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电力装备产业智造转型升级探索之路
  • 作者:史亚斌
  • 点击数:81196     发布时间:2019-02-14 14:27:00
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中国目前已是世界第二大经济体和制造业大国,但自主创新能力薄弱、先进装备贸易逆差严重、高端装备与智能装备严重依赖进口,严重制约我国制造产业健康发展。国务院下发《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,将高端装备制造业纳入其中,全面开展智能制造技术研究将是发展高端装备制造业的核心内容和促进我国从制造大国向制造强国转变的必然。
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1 背景介绍

中国目前已是世界第二大经济体和制造业大国,但自主创新能力薄弱、先进装备贸易逆差严重、高端装备与智能装备严重依赖进口,严重制约我国制造产业健康发展。国务院下发《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,将高端装备制造业纳入其中,全面开展智能制造技术研究将是发展高端装备制造业的核心内容和促进我国从制造大国向制造强国转变的必然。电力装备被列入《中国制造2025》十大支持领域,输配电装备制造业作为电力装备的核心,是为国家电力建设提供关键技术装备的战略性、基础性产业。

输变电装备产品系列示意图如图1所示。

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图1 输变电装备产品系列示意图

2 输配电装备行业现状

输配电装备是智能电网建设中不可或缺的一部分,是保障用电设备和输电线路的正常工作的核心关键设备。围绕输配电装备行业存在的企业众多、技术雷同、产品低端、重复投资、低水平建设、多数企业产业链不完整、产业发展协同性不够、带动性不强等共性问题。围绕研发设计、工程设计、工艺、采购、制造和试验等产品全生命周期的主要过程,建设以“集成化、精益化、数字化、互联化、智能化”为特征的中低压输配电装备智能化工厂,提升其制造过程的数字化、网络化、智能化水平,缩短新产品研制周期、提高生产效率、产品质量与能源利用率,降低运营成本。

3 输配电智能化工厂

输配电装备智能化工厂建设项目遵照“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,统筹推进智能制造体系建设和系统应用。

3.1 顶层设计

顶层设计构建起自底向上涵盖数字化设备层、互联化监测层、精益化生产执行层、集成化运营管理层和智能化决策支持层的智能工厂架构体系,实现数据自底向上的无缝对接和实时反馈,实现公司战略、管理、执行的“自上而下与自下而上”的双向无缝集成体系。其智能制造的总体功能框架如图2所示。

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图2 中低压输配电装备智能化工厂体系架构图

根据企业及行业特征,借助信息技术、自动化技术、智能化技术打造以“管理信息化、研发及工艺设计数字化、生产制造管控精益化、设计协同及营销采供网络化、运营和决策分析智能化”为特征的中低压输配电智能化工厂。

3.2 标准引领

智能制造,标准先行,标准化工作是实现智能制造的重要技术基础。

智能工厂标准用于规定智能工厂设计、制造和教辅等建设过程和工厂内设计、生产、管理、物流及其系统集成等业务活动,针对流程、工具、系统、接口等应满足要求,确保智能工厂建设过程规范化、系统集成规范化、产品制造过程智能化,指导系统与业务的优化。为输变电装备行业内智能化示范工厂的建设及应用推广提供标准指引。电力装备制造业智能化工厂标准体系图如图3所示。

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图3 电力装备制造业智能化工厂标准体系图

3.3 精益为基

将全面推行精益管理作为智能制造的重要基础,通过推进以“精益生产”为核心的精益管理体系,推动管理思维、管理模式、管理体系的深度变革;通过在虚拟环境中对车间布局、仓储物流及生产过程进行虚拟仿真,指导物理环境下的车间布局、物流仓储和生产装配过程等的持续优化,减少生产过程与管理上的各种浪费,在精益工厂的基础上全面打造数字化、智能化工厂。

3.4 系统实施

智能制造是典型的系统工程,具有周期长、涉及面广、复杂度高等特征,从数字化单点应用到业务系统全价值链信息化贯通,需要进行大量的集成开发和适应性调整,若前期统筹规划不足,则导致后期实效性差、投入成本剧增等。因此,项目以顶层设计为纲领,围绕产品设计、工艺、采购、制造、试验检测等各环节系统性开展了业务流程和数据流向梳理,纵向打通“ERP、MES、设备监控、生产线控制”的主线,实现生产与控制指令的下达,以及生产实时状态的采集,横向打通“数字化设计、数字化工艺、数字化制造、数字化试验”,将数字化模型贯穿于产品各生命周期阶段。智能化工厂跨系统业务流图如图4所示。

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图4 智能化工厂跨系统业务流图

3.5 集成应用

通过建立主数据管理平台,打通研发设计平台、主数据管理系统、三维工艺设计与仿真系统,虚拟监控及生产仿真平台、设备运行状态监测系统、ERP系统、MES系统及质量大数据分析系统等8个异构系统之间的主数据集成,统一数据口径,为多系统集成应用奠定统一的数据基础。

同时,通过对功能框架、功能特征及功能边界的系统性梳理,明确智能化工厂各模块间的数据集成、功能集成和业务集成要求,明确各系统之间的数据类型与数据流向,使各系统之间消除信息孤岛,相互贯通。

智能化工厂信息流图如图5所示。

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图5 智能化工厂信息流图

4 建设案例成效分析

通过输配电领域智能制造试点示范项目建设,全方位增强了输配电装备制造企业的研发能力、制造效率、质量管控水平及接单按期交付等运营能力,以下是企业建成后各项综合指标统计结果。

(1)运营成本降低20%以上:主要实现途径包括通过钣金、开关柜总装、断路器分装生产线的智能柔性升级、自动化物流设施及装备降低人力成本、通过高效率质检手段和质量分析与改进措施降低质量损失、通过精益生产降低在制品库存积压以及通过智慧能源管理降低能耗成本等;

(2)产品研制周期缩短20%以上:主要实现途径包括构建协同研发平台降低新品研发周期、通过数字化试验系统缩短产品型试验周期等;

(3)生产效率提高20%以上:主要实现途径包括通过引入“智能柔性生产线+制造执行系统”提升产能、通过对关键检测工序的数字化改造来减少生产过程瓶颈、通过优化排程和同步物流缩短生产节拍以及通过精益生产管理来提升生产效率等;

(4)产品不良品率降低10%以上:主要实现途径包括通过智能物料识别和精准物料配送来降低误装率、通过智能化检测手段(如视觉检测)来降低缺陷品漏检率、通过严格的供应商管理来提升原料供应质量以及通过大数据质量分析与过程持续改进来提升产品设计与制造质量等;

(5)能源利用率提高6%以上:主要实现途径包括通过智慧能源管理来降低车间能耗、通过优化排程与调度减少设备空闲运转导致的能源浪费等。

5 输配电智能工厂建设要点

全方位构建“产品技术领先、制造技术领先和试验检测技术领先”的输配电装备智能制造新模式,具体体现在以下方面:

(1)建立支持异地协同的数字化研发设计平台,实现研发、设计、仿真与制造之间的协同。创新研发基地研发系统负责新产品的原始设计、仿真优化,智能制造基地的设计系统负责在产品原始设计基础上进行变更设计、工程仿真和工艺设计,并为制造系统提供最终设计模型。数字化协同研发平台业务框图如图6所示。

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图6 数字化协同研发平台业务框图

(2)建立数据标准体系,统一数据口径;建立了主数据管理平台,实现主数据的统一管理和集中分发;建立基于ESB企业服务总线的集成平台,实现异构系统间的数据互联互通。基于ESB的系统集成应用效果图如图7所示。

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图7 基于ESB的系统集成应用效果图

(3)建立与物理车间相一致的三维虚拟模型,通过集成底层设备的运行数据,实现对生产的可视化监控;通过建立仿真数学模型,实现对计划、装配过程及物流配送的仿真及优化。虚拟工厂仿真效果图如图8所示。

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图8 虚拟工厂仿真效果图

(4)通过面向精益管理的MES系统建设,建立从销售、采购、生产、到物流多业务协同的多级计划协同体系;实现数据采集、生产监控和异常处理等全过程数字化管控;实现从来料检、过程检、到成品测试的全过程质量采集与管理。基于APS的多级计划协同体系效果图如图9所示。

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图9 基于APS的多级计划协同体系效果图

(5)通过分析某型号断路器装配和试验过程的质量数据,建立质量关联关系模型,揭示质量问题的影响因素并为质量追溯提供决策支持,提升企业的质量管理水平。

质量大数据分析系统效果图如图10所示。

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图10 质量大数据分析系统效果图

6 下一步建设思路及推广目标

建设智能工厂是输配电制造企业转型升级的重要方式,当前电力装备行业在智能制造方面已经具备了良好的产业环境,骨干企业具备了较为良好的技术基础和条件,智能制造技术服务与支撑体系有了良好的前期布局和基础。
为加快推进行业智能制造并迈进国际先进水平行列。针对电力装备行业智能工厂建设需求,围绕智能制造标准与关键技术研究、开展智能化装置研发、工业通讯网关及SCADA系统开发、大数据分析平台及技术应用研究、人工智能技术研发,并通过整合上述智能制造核心装备的研发成果,构建工业互联网平台,逐步在试点企业进行试探性应用。

这些智能制造关键技术装备的研发,不仅可以对前期智能制造项目实践知识和经验进行固化,而且将极大地支持后续智能制造经验的推广和快速复制。

作者简介:

史亚斌(1982-),男,陕西永寿人,高级工程师,硕士,现任中国西电中央研究院智能制造工程设计所所长,并兼任国家智能制造标准化总体组单位成员、中国通信工业协会专家委员、中国电机工程学会人工智能委员会委员、中国智能制造百人会专家委员。主持完成多项国家智能制造装备发展专项、国家智能制造标准化和新模式等专项,主持制定多项行业智能制造应用标准,参与多个行业智能制造产业规划和陕西省及西安市装备制造业发展规划,具有丰富的企业数字化转型和智能制造实践经验。

摘自《自动化博览》2019年1月刊

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