案例1 中壓空氣絕緣開關設備制造數字化車間—北京機械工業自動化研究所有限公司

北京機械工業自動化研究所有限公司（以下簡稱北自所）創建于1954年，是原機械工業部直屬的綜合性科研機構，1999年轉制，現為國務院國資委監管的大型科技企業。北自所致力于制造業領域自動化、信息化、集成化、智能化技術的創新、研究、開發和應用，為客戶提供包括開發、設計、制造、安裝和服務的整體解決方案，是離散制造領域智能制造系統集成的卓越實踐者和引領者。

北自所注冊資金1.8億元，年銷售收入20億元。業務覆蓋智能工廠3個層級，從設備層、車間層到企業層；貫穿智能制造6大環節，從智能加工、智能裝配、智能檢測，到智能物流、智能監控、智能管理。主要包括自動化柔性物流與倉儲系統，汽車、電子、電氣自動裝配線，金屬帶材自動化加工生產線，拉伸薄膜自動化生產線，水利、電力自動化控制系統，以及 MES、ERP 等信息化軟件。因此，北自所有能力為客戶提供單元設備—生產線/成套設備—數字化車間/智能工廠的整體解決方案。

第1章 簡介

1.1 項目背景

自“十一五”開始，國家投入巨資對我國電網進行智能化改造，帶動了中壓空氣絕緣開關設備制造行業的持續增長。現在我國已成為中壓空氣絕緣開關設備的生產大國，根據高壓開關行業協會統計，2011年全行業共生產12～40.5kV中壓真空斷路器592 018臺、12～40.5kV中壓成套開關設備360 748臺，占世界總產量的50%以上，但我國還不是中壓空氣絕緣開關設備制造的強國。

國外中壓開關設備制造行業具有代表性的企業（如 ABB、西門子等公司）已廣泛應用數字化車間的相關技術，對生產狀態、物流狀態、人員作業狀態進行實時監控。通過利用現代物聯網技術、數字化技術、信息化技術、多媒體技術等實現車間裝備和制造過程的精細、實時、透明管控；采用自動化裝配線生產方式，利用計算機系統進行控制，通過采用條碼、RFID等數字化技術實現無紙化生產；在制造中不僅能監控生產過程，而且能收集產品的生產數據；配套物流系統也廣泛實現自動化和數字化，大部分零部件采用自動化倉儲及配送，實現各種零部件的統一管理與迅速成套。

近年來，我國中壓開關設備制造業通過技術引進、合作生產、技術交流等多種途徑，產品設計的能力已部分達到了國際先進水平，但受到制造能力和工藝水平的限制，無法成規模地進行生產制造，極大地阻礙了中壓開關行業技術水平的整體提升。為提升國內中壓開關設備生產行業制造水平，縮小國內開關行業與國際先進水平的技術差距，基于制造強國戰略，由北京機械工業自動化研究所有限公司與天水長城開關廠有限公司（以下簡稱天水長開）共同建設的“中壓空氣絕緣開關設備制造數字化車間”項目，以“產品升級、裝備升級、產能升級、管理升級”為發展目標，在中壓開關設備生產行業建立了一個具有示范意義的數字化車間。

該項目于2012年11月開工，2015年6月建設完成并投入生產，并在2015年被工業和信息化部（以下簡稱工信部）批復為“國家智能制造專項”項目。2016年11月20日通過了財政部、工信部智能制造專項驗收。

1.2 案例特點

本項目以《中國制造2025》中電力裝備領域離散型智能制造的相關內容為目標。作為電力設備制造行業的數字化車間，涉及柔性制造生產線、智能化在線檢測裝置、物流及倉儲系統、信息化生產管理等多個領域。具有多領域技術整合、創新應用融合的特點，是在中壓開關設備制造行業實施智能制造系統集成，建設數字化生產制造平臺的首次嘗試。

在具體實施過程中，通過車間自動化生產和物流裝備的研制與應用，為建立制造模型、管理模型、質量模型提供硬件基礎，并在此基礎上構建產品設計數字化、管理過程信息化、制造執行敏捷化的硬件平臺。所建立的中高壓開關設備智能制造系統對天水長開已有的ERP系統與底層生產設備信息系統進行了連接，其創新融合主要體現在3個方面。

（1）通過企業資源計劃管理系統（ERP）、產品數據管理系統（PDM）、倉儲管理系統（WMS）以及制造執行系統（MES）等，采用檢驗工序化、加工設備數控化、關鍵設備智能化、倉儲物流自動化、車間管理信息化等相關技術縱向和橫向的集成，實現了銷售業務一體化、制造模型分線化、計劃分層化、設備管理信息化、物料項目化、成本控制明晰化、主數據集中化、制造流程模型化、檢驗數據實時化。

（2）建成了3條空氣絕緣開關元件裝配檢測分系統、3條空氣絕緣開關設備裝配檢測分系統、開關設備箱殼制造分系統、開關設備母線制造分系統、開關設備二次線束制造分系統、開關元件主回路制造分系統、自動化倉儲及物流分系統等11個生產制造分系統，實現了生產和物流的自動化和信息化。

（3）MES 系統采取獨有的雙架構模式，分管理平臺和現場操作平臺，管理平臺采用B/S架構，基于瀏覽器方式訪問系統，系統部署維護簡單，客戶端登錄便捷；現場操作平臺采用C/S架構，系統運行穩定、可靠，支持與終端設備接口的多樣性與方便性。實現了對多品種柔性生產的自動支持及制造計劃、備件計劃、配套計劃、返修計劃等多種生產組織模式的統一管理。

第2章 項目實施情況

本項目由天水長開負責項目策劃、籌資及組織驗收，由北京機械工業自動化研究所有限公司負責整體規劃及總包實施。

2.1 需求分析

2.1.1 項目實施單位和用戶情況

項目實施團隊是北京機械工業自動化研究所有限公司電氣物理設備技術工程事業部（簡稱電物理事業部），設有專業配套的科研隊伍，由工程物理、理論物理、機械工程、工業自動化、高壓/高頻電磁場技術、真空技術、測量/檢測計算機技術、機械工程工業自動化等多方面技術人才構成強大的技術隊伍，技術力量雄厚，具有較強的研究、設計、制造、安裝調試、運行和實驗的能力。團隊在電器行業具有豐富的開發和研制經驗，成功研制了中/低壓斷路器的殼體、主軸機器人焊接工作站、低壓（塑殼、微型）斷路器裝配檢測生產線與相關單臺檢測設備、真空斷路器裝配及檢測自動化生產線、開關柜裝配及檢測自動化生產線、自動化倉儲及物流系統、制造執行系統（MES）、企業ERP管理系統，為客戶提供數字化車間的整體解決方案。目前客戶主要有施耐德、ABB、GE、庫柏耐吉、安徽森源、正泰電器、平高電氣、西電寶雞電氣、青島益和電氣等國內外知名企業。

項目使用單位天水長城開關廠有限公司是國內規模最大的中壓開關設備制造企業之一，蘭州長城電工股份有限公司的龍頭子公司，在國內中高壓開關設備研發、制造及銷售領域一直處于領先地位，各項技術經濟指標在國內高壓開關行業名列前茅。在國內火電、石化、冶金等大中型重點工程領域的市場占有率保持在30%以上，部分領域達到70%以上。2007年，天水長開入選中國機械500強，同年被中國機械工業聯合會評選為中國機械工業優秀企業和中國機械工業最具影響力品牌，被中國電器工業協會評選為中國電器工業最具影響力企業。天水長開還被科技部等三部委認定為“國家創新型企業”，被國家知識產權局認定為“國家知識產權示范企業”。天水長開技術中心被國家發改委等五部委認定為“國家認定企業技術中心”。天水長開的技術創新成果、管理體系、生產制造技術等在國內同行業均處于領先地位。

2.1.2 行業生產現狀

縱觀國內電力工業，供給側改革客觀上要求改善供應方式，提高供給效率，增強系統運行靈活性和智能化水平。為全面增強電源與用戶雙向互動，提升電網互濟能力，實現集中和分布式供應并舉，傳統能源和新能源發電協同，增強調峰能力建設，提升負荷側響應水平，建設高效智能電力系統成為必然選擇。因此《電力發展“十三五”規劃（2016—2020年）》提出以“智能高效、創新發展”的原則升級改造配電網，推進智能電網建設，滿足用電需求，提高用電質量，著力解決配電網薄弱問題，促進智能互聯，推動裝備提升與科技創新，加快構建現代配電網。國內開關行業紛紛開發技術先進的產品，滿足市場需求。但由于受制造技術的限制，國內中壓開關設備與國際同類產品相比仍然存在較大差距，國內中高壓開關設備的高端市場，基本被國外企業（ABB、西門子等）所壟斷。

作為國內具有示范效應的龍頭生產企業，天水長開面臨產品實物質量相對較低、生產效率相對低下、生產能耗相對較高等問題，迫切需要通過運用智能制造技術，提升產品質量、提高生產效率、降低生產能耗，進而擴大市場占有規模，在行業中繼續發揮示范作用。

2.2 總體設計情況

2.2.1 項目總體技術架構

中壓空氣絕緣開關設備制造數字化車間占地面積2.3萬平方米，由空氣絕緣開關設備裝配檢測分系統、空氣絕緣開關元件裝配檢測分系統、開關設備箱殼制造分系統、開關設備母線制造分系統、開關設備二次線束制造分系統、開關元件主回路制造分系統、自動化倉儲及物流分系統、制造執行系統組成，主要系統結構圖如圖1所示。可實現12～24kV及40.5kV空氣絕緣開關元件與成套設備由原材料、基礎零件到完整成品的自動化、規模化生產。達到年產6萬只灌封極柱、1.8萬臺真空斷路器、1.5萬套成套設備的生產能力。

2.2.2 項目總體實施路線

項目結合天水長開現有的三維CAD、PLM等系統，使產品信息貫穿于設計、制造、質量控制、物流等環節；針對高壓開關設備生產制造的要求，通過建立產品模型、制造模型、管理模型、質量模型等數學模型，在貫穿設計、加工（處理）、裝配檢測、質量控制、物流、服務的各環節，建成一套完整的中高壓開關設備智能制造系統。并在實施中運用離散型智能制造新模式，集產品設計智能化、鈑金加工智能化、倉儲物流智能化、車間調度管理智能化于一體，使總體技術達到國內領先水平。本項目使用ERP II實現企業管理信息化；應用MES實現車間管理信息化；將ERP和全套底層生產與物流自動化、智能化裝備及系統縱向集成，實現檢測與加工的數字化、關鍵設備智能化、倉儲物流自動化。

2.3 實施步驟

2.3.1 項目階段劃分

根據項目實施中具體的工作內容，項目分為前期調研、方案設計、生產制造、現場聯調、技術培訓、試產驗收等階段，實施周期為兩年。

2.3.2 項目建設內容和關鍵技術應用

1.項目建設內容

數字化車間包括8個相互關聯的分系統，各分系統相互協同，發揮不同的作用，共同構成完整的智能化制造系統。各分系統的組成及功能說明如下。

1）空氣絕緣開關設備裝配檢測分系統

該分系統包括兩條12～24kV 及一條40.5kV 空氣絕緣開關設備（鎧裝柜）自動化生產線，可完成鎧裝柜的拼柜、機構裝配、一次元件安裝、二次元件安裝、儀表箱安裝、耐壓試驗、終檢測試等工序，實現開關設備由零部件到成品的全程流水線方式批量生產。

2）空氣絕緣開關元件裝配檢測分系統

該分系統包括兩條12～24kV 及一條40.5kV 空氣絕緣開關元件（真空斷路器）自動化生產線，可完成真空斷路器的操作機構裝配、一次主回路裝配、機械磨合、機械特性測試、耐壓測試、開關元件尺寸檢測、終檢測試等工序，實現開關元件由基礎零件到完整成品的自動化生產。

3）開關設備箱殼制造分系統

開關設備箱殼制造分系統包括全自動鈑金立體倉庫、數控轉塔沖剪復合單元、數控轉塔沖床、數控折彎機、液壓擺式剪板機、全自動折彎工作站。實現鈑金材料集中化管理和鈑金零部件自動化加工。

4）開關設備母線制造分系統

開關設備母線制造分系統包括全自動母線立體倉庫、數控母線沖剪一體機、三工位母線加工設備、數控母線折彎一體機、數控母線圓弧加工中心、母線打磨加工設備、全自動母線清洗設備、間歇式廢水處理設備、干式母線噴漆設備、超聲波母線搪錫設備、母線熱縮套管加工設備等。可完成母線零件的沖孔、切斷、壓花、銑角、打磨、折彎、清洗、搪錫、噴漆、熱縮等多種不同工序的全流程加工制造。

5）開關設備二次線束制造分系統

二次線束制造系統主要由全自動電纜線束加工系統、SuperWORKS 工程軟件、配線臺案等工位器具組成，可將由導線CAE系統自動生成的開關設備內二次導線線束相關信息自動輸入線號打印機、下線機，完成切線、剝線、線號打印、端頭壓接等工藝環節的全過程自動化加工，實現二次導線的自動化批量生產。

6）開關元件主回路制造分系統

開關元件主回路制造分系統包括極柱裝配臺、極柱灌封單元，以及多通道數字式局部放電綜合分析儀、校準脈沖發生器及其附件、試驗自動控制系統軟件、高壓試驗系統、試驗屏蔽室等，可完成固封主回路灌封以及局部放電檢測等。

7）自動化倉儲及物流分系統

自動化倉儲及物流分系統包括一個四巷道3876貨位的自動化立體倉庫、四臺巷道堆垛機，以及用于存放不規則物體的大件庫和地堆區，可實現車間物料集中存儲及自動輸送。

自動化倉儲及物流分系統通過倉庫管理系統（WMS）配合先進的控制、總線、通信和信息技術，實現相關設備的協調動作，在充分利用儲存空間的前提下，完成指定物料自動有序、快速高效的入庫出庫作業。

8）制造執行系統（MES）

MES 作為企業信息化建設的中間層，專注于制造執行過程的管控一體化，在企業總體信息流中起著承上啟下的關鍵作用。本項目的MES系統由15個功能模塊組成，即系統平臺、基礎數據管理、計劃排程管理、配送及線邊管理、物料管理、生產過程管理、在制品管理、質量管理、下線包裝管理、設備管理、文檔管理、數據平臺、報表管理、系統接口及Andon系統。

MES可上接ERP、PDM等管理系統，下連生產線、專機設備等底層控制系統，實現上層指令的下達執行，以及底層數據的實時采集、反饋，綜合管理制造過程計劃、裝配、物料、質量、設備運行監控等業務流程，實現制造過程物流、信息流的統一管理。

各子系統之間、子系統與ERP之間的信息關系如圖2所示。

2.關鍵技術的應用

本項目數字化制造車間所依托的數字模型包括產品模型、制造模型、管理模型、質量模型。通過優化配置整合互聯互通的產品全生命周期管理系統（PLM）、企業資源計劃管理系統（ERP）和車間制造執行系統（MES），在統一數據平臺的基礎上，建立不同的數字模型，實現基于模型的數字化產品設計、信息化企業管理和敏捷化制造。

其中產品模型包括產品設計大綱，試驗試制大綱，關鍵性能控制方法等，實現以數字化制造為綱的生產流程及物流配送載體的工藝要求，滿足按工序裝配方法的需求。

制造模型包括滿足均衡生產的控制方法，提高按計劃作業和按計劃配送的保障策略，遵循制造對象的自動匹配原則和按合同要求匹配的柔性原則，實現以數字化制造為綱的庫存策略，以及按節拍、節點、對象的配送方法，達到計劃物料和采集對象相匹配、對應的容忍原則等。

與信息化管理所對應的管理模型包括基于生產線生產能力的最低資源匹配要求，基于縮短生產周期和降低生產成本的方法，生產計劃的批次分解原則和基于資源提高物料配送能力的相關策略。在數字化制造前提下，以制造模型的優化為目標，對產品模型進行優化；以生產節拍為導向對制造模型進行優化；以質量數據比對分析為依據，對質量模型及時進行修正；以物流配送需求為前提，對管理模型進行修正的系統方法和信息化系統的實現機制與平臺；以作業計劃為綱，以全車間協調統一為前提，實現對產品模型、制造模型、管理模型、質量模型完整性和關聯性的數據檢查機制和發布機制。

質量模型包括產品檢驗大綱、測試方法、檢驗標準、檢驗報告格式，關鍵零部件質量、性能、參數控制，重點監測對象及預警機制，數據采集標準及比對分析，偏離調整分析和策略；以數字化制造為綱，按照產線工序節拍要求的數據匹配原則，建立數據存儲架構等內容。在建立上述數字模型的基礎上，安全可控智能制造手段所具有的先進、高效的優勢得到充分發揮。

數字化車間的運行包含車間運行管控系統及底層的數字化設備。車間運行管控系統是實現智能化制造的核心，它包括制造執行系統（R-MES）、目視化管理、倉儲管理（WMS）、設備監控等生產現場運行管控系統。運行管控系統從企業資源計劃系統（CTCS-ERP）接收命令，下達到各個分系統生產單元或設備，并監控分系統和設備的運行狀態，處理生產現場的各種問題，根據實際生產狀態進行調度。底層的數字化設備包括智能化輸送設備、在線檢測設備、現場控制計算機、自動化倉儲和運輸設備等。通過設備配置的數字化接口和工業以太網，實現生產過程的監控和調度。

底層的數字化設備包括智能化輸送設備、在線檢測設備、現場控制計算機、自動化倉儲和運輸設備等。通過設備配置的數字化接口和工業以太網，實現生產過程的智能化監控和調度。本項目所有分系統中的生產線均配置智能檢測裝置，并在主要生產工位上配置精益電子看板。關鍵生產環節采用國產化設備或具有自主知識產權的核心技術，形成安全可控的智能制造體系。

第3章 實施效果

3.1 項目實施效果

3.1.1 企業提升效果

中壓空氣絕緣開關設備制造數字化車間立足于企業實際，結合企業需求，在實事求是、因地制宜的基礎上，改善了工藝流程，提高了產品質量，提高了生產效率。數字化車間集產品設計的數字化、鈑金加工的自動化、倉儲系統的智能化、車間調度管理的信息化、斷路器視覺檢測的智能化于一體，實現天水長開的“三個升級”，即產品升級、產能升級、管理升級，并繼續引領行業的發展。

1.產品升級

通過數字化車間項目的實施，建設先進的中壓開關元件、設備裝配生產線及配套系統，提高了產品穩定性和質量一致性，為實現近年來開發的具有自主知識產權，技術性能達到國內乃至國際領先水平的新一代產品的產業化生產創造了條件。通過產品升級拓展了其在中高壓電氣行業裝備制造領域的市場。為天水長開“十二五”轉型跨越式發展奠定堅實的基礎。

2.產能升級

該項目的順利實施提升了天水長城開關廠中壓開關元件及開關設備的產能，項目投產后，天水長城開關廠在未增加人員的情況下，成套開關設備年生產能力從8000套提高到15 000套，開關元件年生產能力從8000臺提高到18 000臺。

3.管理升級

本項目通過數字化車間的建設，從車間的總體角度出發，對生產設備、物流設備、在線自動檢測設備等引入數字化和智能化技術，并引入MES系統等先進的管控方法，可有效提高天水長開生產管理水平，降低生產人員勞動強度，實現人性化管理，并同時降低生產對工人技能的依賴程度，有利于人力資源管理。另一方面，項目設計中充分考慮環境保護和節能措施，有利于清潔生產和低碳生產管理。

天水長開是國內中壓開關設備行業技術與品質的引領者，產品技術和制造技術備受國內同行業的關注，本項目研制的數字化車間在該公司首先投產后，在中壓開關行業具有典型的示范作用，對促進區域電工電氣產業集群化發展，打造國家西部電工電器城具有重要現實意義。

3.1.2 行業影響及作用

1.對中高壓開關行業技術進步的帶動作用

通過本項目的實施，研制并應用了新一代小型智能化中高壓氣體開關設備離散型智能制造系統，可實現清潔生產，降低生產耗能，提高勞動生產率，降低經營成本，并為節能和環保做出應有的貢獻。

天水長開是國內中高壓開關設備行業技術和品質的引領者，本項目為天水長開建成的中高壓氣體絕緣開關設備智能制造系統將成為中高壓開關行業技術改造的典范，并在中高壓開關行業技術改造中得到推廣應用。

2.對電工電器行業的示范作用

我國電工電器大多數行業，如變壓器、電機、繼電器等的制造和開關行業極其相似，都是典型的以銷定產模式，本項目實施的中高壓開關設備智能制造系統，對電工電器行業的絕大多數企業具有示范作用。本項目通過科技成果展示、論文等形式向國內開關行業推介，將為我國電工電氣行業技術改造發揮示范作用。

3.2 復制推廣情況

天水長開數字化車間項目完成后，北自所以此為模板，又先后為西電寶雞、青島益和、中航寶勝、特變電工等企業提供了類似的數字化生產車間技術方案并付諸實施。中航寶勝于2017年以此申報工業和信息化部 “國家智能制造專項”項目并獲批準。

第4章 總結

本項目利用長城電工天水長城開關廠有限公司現有的CAD、PLM等系統，使產品信息貫穿設計、制造、質量、物流等環節，實現了產品的生命周期管理。歷時4年多，建成了3條空氣絕緣開關元件裝配檢測分系統、3條空氣絕緣開關設備裝配檢測分系統、開關設備箱殼制造分系統、開關設備母線制造分系統、開關設備二次線束制造分系統、開關元件主回路制造分系統、自動化倉儲及物流分系統等11個生產制造分系統。通過企業資源計劃管理系統（ERP）、產品數據管理系統（PDM）、倉儲管理系統（WMS）以及制造執行系統（MES）等，采用檢驗工序化、加工設備數控化、關鍵設備智能化、倉儲物流自動化、車間管理信息化等相關技術縱向和橫向的集成，實現了銷售業務一體化、制造模型分線化、計劃分層化、設備管理信息化、物料項目化、成本控制明晰化、主數據集中化、制造流程模型化、檢驗數據實時化。該項目建成后，實現了12～24kV 及40.5kV 開關元件與成套設備由原材料、基礎零件到成套產品的自動化、規模化生產。具備年產60 000只灌封極柱、20 000臺中壓開關元件、15 000套中壓開關成套設備的能力。標志著天水長開在輸配電設備智能制造成套數字化車間、倉儲系統的智能化和斷路器視覺檢測的智能化于一體等方面已步入了一個新階段。

該項目在裝備行業層次較高、帶動較強、示范效果較好，符合產業發展方向和國家產業政策，也是首個通過工信部新模式應用智能制造驗收的項目，將對我國裝備制造業的供給側結構性改革以及智能化發展起到引領和促進作用；對我國電工電器行業轉型升級和提質增效，乃至推動制造業整體智能化升級發揮重要作用。同時，也為我國實現制造強國戰略目標奠定了堅實基礎。