工业装备制造企业全价值链数字化转型

一、企业简介

       上海电气电站设备有限公司上海发电机厂（以下简称“上发厂”）隶属于上海电气集团股份有限公司电站集团，是和德国西门子公司共同投资，于1995年12月建立的合资企业，专业从事大中型汽轮发电机、及其配套励磁机和相关设备的设计、制造，并提供全生命周期服务，员工总数为977人。自获上海市市长质量奖后，先后获得全国安全文化建设示范企业（2017）、上海品牌首批认证企业（2018）、上海市核电制造质量先进单位（2018）、国家安全生产标准化一级企业（2018）、上海市首批智能工厂授牌企业（2020）等荣誉和称号。

       截止2022年底，上发厂共获得各项专利141项，其中发明专利75项。近五年，陆续开发完成并交付了1200MW级水氢氢发电机、660MW级双水内冷发电机、单轴500MW级燃气轮发电机、300Mvar调相机岛等具有完全自主知识产权的世界首创产品。产品出口至塞尔维亚、白俄罗斯、巴基斯坦、伊朗、印度、孟加拉、越南等全球19个国家、全国三十余个省市，先进技术及服务理念引领市场。

       上发厂承担的国家工信部智能制造标准化与新模式应用项目“电力装备（火电、核电）大型汽轮发电机智能工厂”，是国家首批智能制造专项项目，同时也是93项中唯一的电力装备领域智能制造新模式项目，2019年3月27日通过验收。2020年12月，上发厂成为上海市首批20家智能工厂授牌企业之一。

二、企业在智能制造方面的现状

       上发厂积极响应上海市以及上海电气集团的数字化转型要求，基于自身在几十年发展历程中积累的丰富装备制造行业经验，不断借鉴和对标先进企业的发展战略和运行模式，再结合自身的实际需求，形成了基于数字化理念以现代化信息系统为运作核心的数字化转型战略。从数字化设计研发、数字化生产制造、数字化运维服务和数字化管理四个方面进行布局，开展积极的探索与实践，使数字化转型逐渐成为企业的管理优势，不断创造新的机遇和价值。

       在数字化设计方面，基于模型的第三代设计技术，逐步构建标准的三维数字化样机，并形成产品制造的结构化工艺和产品研发资源库。同时，基于全参数的三维模型，对数字化产品进行性能仿真，创造出虚实同步的产品数字双胞胎，可在产品交付阶段与实物产品一同提供给用户，从而满足用户的个性化服务需求。

       数字化制造方面，我们在大型汽轮发电机产品的智能制造领域开展深入研究和应用。大力推进数字化设计与智能制造协同集成，应用数据管理、集成设计软件，打通从研发到生产全业务链的数据流转，以提升核心制造能力。同时，使研发、制造平台向供应链延伸，实现供应链协同管理。

       数字化运维服务是数字化产品面向社会和市场的最终价值体现，也是数字化建设的增值阶段。我们与用户一起建立的云端数字化服务可以通过实时数据开展一系列在线检查、诊断和维修方案评估，在维护产品状态、延续产品寿命的同时提升用户体验。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       （一） 产品研发-产品数字化研发与设计

       针对离散型装备制造行业，构建产品数字化研发设计能力。通过统一的在线协同设计平台，集成工厂研发设计过程中所用的各类软件/工具，实现规范化协同设计，并实现跨系统、跨专业、跨部门、跨地域（国内、国外）的并行协同设计，缩短产品设计周期。

       以往采用的线下离散型设计模式，其特点是没有统一的数据存储区域。引发的问题是检索困难、使用效率低，版本控制困难、权限控制困难，更新维护困难。其次是缺少统一的协同设计环境，信息孤岛多，线下沟通和人盯人管理模式普遍存在，引发的问题是数据传递不畅，研发效率低下。同时，由于缺少协同和信息传递不畅，导致由于设计偏差导致的质量问题居高不下，影响产品质量。

       基于Teamcenter软件构建上海电气集团协同设计平台，实现多研发中心、多工厂三维协同设计、产品数据管理、工作流与更改管理、三维参数化验证、仿真测试、数据安全与权限管理。具体方案包括：1. 围绕新产品开发业务流程，完整定义从设计DBOM到制造MBOM再到订单BOM的数据架构，打通产品数据流，提升订单产品的快速交付能力。2. 基于MBD技术，搭建产品三维数字化样机及其数据库，告别数据孤岛，实现研发知识的积累、应用和升值。3. 系统集成方面，通过NX-Teamcenter集成实现三维设计软件与PLM的实时数据协同；通过Teamcenter-SAP集成实现PLM与ERP的数据传输与协同。

       场景建设完成后，形成离散制造型企业协同设计平台管理应用新模式，实现三维协同、固化流程规范、实现知识积累。经过实际测算，实施后标准研发周期缩短47%，管理效率提升37%，由于设计问题导致的质量偏差降低54%。

       （二） 制造执行-关键工序智能化

       1）转子线圈铜排数字化自动加工和检测的智能生产线

       发电机转子线圈直线铜排规格种类有所不同，不同产品的通风孔/槽结构各异，各工位和设备独立操作，加工分散，中间物流转运效率较低。而且人工方式加工，工艺分散性大；设备综合利用率较低，总体生产效率提升困难；缺乏有效的数据支撑，制造工艺管理难度大；多品种、小批量混合加工切换及调度管理难度大。

    
       根据目标产品的种类和产品规格尺寸，输出了新的工艺要求。转子线圈铜排生产线配置上下料小车、桁架机械头、激光打标机、落料机、输送机、接头铣床、高速铣床、视觉检测设备等机构。加工时桁架机械手通过扫描铜排二维码信息来读取铜排信息，生产线自动配置铜排加工程序，铜排在生产线上完成打标记、铣接头、接头检测和铣通风孔，并通过各工位输送机和桁架在生产线上流转。视觉检测设备，通过拍摄方式判断接头加工质量，对于接头加工不合格的铜排，桁架机械手将其抓取到输送机上流出生产线。

       生产线从工厂MES系统中读取产品加工订单信息进行加工，加工完成后自动将完工信息反馈给MES系统。生产线动力拓扑采用就近分配原则，通讯拓扑采用环网+星型网络，安全拓扑采用SafetyBridge技术，实际线路优化，拓扑结构简洁、清晰，通讯稳定、安全性高。

       按照全自动化、高柔性的要求，基本完成了设备、仪器的采购，部分正在安装和调试，部分已经准备发运到厂。通过转子线圈直线铜排数字化自动加工和检测生产线的建设，实现了线圈在生产线上加工、调度自动化，无人工干预，实现了线圈加工和设备的自动预警、生产过程的自动优化和指导。提高了加工质量，产品质量可靠性达到100%，加工差错率为零；生产效率提高了25%以上，产线应用后人员减少1/2，人工工时降低100%，能耗降低5%以上。

       2）定子线圈端部自动弯形设备

       定子线圈作为发电机最核心部件，其端部形状为空间渐伸线。定子线圈端部人工弯形劳动强度大、操作分散、尺寸一致性较差。

       根据定子线圈的结构特点和制造工艺，以定子线圈三维数字化模型为基础，研制了端部自动成形设备，如图36所示。该设备可实现不同定子定子线棒端部一次性成型：实现线圈在设备上成形后的加热固化，可精确控制加热温度；设备配备液压切头工具，表冷线圈成型后可切去股线余量；设备配有中频感应加热设备，可实现线圈接头在端部成形设备上焊接；同时配备三维检测仪，成形后可在设备上进行端部尺寸精度的检测。

       设备根据线圈三维设计模型，经过计算机编译成弯形控制程序，采用自动化模式完成不同定子线圈端部弯形；具备成形数据局部修正的功能，根据形状偏差数值修正控制系统中的线圈回弹量等修正值，提高端部成形质量和效率。可实现定子线圈的快速测量检测和控制端部的成形形状和精度，提高端部成形质量和效率，降低线圈成形劳动强度，并尽可能减少模具的投入，缩短新产品线圈开发和试制的周期。不仅可节约大量的工模具设计制造费用，还可克服人工弯形工艺分散性大，劳动强度大、精度难以保证的缺点。设备还可采用逆向工程，承接修理业务的线圈制造，开拓服务市场。

       3）定子铁心冲片高效叠装工艺流程及机器人叠装系统

       大型汽轮发电机定子铁心由数万片定子冲片叠装而成，冲片不仅数量众多，而且单片重量大。铁心叠装不仅劳动强度大，而且叠装精度高，清洁度要求严格。针对铁心叠装特点，临港发电机部完成了高效机器人智能叠片系统的升级改造，开发了2套机器人叠装系统（每套1个机械手叠装平台+2机械臂）、智能存储立体仓库、AGV小车（自动传输冲片）和冲片自动传输线。在机器人自动叠片设备应用的基础上，配套物流设施的研究与应用，整体提升机器人自动叠装设备的效率，形成高效的定子铁心自动叠装智能生产制造系统，实现铁心叠片的智能化。

       课题还研究了阶梯段铁心段自动叠装、双片叠装、风道板等自动叠装技术，拓展了机器人的自动叠装应用范围，研究了不同通风方式铁心段吊装技术，整体提升了机器人自动叠装设备的效率。同时研究了铁心叠装工艺流程、生产节拍及物流，形成高效的定子铁心自动叠装生产制造系统，替代人工操作，提升生产资源的利用效率。

       通过铁心叠装智能化系统的实施，定子铁心的装配精度由±0.1mm提高到±0.03mm，质量大幅提高；每150mm叠装时间由3.5h下降为1.3h，效率提升1.7倍；人员减少近1/3，人工工时降低30%；高劳动强度的操作全部由机器人完成，把体力活变成技术活。同时机器人叠装防止铁心冲片生锈，而且降低了工艺分散性，减少了质量风险。

       （三） 售后服务-产品远程运维

       针对机组复杂的物理机理模型及频繁的负荷变化，搭建智能化监测诊断平台，结合温度、电气、环境、机械测点的实时数据，远程查看各类测点实时趋势变化，提供温度预测、趋势预警、故障诊断等功能，实现发电机/调相机远程智能运维的目的，辅助电厂定制检修计划，避免故障非计划性停机。配套智能监测诊断系统，可以有效管理电厂分散布置的设备和复杂多变设备问题，实现发电设备故障预警和健康寿命保障，防止发电设备异常及发展成故障受损；建立发电机运行数据管理台账，为发电机组安全、经济运行提供可行性依据；根据电厂历史运行数据，形成设备状态评估体系，指导电厂设备维护和检修；提高电厂运行效率，降低运行成本，增强电厂机组上网竞争力。

       传统发电机服务模式响应慢，当故障发生后，由现场运维人员联系主机厂家专家赴电厂现场查看排查问题，故障处理周期长，给电厂带来巨大的非计划性停机损失。由于发电机运维内容繁多，结构复杂，运维时间成本较大，同时电厂采用计划性检修的方式，固定周期停机检查，对于状态优良的机组，停机会造成电能损失，降低电厂收益。为了避免机组由于绝缘劣化、漏水、转子匝间短路等故障导致的非计划停机，提供一系列预警算法帮助运维人员提前识别故障，合理安排检修窗口；解决传统故障问题处理周期长，故障定位困难的问题，提供二叉树诊断提供故障处理方案，快速排查故障原因并处理故障，减小停机损失。

       平台基于BS架构设计，数据源层负责从DCS系统和在线监测装置中读取机组实时运行数据；采集层负责各种协议的接入及标准转换；平台服务层负责对时序数据、结构化数据、半结构化数据、非结构化数据进行存储，同时进行机理建模和数据训练；应用层负责加载各类智能算法应用，展示数据分析结果。平台提供机组数据可视化、运行温度预测、性能趋势分析、健康度评估、绝缘状态评估、易损件评估、二叉树故障诊断、专家案例库等功能模块。通过三维全景仿真，在仿真场景中动态融合展示设备与环境的关键传感器数据。通过大数据分析和神经网络训练，提供本体温度预测诊断功能。通过软件算法对信号进行尖刺突变滤波，进行趋势监测预警，自动进行状态评价。

       平台相比于传统的DCS监测软件，可视化效果更突出，并且开创性地研究出温度预测、趋势预警、绝缘分析等智能算法，为机组的安全运行保驾护航。温度预测算法精度可以保持在2K以内，二叉树故障诊断可将故障原因定位至具体部件。在多个调相机换流站项目中监测诊断效果优良，用户出具使用意见书，认为系统可以为机组的安全稳定运行保驾护航。

四、企业数字化转型的思考和难点

        多年来，随着企业分立追赶技术的创新，数字化的努力一直在扩大，比如我们常说的“上系统、上平台”。然而，数字化与数字化转型不是一回事，前者主要关乎的是让企业能够照常经营和“留在游戏中”，而后者关乎的是为成功建立真正的长期竞争优势。无论一个企业实施了多少数字化行动，都不能指望通过与竞争对手比肩的方式来取胜——他们全都在做雷同的事情，尽管速度不同。相反，企业需要后退一步，从根本上重新构想自己如何创造价值。重新设想你在世界上的位置，而不是专注于对你已做之事进行数字化。如果没有更根本性的业务转型，数字化本身就是一条迷途。

       业务转型的前提是组织转型，不进行数字化转型的数字化，不过是满足了对未来想象的一种形式主义。好比购买了洋枪洋炮的清军，装备是现代的，但它不是现代军队，现代军队只能在现代国家之中成长和孕育。

       因此，工厂未来的数字化转型道路，一定是围绕业务转型和组织转型展开的，切不可本末倒置。

       离散型制造是区别于流水线型制造的一个概念，产品的生产过程通常被分解成很多加工任务来完成。传统的离散型制特点是工艺流程复杂、手加工机加工并存、生产组织难度大、制造周期长。离散制造的产品往往由多个零件经过一系列并不连续的工序的加工最终装配而成。

       发电机属于典型的离散型制造复杂装备，并且在生产模式上属于ETO（面向订单的设计）模式，即在接到客户订单后，边设计、边生产。除了架构设计和开发外，产品开发、采购、加工、装配、发运等作业都是在企业有了客户销售订单后才开始进行的。无论是离散型制造还是ETO生产模式，都增加了制造的不确定性，给企业数字化转型和智能制造建设带来挑战。上发就是基于这样一种行业和生产模式特点进行的数字化转型实践和探索。