配网开关设备智能制造数字化工厂实践及思考

徐 志

（宁夏力成电气集团有限公司）

1 实施背景及目的

配网成套开关设备制造属于电力机械传统制造领域，与电力系统中高压超高压GIS等主网装备相比，配网设备市场需求量大面广、技术工艺门槛较低、同业竞争异常激烈、产品质量参差不齐。随着国家对制造业核心竞争力提升的要求和企业向专精特新高质量方向发展，对国内众多的配网设备制造企业提出了生存与发展现实问题：如何提升核心竞争力和高质量发展？智能制造是基于新一代信息通讯技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式［1］，利用智能制造新模式赋能传统配网设备制造企业，无疑是转型升级发展提升核心竞争力的手段之一。本文通过总结某企业实施配网中低压设备数字化工厂的案例，阐述了在智能制造模式下按配网成套开关设备生命周期管理维度中的设计、生产、物流、销售、服务一系列互相联系的价值创造活动组成的链式集合［1］，重点对上述5个活动如何借助自动化、信息化实现智能制造进行阐述，并通过实施后应用数据的对比，提出了本领域产业生态链的思考和建议，供本领域内电力装备制造业企业参考。

2 配网设备生命周期管理

2.1 基于PDM产品数据管理系统的平台化协同设计

配网中低压设备的设计主要是在满足客户应用工况需求基础上，输出工厂化工艺能力范围内可执行文件。一方面由于国家、行业标准的约束以及企业产品型式试验大纲设计的固化指标，配网设备的工程化设计不会100%非标定制化，相对来讲容易实现标准化，而实现标准化设计的关键在于数据库的建立；另一方面受工程项目进度控制的考虑，一般对设计的周期要求越短越好，可以给元器件采购和产品加工提供更长时间，而短时间内组织团队协作完成结构设计（钣金下料、冲孔、折弯图及BOM）、电气设计（元器件BOM、工程图）、工艺设计（NC代码、二次线束／母线加工）靠人为管理效率慢、问题多。考虑以上两个因素，在智能制造模式下可以采用产品数据管理PDM系统，如图1统一的PDM数据库平台上组织结构、电气、工艺协同设计，以及相关的仿真、审核、发布、变更等管理，同时把Solidworks／Superhens等CAD软件、CAE软件用接口与PDM系统集成起来，这样随着项目设计量的增加，库资源就越丰富，设计中调用和借用标准图的几率越高，且不同设计之间的协同办公很透明，较传统的人为管理、图纸文本化归档管理，设计效率可大幅提升。

图1 基于PDM产品数据管理系统的配网设备协同设计示意图

2.2 基于机器人、流水线、柔性加工方式的紧前同步生产

配网设备制造属于离散型制造，是由用户需求驱动的生产，这种情况下从用户合同签订到生产交付，如按照单一化传统生产方式：钣金－柜体装配－元器件安装－母线制作－二次线下线制作－成品检验－出库的串型作业，生产效率低履约不可控风险高。智能制造模式下的生产应该关注“一个核心两个基础”，“一个核心”即打破传统单一化生产模式，如图2采用全要素设计驱动的紧前同步生产模式，通过统一的任务划分使元器件预定、钣金件加工、二次线束预制和母线预制同步进行［2］，无需等待产品装配工序交付半成品主动预制，把大部分工作量前移，最后再总装配（柜体组装、元器件安装、二次线束安装、母线安装）完工检验出库；“两个基础”的第一个基础即采用机器换人、设备连线的自动化改造，把重复作业多、劳动强度大、技能依赖高的工序利用机器人、流水线、自动化装备替代，比如，采用钣金柔性制造系统代替传统单机“剪板－转序－冲孔－转序－折弯－转序”作业；采用机器人辅助＋柔性可重构工装组成装配作业代替传统的人工装配作业（图3、图4）；采用二次线束预制设备自动完成选线、下线、套线号、剥线皮、压接线鼻子的工艺，生成各种规格的单根成品线［3］；第二个基础是采用MES制造执行系统优化生产管理，如图5把计划管理、现场作业管理、质量管理、物料管理、设备管理、报表及可视化、人员管理等管理活动利用信息化系统使之透明、可视、可控，比如采用扫码方式进行产品报工、报检代替传统工序流转卡＋人工调度方式；采用IOT方式进行设备联网实时监测设备运行代替设备定检、巡检等。“一个核心”的紧前同步生产是建立在“自动化改造、信息化管理”融合应用两个基础之上，不可或缺。

图2 配网设备紧前同步并行生产方式示意图

图3 智能制造模式下的机器人＋柔性工装的装配

图4 传统模式下的人工定点装配

图5 配网设备制造执行MES系统架构图

2.3 基于WMS物流仓储系统和AGV的自动配送

传统模式厂内物流都采用平面库区＋人工发料（领料）的模式，库管员劳动强度大且因人为作业容易造成材料实物领用与ERP出入库系统账实不符，导致成本核算不准确等问题。智能制造模式可采用立体库＋WMS物流仓储系统管理方式。入库物料分为单件管理和批量管理，均严格执行一物一码。出库由ERP企业资源计划系统按照PDM产品数据管理系统的工艺BOM清单，由采购到货触发自动生成材料出库单，通过接口触发WMS物流仓储系统进而驱动堆垛机自动取料配货，库管员在已配物料上通过手持扫码枪扫描条码确认材料出库，并自动触发导引AGV小车集中将物料配送到流水线。这种全程由自动化装备代替重复性人工作业和利用信息化系统自动记录的物流方式，针对物料齐套率高的企业前作业效率和准确度更高，但如在资源有限或物料齐套率不高的情况下不推荐采用，通过加强库房管理，沿用传统模式也可达到不错的效果，如图6～图8所示。

图6 立体库与堆垛机

图7 导引AGV小车

图8 扫码确认出库

2.4 基于CRM客户关系管理系统的精准营销

销售环节作为配网设备制造企业的龙头部门、关键环节，其营销策略和客户关系管理至关重要，获取订单持续性直接关系到数字化工厂效能释放。传统模式下的营销主要靠业务人员的专业攻关和销售政策激励，忽略了市场分析和客户黏性、市场商机等方面的数据价值。智能制造模式下可以采用CRM客户关系管理系统把市场、客户、业务经理信息通过信息化平台统一管理、分析、服务。如图9所示，采用漏斗销售管理信息模型通过“项目信息、招投标信息、订单合同、回款履约”等数据把客户进行主动的按照“潜在客户－跟进客户－签单客户－优质客户”标签化管理，精准地筛选优质客户建立长期合作关系；再如利用信息系统的算力和实时性把海量市场商机通过区域共享，协助业务人员线下洽谈，避免传统模式下业务人员内部无序、无效的活动和发生，提高接单成功率，控制销售费用成本。

图9 漏斗销售管理在CRM系统中的信息模型示意图

2.5 基于PHM设备健康管理模式下的远程运维服务

配网开关设备的运维服务，对用户安全可靠用电和配网制造企业的产品改进、客户黏性乃至经营发展至关重要，传统的配网设备运维管理并没有建立科学有效健康评价体系，一般由用户根据通用安全管理办法配置电工值守和定期巡检作为运维保障手段，在设备故障或异常发生后凭电工经验进行排故和恢复供电，这种被动运维服务模式存在的问题：一是运维管理过于粗放。常见的表征设备健康状况的内部指标没有在线连续监测和可视化、可量化，不易及早发现隐患和问题；二是运维管理成本高，需要电工值守且故障后无计划停电造成损失和应急修复成本较高；三是运维管理经验沉淀少，事故分析处理没有可参考的知识库快速获取到同类数据和信息，制造企业也很难获得用户工况下产品改进依据和意见，客户的二次商机需求也没有办法与制造商快速有效共享［4］。在智能制造模式下可以借助工业互联网平台建设基于PHM设备健康管理模式下的远程运维服务，利用融合物联网、在线传感器、人工智能、摄像头等设备，按照图10所示的分层分级五个步骤的配网设备健康评估模型对配网设备做健康评估进而实现预测型维护，并可形成设备数字档案和工业知识库，借助云数据库提供基于大数据的精准运维服务。

图10 配网设备健康评估模型示意图

3 应用后存在问题及改进措施

项目实施完成通过近三年的应用指标数据统计，如表所示，在生产效率、综合运营成本、产品设计周期、产品不良率方面均取得明显变化，从生产能力角度支撑了企业核心竞争力的提升。

表 企业实施智能制造后三年与实施前的数据统计对比

从表中数据对比也可以发现一些问题，比如2020年企业综合运行成本不降反增，生产效率也有所下降，结合企业2020年受疫情影响销售订单不足、上游原材料齐套率低的实际情况，也可以看出企业乃至配网设备制造行业实施智能制造在产业链生态方面还面临的共性问题：一是市场拓展和销售订单获取能力直接影响实施效果；二是原材料区域配套率亦制约产能释放。针对上述问题，企业当前一方面通过继续加强CRM客户关系管理信息化系统深度建设，通过信息化平台拓展渠道代理销售、市场战略合作等精准服务大客户大市场来获取订单量；另一方面通过建设集采信用平台供应商资源池、询比价系统，以及融合供应链金融产品保障原材料的齐套率。

通过企业实施智能制造建设数字化工厂和不断持续改进，企业在生产制造方面的竞争力不断加强。上述问题虽没有彻底解决，但从整个行业的产业生态角度来看，随着产业链上下游实施智能制造建设数字化工厂的企业数量越多，在工业互联网平台协同共享方式下供应链、产业链的数据会越全、越透明，产业链上下游企业利用区域数据的互联、互信、互认协同发展，上述问题在发展中会逐步得到解决。

4 结束语

本文通过配网开关设备制造企业实施智能制造建设数字化工厂的实践案例出发，详细阐述了配网产品在生命周期管理维度下采用基于PDM产品数据管理系统的平台化协同设计，和基于机器人、流水线、柔性加工方式的紧前同步生产等5个互相关联环节的典型做法和关键要点，对比传统模式更具备的优势或解决的问题等，最后通过企业应用后三年的数据统计分析，提出了以企业为典型的行业共性问题和改进思路。结果表明通过配网产品生命周期管理维度的智能制造实施，在数字化工厂生产效率、综合运营成本、产品设计周期、产品不良率方面均取得明显变化，从生产制造基础方面提升了企业核心竞争力。