基于小微改造的生产设备价值提升研究及应用

王军奎，张叶同，2，张 豪，康一鸣，史 健

（1.许继集团有限公司，河南许昌 461000；2.华北电力大学机械工程系，河北保定 071003；3.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100085）

0 引言

智能制造是国家振兴实体经济，促进制造业高质量发展，实现制造强国的长期战略。从企业的角度讲，实施智能制造也是转型升级、可持续发展的必经之路[1-2]。

但是，智能制造由于投资大、建设周期长等原因，不能简单地一哄而上。从制造业现状来看，生产线的智能化升级成本让很多企业望而却步。中国大部分企业目前仍停留在“工业2.0”及“工业3.0”阶段，智能制造则大致对应着“工业4.0”阶段，从“工业2.0”或“工业3.0”跨越到“工业4.0”，意味着需要投入大量的资金去做生产设备及运营流程的升级改造，一般的中小型企业难以承担，且不科学[3]。

从智能化升级来看，由于技术产品升级迭代快，现有的产线不足以支撑新产品、新技术的升级，或新机器、新设备简单地一拥而上，又导致存量产线设施过早退役，最终形成老旧设备或闲置设备[4]。据有关资料介绍，2018 年全国国有企业资产总额210.4 万亿元，闲置设备约占总资产的20%，即有40 万亿元左右的设备是闲置的无价值的，且年折旧费惊人，增大了企业的运营成本[5]。

此外，由于制造型企业的业务特殊性，市场上不一定有完全满足企业需要的生产设备。针对以上情况，本文提出了产线“小微改造”概念，作为智能制造内涵的扩展延伸，建立了设备全寿命周期成本精益化数学模型，以等年值法对成本模型进行换算，并基于费用效率法构建了基于小微改造的生产设备全寿命周期价值模型[6-8]。通过对现有设备实施小微改造，解决制造型企业设备折旧过高、利用率低等运营痛点，延长资产生命周期、降低企业成本，将智能制造优势转化为市场竞争优势。

1 小微改造

1.1 小微改造的含义

小微改造是指以较小投入成本，应用最新的先进技术成果和先进经验，对现有设备进行针对性改造，如给设备装上新部件、新装置、新附件，以改善现有设备的技术性能，使之达到或局部达到最为适宜的功能水平。

小微改造的功能与成本关系如图1 所示，其中投入成本包括设备改造投入硬件和软件成本、参与改造人员成本、改造期间停工或降产形成的损失等。F0表示小微改造目标是以最小投入成本Cmin时，设备所能达到最为适宜且满足需要的功能水平。

图1 小微改造功能与成本关系

1.2 目的和优点

小微改造的目的是通过改善或改变设备的性能提升自动化水平，甚至是实现设备数据采集、信息互联互通，以提高生产产能、效率、质量，降低生产成本，并夯实智能制造基础，促进企业转型升级高质量发展。

在多数情况下，通过小微改造可使老旧、闲置设备达到新技术水平，而所需投资往往比用新设备替换要少。小微改造主要有如下优点[9-10]：

（1）具有很大的针对性和适应性。经过小微改造，设备更能满足具体要求，在某些情况下甚至超过新设备，有时通过小微改造的设备，技术性能比新设备还高。因此在特殊情况下，对新设备也可以进行改造，尤其在产品更新换代缓慢的条件下，具有较大的意义。

（2）对设备进行小微改造，可以收到时间短、投资少、见效快的效果，“即插即用”，不影响既有的生产活动。小微改造的投资一般仅占同类新设备购置费用的1%～5%。

（3）自动化水平提升减少了生产过程中对人工的依赖，节省一线生产用工。

推进智能制造过程中，小微改造能以最小投入成本实现设备的自动化、数据采集、互联互通，提升企业整体运营水平。对于制造型企业来说，凡是通过小微改造能达到生产要求的，都应积极利用这个途径来解决。因此，不能将小微改造看成是一项被迫的临时措施，而应该看成是提高现有设备技术水平的重要的、经常性的、有价值的、经济性的手段。

2 价值模型

从管理会计的角度上看，成本是指企业在生产经营过程中对象化的、以货币表现的、为达到一定目的而应当或可能发生的各种经济资源的价值牺牲或代价。

LCC（Life Cycle Cost，全寿命周期成本）是指设备一生的总费用，是设备从论证开始一直到报废的整个周期内发生的全部支出费用的总和。它主要由初始投资成本CI、运行成本CO、检修维护成本CM、故障成本CF及报废成本CD五部分组成。全寿命周期成本模型计算方式：

小微改造可延长设备使用寿命和经济寿命，避免因技术敏捷迭代而提前退役造成损失，降低运行成本，同时，维护成本和故障成本也会有所下降，但相对可忽略。因此，式（1）可简化为：

本研究结合实际，先建立设备全寿命周期成本的精益化数学模型即式（2），以等年值法对成本模型进行换算，再基于费用效率法，建立小微改造相对价值分析的费用效益模型。

等年值法就是按投资的必要报酬率将全部现金流量或净现值换算为相当于整个寿命期内每年平均发生的等额现金流量或净等年值，再据此分析和评价投资方案的方法。

2.1 全寿命周期成本模型

2.1.1 初始投资成本模型

初始投资成本是指设备投入运行前发生的一切费用之和，包括规划设计费用、土建费、设备购置费、运输费、安装及调试费、保险费等。采用等年值法将初始投资成本进行换算。

式中，C1为初始投资成本的等年值；V1为初始投资成本，等于设备购置费V0及其余初始投资成本V0'之和，即V1=V0+V0'。

2.1.2 报废成本模型

报废成本在LCC 中也不容忽视，设备报废成本可以分为残值回收收入、提前退役损失成本和处置费用3 个部分。

式中，ρ 为残值系数或回收系数，一般取5%，负号表示相对于成本支出，收入为负值；n'为设备实际运行年限，当实际运行年限大于或等于期望使用寿命时，提前退役损失成本为零；dc为报废处置成本现值。

2.1.3 运行成本模型

运行成本是指运行期间所产生的一切费用的总和，包括能耗费用、环境费用、维护保养费用及其他费用。

假设设备运营期间，每年运行成本相同，且均为设备购置费的百分比，第t（1≤t≤n）年设备的运行成本：

式中，δ 为运行成本率，一般取1%～5%。

采用等年值法进行折算，则得出式（6），即平均每年的运行成本:

2.1.4 全寿命周期成本总模型

综上所述，经过折算后的设备全寿命周期成本精益化等年值模型为：

由式（7）可看出，若实施小微改造延长设备期望使用寿命n或实际运行年限n'，则等年值LCC 降低。

2.2 基于费用效率法的相对价值模型

小微改造旨在以较小的投入，改善或改变设备的性能，提升自动化水平，甚至是实现设备数据采集、信息互联互通，以提高生产产能、效率、质量，降低生产成本，为企业创造效益。因此，可定义费用效率比即是小微改造的相对价值。

2.2.1 费用效率法

费用效率（ce）是指系统效率（se）与寿命周期成本（lcc）的比值。

式中，se 是投入寿命周期成本后所取得的效果或者说明任务完成到什么程度的指标。系统效率通常包括产量、质量、成本、交货期、安全、环保和人机匹配关系等方面的经济效益、价值、效率。

2.2.2 相对价值模型

小微改造以提高企业效益为目标，追求以最小的投入实现设备所具备的功能，满足生产的需求。故建立小微改造价值模型：

式中，V 表示小微改造价值，e 表示系统效率se，l 表示寿命周期成本lcc（包含小微改造投入成本Cmin）；式（9）存在单位不统一、使用局限性大等缺点，选取基准e0、l0，令:

式中，Δe、Δl 分别为设备系统效率se 增量、全寿命周期成本lcc 增量。将式（9）优化为:

限于篇幅有限，系统效率se 的计算方法不作论述。基于小微改造的相对价值模型显著改善了传统价值分析的缺点，具有适用范围广、可量化等优点。

3 实践案例

以某大型电力装备企业的变压器绕线机小微改造项目为例。因公司业务调整，油浸式变压器车间5 台已运行5 年的卧式绕线机处于闲置状态，而干式变压器车间绕线设备严重不足，限制了干变的产能。需分白班和夜班生产来弥补设备的不足，夜班人员上、下班也有很多不安全因素，另外也造成能源浪费。通过以前产品质量分析，大部分质量问题发生在夜班。油变和干变的绕线机组成一样，工艺的区别仅是对绕线设备功能要求不一样，可通过小微改造实现闲置设备再利用。

结合干变绕线遇到的问题和操作者提出的改进建议，重新设计触摸屏界面，并自主研发改进PLC 控制程序，不仅解决了工艺不同的问题，而且解决了以前干变绕线机存在的缺陷，设备功能水平大幅度提升。小微改造投入费用除人工外（自主改造，可不计入成本），仅仅是控制面板（每张50 元），实现了自主设参、自动计数、自动预警、自动计时、实时监控、无极变速等功能。在进行LCC 估算前，作以下假设：绕线机的初始投资成本6 万元，其中设备购置费5 万元；期望使用寿命n 为10 年；利率i为4.35%；运行成本率δ 为2%；退役处置成本dc 为500 元；回收系数ρ 为5%。

小微改造前，油浸式变压器车间已运行5 年的卧式绕线机处于闲置状态，设备实际运行年限n'为5 年。每台绕线机的成本：LCC=CI+CD+CO=92 340 元，见表1。

表1 小微改造前绕线机LCC 计算结果

小微改造后，延长期望使用寿命n 至12 年，设备实际运行年限n'达到了10 年，每台绕线机的LCC=CI+CD+CO+50=78 976 元，见表2。

表2 小微改造后绕线机LCC 计算结果

由表1 和表2 数据可得，ΔLCC=-13 364 元，Δl＇=-0.14。

该小微改造效益，主要有2 个指标：一是每台绕线机日产出由1 套线圈提升至1.1 套；二是产品合格率由原来的95%提升至99%。可得：。小微改造相对价值V'=。

相对价值计算结果显示，通过小微改造使得设备全寿命周期的相对价值提高了32%。该小微改造不仅盘活了闲置资源，提升了生产效率和产品质量，满足生产需求，取消干变车间夜班生产，降低班组管理难度，而且减少了企业新设备投资约40 万元。通过该实践案例验证了小微改造效果良好。

4 结束语

分析制造企业实施智能制造的局限性，提出小微改造的基本理念以及实施小微改造的目的和优势。改进设备全寿命周期成本模型，结合等年值法与费用效率法，建立小微改造价值模型。通过实践应用案例，验证了小微改造对设备全寿命周期价值提升的有效性。