2023化挑战为机遇释放电子信息制造业发展潜力白皮书

施耐德电气参考指南 摘要 在全球产业快速发展的推动下，电子厂房面临着多重挑战，包括实现可持续发展目标、提高电力可靠性、加强网络安全、加强供应链管理、降低能源成本、提升运营效率、优化设备维护、吸引和留住高素质人才等。 本参考指南阐释了半导体制造企业如何应对这些挑战并将其转化为商业机遇。此外，该参考指南将通过具体案例展示半导体制造企业如何通过应用领先技术提升行业竞争力。本指南还将逐一分析不同示例中的驱动因素/核心挑战、将挑战转化为机遇的关键实践及案例研究。 致谢 在本指南的编写中，施耐德电气行业专家付出了宝贵的时间，提出了重要意见并对文稿进行校读。项目团队谨对下列专家致以感谢： Benson AngLisa de LeonAlice DucatillonMelissa HertelClaude Houbart SantiniSharon HuaTony Hunt EdwardJarvis KishoreNatarajan Bess NgDaniel OhRonald PayumoMorgane RamiChristophe RonzanoGeoffrey ScaringellaDebbie SetoDallal SlimaniElliott TurekJordan Vagnon胥颖李萌萌于方鸣 Hoffman Power ConsultingSteve Hoffman 目录 摘要i iii 简介1 提高电力供应可靠性、电能质量和系统韧性6 加强网络安全 12 关于施耐德电气17 首字母缩略词含义19 01 简介 简介 编写本指南的目的 本指南旨在： •阐释电子厂房应当如何应对挑战并将其转化为商业机遇。•通过具体场景示例，分析助力电子厂房在全球提升竞争力的领先实践。•为施耐德电气现有客户及潜在客户提供一本实现可持续发展目标、提高生产可靠性、降低成本、缓解供应链问题和应对其他挑战的全面参考。 场景示例 在本指南中，挑战即为机遇。 本指南介绍了半导体制造行业的重要“场景示例”。每一个示例均可视为企业当下面临的艰巨挑战，其中许多是由于电子行业当前的快速增长导致的。然而，这些示例也可以转变为机遇，积极并高效应对这些挑战将助力行业领先公司进一步提升全球竞争力。以下即为场景示例（见图1）： •实现可持续发展目标•提高电力供应可靠性、电能质量和系统韧性•加强网络安全•加强供应链管理•降低能源成本•提升运营效率•优化设备维护•吸引/留住高素质人才 本指南逐一分析了以上示例中的驱动因素/核心挑战、将挑战转化为机遇的关键实践及案例研究。 简介 图1本指南深入剖析了电子厂房的八大示例 基于全生命周期管理提升竞争力 通过全生命周期管理，可提升企业在半导体行业中的国际竞争力。 其中，部分示例与能源的使用、成本、质量、可靠性、韧性及可持续方面的高效管理紧密相关。通过全生命周期管理，可提升企业在半导体行业中的国际竞争力： •在项目阶段（电子厂房的设计和建造），通过降低总拥有成本、优化成本效益等方式应对国际市场需求。 •在运营阶段（电子厂房的运营和维护），通过提高系统韧性以保障全天候运营、确保投资回报、保持产品的高质量和准时交付、延长设备寿命、保护品牌声誉，从而降低运营支出，提升竞争力。 本指南全文（包括可持续性关键领域）主要围绕以下两个主题展开： •顺应工业4.0和数字化转型的背景，设施管理智能化转型的重要性日益提升•电子厂房从上至下对运营效率和能源效率的重视与日俱增 简介 选择一个在能源管理、工业自动化、数字化转型及可持续发展等领域拥有专长的合作伙伴，能够为芯片厂的建设提供强有力的服务和方案支持。 效率的定义 本指南将“效率”定义为电子厂房通过可量化的关键绩效指标（KPI）或其他指标来衡量改进方向，并据此来提高盈利的能力。 在本指南中，“效率”是由客户定义的，因此涵盖了电子厂房寻求改进和提高效率等方面内容，例如能源效率、运营效率、生产效率、设备维护效率、人员培训效率等。 这些效率中的每一种形式都可以使用KPI或其他制造厂当前使用的指标（例如，每单位产品的能源消耗）来衡量，而非采用外部公司建议的指标。现有的指标可应用于部门独立推进的项目、也适用于跨业务部门间合作的项目，或是与拥有良好业绩记录的合作伙伴的联合进行的创新业务。 在部分案例中，制造厂需要和外部公司或其他实体企业合作，才能达成目标，进而这又提升了外部公司与制造厂共同创新的商业效益。以为客户驱动的过程包括问询和适用公司目标、方案需求、约束条件、KPI等，进而将其作为改进的起点。这种方法同样适用于制造厂的设施侧和制造侧。这种方法同时适用于电子厂房设备端和制造端的“效率”评估。 迈向数字化转型 探索电子厂房数字化转型的最佳方式是跳出传统运营思维，确定未来3-5年的愿景。数字化转型解决方案有助于电子制造厂实现这些愿景。 这种策略能使制造厂决策者的思维暂时脱离当前物理世界（即厂房、资产和设备）的约束。数字化转型需决策者统筹全局，着眼未来，而非仅专注于解决当下存在的各种问题和挑战。因为也许3-5年后，当前的问题已不复存在。上述顾问式的方法能够帮助决策者突破现实条件的牵制，厘清转型目标和愿景，而这一方法也同样适用于生产运营、计划、维护、培训等。 愿景明确之后，需要进一步制定实现它的步骤路线图。这一路线图构筑了当前的制造厂与3-5年后的制造厂之间差距的桥梁，确定了如何沿着一条道路从“A”（今天）走到“B”（未来）。这一过程可以以设计思维工作坊的形式开展。在工作坊中，团队成员可以共建愿景，并以该愿景为背景，将数字化转型、联合共创、人才转型及其他优化提升路径融入其中。 简介 顾问式策略 数字化转型并非是一项技术性的工作，而是通过技术和流程的结合来满足特定的业务需求。 “多问为什么”的顾问式策略 在为客户提供解决方案时，传统的方法是直接向电子厂房负责人推荐某些技术，或者询问其所需的技术，进而提供技术。然而，与其询问他们需要什么，不如去了解其背后的原因。通过询问诸如“为什么贵公司想要这种技术？”的问题，引导公司负责人思考并分享其需求、使用某种特定解决方案的原因，并解释该解决方案将为公司带来什么样的商业价值。以这样的方式与客户沟通，帮助客户进行深层的思考，引导他们深入分析自身的业务需求、限制和目标，可以避免他们在不了解自身诉求的情况下，选择了不够适配的产品和解决方案。 首先应关注企业当前使用的解决方案 “多问为什么”的顾问式咨询过程应首先着眼于企业当前使用的解决方案，在当前解决方案的基础上改良优化，而不是推荐企业使用完全不同的方案。该策略适用于解决有关数据收集、网络安全、保密、隐私、云计算的使用、共同监测以及其他的潜在问题。在咨询过程中，需要询问企业想要使用什么技术，以及目前可以使用什么技术。这种策略也许能改变企业与外部公司的合作方式。 在此过程中，解决方案供应商需要询问的关键问题包括： •您是否需要此项服务？•目前的业务痛点是什么？•当前有哪些策略？•为何会采用这些策略？•如果我们可以提供便于您采取实际行动的解决方案，您是否感兴趣？ 对于上述问题，如果回答是肯定的，则推荐做法是向其说明此项服务将需要外部公司和制造厂一起获得并查看某些信息。并继续确认企业内部由谁，或由哪个部门负责管理此访问权限，并与负责的授权人员展开讨论。解决方案提供商需要一同参与讨论并对该方案的应用做出解释，接下来应该了解的问题为：您目前使用的是什么方案？之后您想如何做改造？此时，实际上就已经开始在设计最佳的解决方案了。 与外部公司向企业直接提供产品的常见方法不同，上述方法实际是在提供一项服务，其目标是通过明确业务目标，收集实现目标所需的信息，利用共同制定的流程收集数据并采取行动，并验证行动的结果。实际上，过往常用的直接替换方案（即简单地使用输出信息的产品）并不完美，因为那只是为了提供信息而提供信息。企业根本不理解信息的真正价值和作用，无法理解这些信息能够如何帮助企业实现业务目标，也无法根据这些信息去采取针对性的行动。 提高电力供应可靠性、电能质量和系统韧性 驱动因素 由于电子厂房高度依赖当地电网的电力供应，这可能导致企业面临电力供应可靠性、电能质量和系统韧性的挑战。 电力可靠性、电能质量和系统韧性不足可能降低运营效率和生产力、增加运维成本、损坏设备并导致成本高昂的意外停机。 厂区内的配电网和电气系统愈加复杂。对于电子厂房而言，这些复杂性来自设备类型增加、数字化程度升高、信息技术（IT）和操作技术（OT）网络的融合、物联网（IoT）的使用，以及其他终端。但是，这些系统都需要可靠，有弹性的电力。 在此背景下，电能质量问题（如电压干扰和波动）变得越来越频繁： •电能质量问题每年给欧洲经济造成的损失约为1,500亿欧元（1,630亿美元）。12•每次电压骤降和停电事故会给电子厂房造成约10,000至50,000欧元（11,000至54,000美元）的损失。13•30-40%的停机事件是由电能质量问题造成的。•超过15%的设施在运行时存在电能质量问题。 电子厂房对这些波动很敏感，需要抵御短时间电能质量波动，以及稍长时间的电力中断。 领先实践 为了降低电子厂房面临的风险，需减少其对当地配电网的依赖性。 减少对电网的依赖 施耐德电气建议主动采取措施，通过利用适当的电力系统设计、适当的电源调节设备、内部或第三方电源以及内部电源管理系统，确保即使在电网停止供电的情况下，也能维持电力供应。 电子厂房的基础构成要素之一是一套可应对风险的最佳电力系统。然而，只要在设计时增加了复杂性，就有可能增加风险。系统的过度设计以及过度复杂可能引入故障点和更多风险。因此，需要达到一种平衡，让可靠设计在不引入额外未知因素的情况下提供更多可靠性。 提高电力供应可靠性、电能质量和系统韧性 配电架构 目前，配电架构包括配有无功补偿设备、UPS、电池储能系统等的备用电源设计。电能质量治理方面使用这些电子器件已经相当成熟。这些电力电子设备可主动、精确、可靠地实时抵消波动。 目前的方法分为三个层级： •第一级纠正或“治理”厂房进线侧的电能质量。•第二级重要负荷带UPS，以确保在限电和停电期间能不间断供电。•第三级使用备用电源系统，以维持关键负载的持续供电（如几分钟、几小时或几天）。 目前，电能质量治理和系统可靠性提升的使命分别由不同的设备来承担。未来，施耐德电气将采用一套电源调节设备提升韧性，全面抵御各种干扰（从不到一个周波的中断，到几秒钟，再到几分钟、几小时甚至几天的中断）。这一领域的技术进步将为电子厂房提供持续稳定，清洁的电力，使其免受电网电压波动的影响。这些设计将即时减轻短期停电、长期停电，以及电能质量问题对制造厂带来的影响。 配电数字化 大多数情况下，功率缓解装置会自动运行。但是，电子厂房如何才能了解其在以下两个时间维度上面临的风险：1)实时风险，2)随着时间推移而产生的风险。因此，需要通过定期的数据采集，收集特定时间内的电能质量数据，并使用人工智能（AI）分析现场电气系统风险的潜在原因和根本原因。 •实时监控。根据数据监测关键指标实时趋势，确保厂房处于低风险状态。电力相关事件可能会发生得很突然，很迅速，且有可能造成灾难性的后果。通过实时监测收集与这些事件有关的信息，有助于快速诊断、有效应急响应，以及快速地进行事件恢复。生产时间减少就意味着收入损失，加速恢复电力对于电子厂房而言至关重要。 •电气资产生命周期管理。电力相关设备和系统会随着时间的推移而老化，而电气资产生命周期管理对于这些设备的监控而言，至关重要。不断变化且缓慢发生的慢性变化可能引起与电力有关的问题，导致韧性降低。进行电气资产生命周期管理，制造厂可依据指标检查趋势，了解使用过程中发生的变化，以确保电力的可持续性和韧性。还可以采集相关信息，以支持运营维护和厂房改扩建等决策。 电气系统数字孪生 提高电能可靠性、质量和韧性，另一种有效的方法是开发和利用电气系统数字孪