基于小微改造的生產(chǎn)設(shè)備價值提升研究及應(yīng)用

王軍奎，張葉同，2，張 豪，康一鳴，史 健

（1.許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000；2.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北保定 071003；3.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100085）

0 引言

智能制造是國家振興實(shí)體經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的長期戰(zhàn)略。從企業(yè)的角度講，實(shí)施智能制造也是轉(zhuǎn)型升級、可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路[1-2]。

但是，智能制造由于投資大、建設(shè)周期長等原因，不能簡單地一哄而上。從制造業(yè)現(xiàn)狀來看，生產(chǎn)線的智能化升級成本讓很多企業(yè)望而卻步。中國大部分企業(yè)目前仍停留在“工業(yè)2.0”及“工業(yè)3.0”階段，智能制造則大致對應(yīng)著“工業(yè)4.0”階段，從“工業(yè)2.0”或“工業(yè)3.0”跨越到“工業(yè)4.0”，意味著需要投入大量的資金去做生產(chǎn)設(shè)備及運(yùn)營流程的升級改造，一般的中小型企業(yè)難以承擔(dān)，且不科學(xué)[3]。

從智能化升級來看，由于技術(shù)產(chǎn)品升級迭代快，現(xiàn)有的產(chǎn)線不足以支撐新產(chǎn)品、新技術(shù)的升級，或新機(jī)器、新設(shè)備簡單地一擁而上，又導(dǎo)致存量產(chǎn)線設(shè)施過早退役，最終形成老舊設(shè)備或閑置設(shè)備[4]。據(jù)有關(guān)資料介紹，2018 年全國國有企業(yè)資產(chǎn)總額210.4 萬億元，閑置設(shè)備約占總資產(chǎn)的20%，即有40 萬億元左右的設(shè)備是閑置的無價值的，且年折舊費(fèi)驚人，增大了企業(yè)的運(yùn)營成本[5]。

此外，由于制造型企業(yè)的業(yè)務(wù)特殊性，市場上不一定有完全滿足企業(yè)需要的生產(chǎn)設(shè)備。針對以上情況，本文提出了產(chǎn)線“小微改造”概念，作為智能制造內(nèi)涵的擴(kuò)展延伸，建立了設(shè)備全壽命周期成本精益化數(shù)學(xué)模型，以等年值法對成本模型進(jìn)行換算，并基于費(fèi)用效率法構(gòu)建了基于小微改造的生產(chǎn)設(shè)備全壽命周期價值模型[6-8]。通過對現(xiàn)有設(shè)備實(shí)施小微改造，解決制造型企業(yè)設(shè)備折舊過高、利用率低等運(yùn)營痛點(diǎn)，延長資產(chǎn)生命周期、降低企業(yè)成本，將智能制造優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為市場競爭優(yōu)勢。

1 小微改造

1.1 小微改造的含義

小微改造是指以較小投入成本，應(yīng)用最新的先進(jìn)技術(shù)成果和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行針對性改造，如給設(shè)備裝上新部件、新裝置、新附件，以改善現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)性能，使之達(dá)到或局部達(dá)到最為適宜的功能水平。

小微改造的功能與成本關(guān)系如圖1 所示，其中投入成本包括設(shè)備改造投入硬件和軟件成本、參與改造人員成本、改造期間停工或降產(chǎn)形成的損失等。F0表示小微改造目標(biāo)是以最小投入成本Cmin時，設(shè)備所能達(dá)到最為適宜且滿足需要的功能水平。

圖1 小微改造功能與成本關(guān)系

1.2 目的和優(yōu)點(diǎn)

小微改造的目的是通過改善或改變設(shè)備的性能提升自動化水平，甚至是實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、信息互聯(lián)互通，以提高生產(chǎn)產(chǎn)能、效率、質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，并夯實(shí)智能制造基礎(chǔ)，促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級高質(zhì)量發(fā)展。

在多數(shù)情況下，通過小微改造可使老舊、閑置設(shè)備達(dá)到新技術(shù)水平，而所需投資往往比用新設(shè)備替換要少。小微改造主要有如下優(yōu)點(diǎn)[9-10]：

（1）具有很大的針對性和適應(yīng)性。經(jīng)過小微改造，設(shè)備更能滿足具體要求，在某些情況下甚至超過新設(shè)備，有時通過小微改造的設(shè)備，技術(shù)性能比新設(shè)備還高。因此在特殊情況下，對新設(shè)備也可以進(jìn)行改造，尤其在產(chǎn)品更新?lián)Q代緩慢的條件下，具有較大的意義。

（2）對設(shè)備進(jìn)行小微改造，可以收到時間短、投資少、見效快的效果，“即插即用”，不影響既有的生產(chǎn)活動。小微改造的投資一般僅占同類新設(shè)備購置費(fèi)用的1%～5%。

（3）自動化水平提升減少了生產(chǎn)過程中對人工的依賴，節(jié)省一線生產(chǎn)用工。

推進(jìn)智能制造過程中，小微改造能以最小投入成本實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動化、數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)互通，提升企業(yè)整體運(yùn)營水平。對于制造型企業(yè)來說，凡是通過小微改造能達(dá)到生產(chǎn)要求的，都應(yīng)積極利用這個途徑來解決。因此，不能將小微改造看成是一項(xiàng)被迫的臨時措施，而應(yīng)該看成是提高現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)水平的重要的、經(jīng)常性的、有價值的、經(jīng)濟(jì)性的手段。

2 價值模型

從管理會計的角度上看，成本是指企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營過程中對象化的、以貨幣表現(xiàn)的、為達(dá)到一定目的而應(yīng)當(dāng)或可能發(fā)生的各種經(jīng)濟(jì)資源的價值犧牲或代價。

LCC（Life Cycle Cost，全壽命周期成本）是指設(shè)備一生的總費(fèi)用，是設(shè)備從論證開始一直到報廢的整個周期內(nèi)發(fā)生的全部支出費(fèi)用的總和。它主要由初始投資成本CI、運(yùn)行成本CO、檢修維護(hù)成本CM、故障成本CF及報廢成本CD五部分組成。全壽命周期成本模型計算方式：

小微改造可延長設(shè)備使用壽命和經(jīng)濟(jì)壽命，避免因技術(shù)敏捷迭代而提前退役造成損失，降低運(yùn)行成本，同時，維護(hù)成本和故障成本也會有所下降，但相對可忽略。因此，式（1）可簡化為：

本研究結(jié)合實(shí)際，先建立設(shè)備全壽命周期成本的精益化數(shù)學(xué)模型即式（2），以等年值法對成本模型進(jìn)行換算，再基于費(fèi)用效率法，建立小微改造相對價值分析的費(fèi)用效益模型。

等年值法就是按投資的必要報酬率將全部現(xiàn)金流量或凈現(xiàn)值換算為相當(dāng)于整個壽命期內(nèi)每年平均發(fā)生的等額現(xiàn)金流量或凈等年值，再據(jù)此分析和評價投資方案的方法。

2.1 全壽命周期成本模型

2.1.1 初始投資成本模型

初始投資成本是指設(shè)備投入運(yùn)行前發(fā)生的一切費(fèi)用之和，包括規(guī)劃設(shè)計費(fèi)用、土建費(fèi)、設(shè)備購置費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、安裝及調(diào)試費(fèi)、保險費(fèi)等。采用等年值法將初始投資成本進(jìn)行換算。

式中，C1為初始投資成本的等年值；V1為初始投資成本，等于設(shè)備購置費(fèi)V0及其余初始投資成本V0'之和，即V1=V0+V0'。

2.1.2 報廢成本模型

報廢成本在LCC 中也不容忽視，設(shè)備報廢成本可以分為殘值回收收入、提前退役損失成本和處置費(fèi)用3 個部分。

式中，ρ 為殘值系數(shù)或回收系數(shù)，一般取5%，負(fù)號表示相對于成本支出，收入為負(fù)值；n'為設(shè)備實(shí)際運(yùn)行年限，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行年限大于或等于期望使用壽命時，提前退役損失成本為零；dc為報廢處置成本現(xiàn)值。

2.1.3 運(yùn)行成本模型

運(yùn)行成本是指運(yùn)行期間所產(chǎn)生的一切費(fèi)用的總和，包括能耗費(fèi)用、環(huán)境費(fèi)用、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用及其他費(fèi)用。

假設(shè)設(shè)備運(yùn)營期間，每年運(yùn)行成本相同，且均為設(shè)備購置費(fèi)的百分比，第t（1≤t≤n）年設(shè)備的運(yùn)行成本：

式中，δ 為運(yùn)行成本率，一般取1%～5%。

采用等年值法進(jìn)行折算，則得出式（6），即平均每年的運(yùn)行成本:

2.1.4 全壽命周期成本總模型

綜上所述，經(jīng)過折算后的設(shè)備全壽命周期成本精益化等年值模型為：

由式（7）可看出，若實(shí)施小微改造延長設(shè)備期望使用壽命n或?qū)嶋H運(yùn)行年限n'，則等年值LCC 降低。

2.2 基于費(fèi)用效率法的相對價值模型

小微改造旨在以較小的投入，改善或改變設(shè)備的性能，提升自動化水平，甚至是實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、信息互聯(lián)互通，以提高生產(chǎn)產(chǎn)能、效率、質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造效益。因此，可定義費(fèi)用效率比即是小微改造的相對價值。

2.2.1 費(fèi)用效率法

費(fèi)用效率（ce）是指系統(tǒng)效率（se）與壽命周期成本（lcc）的比值。

式中，se 是投入壽命周期成本后所取得的效果或者說明任務(wù)完成到什么程度的指標(biāo)。系統(tǒng)效率通常包括產(chǎn)量、質(zhì)量、成本、交貨期、安全、環(huán)保和人機(jī)匹配關(guān)系等方面的經(jīng)濟(jì)效益、價值、效率。

2.2.2 相對價值模型

小微改造以提高企業(yè)效益為目標(biāo)，追求以最小的投入實(shí)現(xiàn)設(shè)備所具備的功能，滿足生產(chǎn)的需求。故建立小微改造價值模型：

式中，V 表示小微改造價值，e 表示系統(tǒng)效率se，l 表示壽命周期成本lcc（包含小微改造投入成本Cmin）；式（9）存在單位不統(tǒng)一、使用局限性大等缺點(diǎn)，選取基準(zhǔn)e0、l0，令:

式中，Δe、Δl 分別為設(shè)備系統(tǒng)效率se 增量、全壽命周期成本lcc 增量。將式（9）優(yōu)化為:

限于篇幅有限，系統(tǒng)效率se 的計算方法不作論述?；谛∥⒏脑斓南鄬r值模型顯著改善了傳統(tǒng)價值分析的缺點(diǎn)，具有適用范圍廣、可量化等優(yōu)點(diǎn)。

3 實(shí)踐案例

以某大型電力裝備企業(yè)的變壓器繞線機(jī)小微改造項(xiàng)目為例。因公司業(yè)務(wù)調(diào)整，油浸式變壓器車間5 臺已運(yùn)行5 年的臥式繞線機(jī)處于閑置狀態(tài)，而干式變壓器車間繞線設(shè)備嚴(yán)重不足，限制了干變的產(chǎn)能。需分白班和夜班生產(chǎn)來彌補(bǔ)設(shè)備的不足，夜班人員上、下班也有很多不安全因素，另外也造成能源浪費(fèi)。通過以前產(chǎn)品質(zhì)量分析，大部分質(zhì)量問題發(fā)生在夜班。油變和干變的繞線機(jī)組成一樣，工藝的區(qū)別僅是對繞線設(shè)備功能要求不一樣，可通過小微改造實(shí)現(xiàn)閑置設(shè)備再利用。

結(jié)合干變繞線遇到的問題和操作者提出的改進(jìn)建議，重新設(shè)計觸摸屏界面，并自主研發(fā)改進(jìn)PLC 控制程序，不僅解決了工藝不同的問題，而且解決了以前干變繞線機(jī)存在的缺陷，設(shè)備功能水平大幅度提升。小微改造投入費(fèi)用除人工外（自主改造，可不計入成本），僅僅是控制面板（每張50 元），實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)參、自動計數(shù)、自動預(yù)警、自動計時、實(shí)時監(jiān)控、無極變速等功能。在進(jìn)行LCC 估算前，作以下假設(shè)：繞線機(jī)的初始投資成本6 萬元，其中設(shè)備購置費(fèi)5 萬元；期望使用壽命n 為10 年；利率i為4.35%；運(yùn)行成本率δ 為2%；退役處置成本dc 為500 元；回收系數(shù)ρ 為5%。

小微改造前，油浸式變壓器車間已運(yùn)行5 年的臥式繞線機(jī)處于閑置狀態(tài)，設(shè)備實(shí)際運(yùn)行年限n'為5 年。每臺繞線機(jī)的成本：LCC=CI+CD+CO=92 340 元，見表1。

表1 小微改造前繞線機(jī)LCC 計算結(jié)果

小微改造后，延長期望使用壽命n 至12 年，設(shè)備實(shí)際運(yùn)行年限n'達(dá)到了10 年，每臺繞線機(jī)的LCC=CI+CD+CO+50=78 976 元，見表2。

表2 小微改造后繞線機(jī)LCC 計算結(jié)果

由表1 和表2 數(shù)據(jù)可得，ΔLCC=-13 364 元，Δl＇=-0.14。

該小微改造效益，主要有2 個指標(biāo)：一是每臺繞線機(jī)日產(chǎn)出由1 套線圈提升至1.1 套；二是產(chǎn)品合格率由原來的95%提升至99%。可得：。小微改造相對價值V'=。

相對價值計算結(jié)果顯示，通過小微改造使得設(shè)備全壽命周期的相對價值提高了32%。該小微改造不僅盤活了閑置資源，提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，滿足生產(chǎn)需求，取消干變車間夜班生產(chǎn)，降低班組管理難度，而且減少了企業(yè)新設(shè)備投資約40 萬元。通過該實(shí)踐案例驗(yàn)證了小微改造效果良好。

4 結(jié)束語

分析制造企業(yè)實(shí)施智能制造的局限性，提出小微改造的基本理念以及實(shí)施小微改造的目的和優(yōu)勢。改進(jìn)設(shè)備全壽命周期成本模型，結(jié)合等年值法與費(fèi)用效率法，建立小微改造價值模型。通過實(shí)踐應(yīng)用案例，驗(yàn)證了小微改造對設(shè)備全壽命周期價值提升的有效性。