小型机电设备自动化改造降人力成本实践研究

冯承华

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摘要

当前制造业一线用工成本上涨、招工难、人员流动性大，是中小制造企业压缩成本、稳定产能的主要阻碍，国内大量中小工厂仍在使用服役3到8年的传统小型机电设备，这类设备仅具备基础运行功能，多个生产环节完全依赖人工，存在人力投入大、操作误差高、安全隐患多、综合成本高的问题。本文以五金加工车间三类常用小型机电设备为改造对象，结合中小工厂资金有限、无法整线换新的实际情况，采用模块化低成本自动化改造方案，依托相关元件完成设备半自动升级，不需要更换设备主体结构。对比改造前后的生产数据、人力配置与月度综合成本可以发现，改造后单生产工位可直接减少4名一线操作工，单工位月度人力成本降低12680元，产品不良率从4.12%降至0.87%，单班产能提升23.6%，同时消除了人工上下料的机械挤压安全隐患。本次低成本局部自动化改造适配中小微企业资金情况，改造成本回收期仅6.8个月，具备落地门槛低、改造周期短、降本效果明显、对老旧设备兼容度高的优势，能够为同类中小制造企业的老旧小型机电设备智能化升级、管控人力成本提供可复制的实践参考。

关键词：小型机电设备；自动化改造；PLC控制；人力成本；智能制造；降本增效

一、引言

后疫情时代制造业转型升级，我国制造业一线普工平均薪资已连续五年保持8%—12%的涨幅，同时新生代务工人员不愿从事重复性、高强度的机械岗位，企业普遍面临招工留人难、人工管理成本上升的压力。大型企业可投入千万级资金搭建全自动无人生产线，中小制造企业受生产规模、流动资金、场地条件限制，既无法直接淘汰存量老旧小型机电设备，也无法开展整线全自动智能化改造，只能依靠人工配合老旧设备维持基础生产。

现阶段中小工厂在用的小型冲压、物料输送、产品外观检测等设备都采用传统继电控制模式，自动化程度极低，每台设备都需要固定专人值守，由人工完成上下料、启停操控、次品分拣、物料转运等工作。而人工长时间重复作业容易疲劳走神，不仅会造成产品尺寸偏差、漏检错检等质量问题，还极易引发机械伤人的安全生产事故。

二、传统小型机电设备人工生产现存问题

2.1 岗位人力配置冗余，直接用工成本居高不下

本次调研选取本地五金配件加工厂3条半成品加工工位，工位包含小型冲压机2台、皮带输送线1套、人工外观检测台1套，改造前整条工位采用纯人工配合设备生产模式，单班需要配置上料工2名、下料转运工1名、外观检测工1名、设备值守巡检工1名，合计5名一线工人。按照当地制造业薪资标准，每名工人月度基本工资、社保、加班费、食宿补贴合计3170元，单工位月度直接人力成本高达15850元，人力成本占工位总生产成本的38.7%，生产成本结构严重失衡。

2.2 人工操作一致性差，产品质量波动明显

经车间三个月原始数据统计，人工操作工况下产品冲压尺寸偏差、物料放置偏移、外观漏检问题频发，产品平均不良率达到4.12%，返工返修占用额外人工与物料成本，进一步压缩产品利润空间。同时人工无法实现24小时连续稳定作业，早晚交接班、工间休息都会造成生产停顿，设备有效稼动率仅为71.3%，设备产能无法完全释放。

2.3 高危工位人工值守，安全生产风险突出

小型冲压机属于高危机电设备，传统模式下需要工人徒手放置工件、取出成品，设备机械冲头往复运行过程中，一旦工人手部避让不及时，极易发生挤压、剪切工伤事故。该车间近一年共发生2起轻微机械工伤事故，除工伤赔付费用外，还造成生产线临时停工、车间生产秩序混乱，带来隐性经济损失。

2.4 老旧设备兼容性差，全面换新改造成本过高

若直接淘汰全部老旧小型机电设备，更换一体化全自动生产线，单工位设备采购费用超过28万元，远超中小工厂单工位预算。同时全新全自动设备占地面积更大、运维难度更高，和车间现有场地、供电系统无法兼容，全面换新方案不具备落地可行性。

三、低成本自动化总体改造方案设计

3.1 改造总体原则

本次改造坚守三大核心原则，贴合中小企业实际生产需求：一是最小改动原则，保留原有设备机械主体、机架、传动结构，仅升级电气控制与自动执行模块；二是低成本投入原则，单工位整体改造总投入控制在7.2万元以内；三是易运维原则，改造后系统操作简单，原有普通操作工经过短期培训即可完成设备日常巡检，无需聘请专业自动化运维工程师。

3.2 核心改造硬件选型

本次改造以经济型PLC为控制核心，搭配低成本工业传感器与气动元件，无高端智能设备投入，具体硬件配置如下：选用西门子S7-200 SMART经济型PLC作为主控单元，负责全工位逻辑时序控制；加装漫反射光电传感器检测物料有无、到位位置；搭配气动推料气缸实现自动上下料；加装变频模块匹配输送线自动调速；接入声光报警模块实现故障自动报警；保留原有设备手动操作面板，支持自动/手动双模式切换，设备检修时可切换手动模式保障维护安全。

3.3 分设备自动化改造内容

1. 小型冲压机改造：取消人工徒手上下料模式，加装双气缸自动送料与卸料机构，光电传感器检测工件到位后，PLC自动触发冲压动作，冲压完成后自动卸料，全程无需人工接触冲压危险区域，实现冲压工序无人值守。
2. 皮带输送线改造：增加变频自动调速与物料拥堵检测功能，根据后端设备加工速度自动匹配输送速度，物料堆积时自动停机预警，避免物料堆叠损坏工件，替代专人看管输送线启停工作。
3. 外观检测工位改造：加装固定定位工装，统一工件摆放位置，配合光电计数模块完成次品自动分拣提示，减少人工肉眼检测的误差，仅需1名工人定期清理次品即可。

四、改造前后数据对比与降本效果分析

本次改造完成后开展为期两个月连续试运行，采集人力配置、生产成本、生产产能、产品质量、安全事故五大维度实测数据，对比结果如下表所示。

对比指标	改造前（人工模式）	改造后（自动化模式）	优化幅度
单班配置工人数量	5人	1人（仅巡检）	减少4人
单工位月度直接人力成本	15850元	3170元	降低12680元/月
单班产品产能	826件	1021件	提升23.6%
产品不良率	4.12%	0.87%	下降3.25%
设备有效稼动率	71.3%	94.5%	提升23.2%
年度工伤事故数量	2起	0起	安全事故清零

4.1 直接人力成本下降效益

改造后单工位单班仅保留1名巡检工人，负责设备日常巡查、次品清理与故障复位，直接减少4名固定岗位工人。月度直接节省人工薪资、社保及补贴费用12680元，年度节约直接人力成本152160元。同时减少人员招聘、岗前培训、人员离职交接等隐性管理成本，进一步降低车间综合运营开支。

4.2 生产与质量附加效益

自动化系统时序控制精准度远高于人工操作，设备启停、物料输送、冲压加工时序完全统一，彻底消除人工操作带来的质量偏差。产品不良率大幅下降，每月减少返工物料损耗与返工人工成本约1860元。同时设备可实现无间断连续作业，规避人工休息、走神带来的产能停滞问题，设备稼动率与整体产能同步提升，助力车间按时完成订单交付。

4.3 投资回收期核算

本次单工位自动化改造总投入72000元，结合月度直接节约人力成本12680元，扣除每月新增微量设备运维电费350元，月度净节约成本12330元，静态投资回收期仅为6.8个月，短期即可收回全部改造投入，长期降本收益十分可观。

五、改造存在的问题与优化对策

5.1 现存问题

一是本次为局部自动化改造，设备暂未接入车间物联网系统，无法实现远程数据监控与故障远程诊断；二是极端异形工件来料时，常规光电传感器识别精度不足，需要人工短暂辅助定位；三是一线老员工自动化操作熟练度不足，初期试运行存在操作不规范问题。

5.2 后续优化对策

后续可分批加装物联网通讯模块，将设备运行数据、故障代码上传至车间后台，实现远程可视化管控；针对异形工件加装激光定位传感器，提升物料识别兼容性；建立简易自动化设备操作手册，开展分批岗前实操培训，降低人为操作失误概率。

六、结论

在制造业人力成本持续攀升的大环境下，中小制造企业无需盲目追求高端无人生产线，立足自身存量设备开展轻量化、模块化自动化改造，是现阶段最贴合自身发展现状的降本路径。后续可结合车间生产订单需求，逐步拓展设备数据互联功能，由单机自动化向工位智能化稳步过渡，持续挖掘生产成本下降空间。

参考文献

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