西省及西安市裝備制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃，具有豐富的企業(yè)數(shù)字化轉型和智能制造實踐經(jīng)驗。

摘自《自動化博覽》2019年1月刊