張保增，張敬偉，劉靜然

（許繼集團有限公司，許昌 461000）

控制技術(shù)

智能電能表數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計

張保增，張敬偉，劉靜然

（許繼集團有限公司，許昌 461000）

為了有效提高智能電能表的生產(chǎn)效率，設(shè)計了智能電能表組裝生產(chǎn)線，實現(xiàn)了智能電能表的自動焊接、自動校表和檢測，提高了電能表生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，同時減輕了人工工作量。通過上位機設(shè)置加工方案，把加工方案設(shè)置到PLC中，使用西門子PLC自動對電能表生產(chǎn)線的線體和加工設(shè)備進行控制，實現(xiàn)了生產(chǎn)線的自動穩(wěn)定運行。

智能電能表；生產(chǎn)線；PLC

0 引言

近年來，隨著國家電網(wǎng)公司對智能電能表進行集中招標，智能電能表的生產(chǎn)從原來小批量多型號向大批量少型號轉(zhuǎn)變，投資大量資金使用生產(chǎn)線生產(chǎn)智能電能表變得經(jīng)濟。由于固定的電力公司的電能表種類較少，所以針對智能電能表的檢表流水線經(jīng)濟性較好。目前針對智能電能表進行檢定的流水線的開發(fā)和文獻較多[1～4]，但針對智能電能表的數(shù)字化生產(chǎn)線的研究和應(yīng)用較少，部分[5]僅實現(xiàn)了校表的功能，沒有把整個電能表的生產(chǎn)過程有機集成起來。

本文使用西門子PLC對智能電能表生產(chǎn)線進行集中控制，把整個智能電能表的組裝過程連接起來，通過流水線實現(xiàn)電能表從一個工序向下一個工序的自動流動，從而實現(xiàn)了電能表的自動化快速生產(chǎn)。

1 智能電能表生產(chǎn)現(xiàn)狀

智能電能表是智能電網(wǎng)(特別是智能配電網(wǎng))數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備之一，承擔(dān)著原始電能數(shù)據(jù)采集、計量和傳輸?shù)娜蝿?wù)，是實現(xiàn)信息集成、分析優(yōu)化和信息展現(xiàn)的基礎(chǔ)。在智能電表基礎(chǔ)上構(gòu)建的高級量測體系（advanced metering infrastructure，AMI）、自動抄表（automatic meter reading，AMR）系統(tǒng)能為用戶提供更加詳細的用電信息，使用戶可以更好地管理他們的用電量，以達到節(jié)省電費和減少溫室氣體排放的目標。

從2009年，國家電網(wǎng)公司也出版了自己公司的智能電能表系列公司標準，并不斷進行更新。國家電網(wǎng)公司從2009年開始試點智能電能表集中招標，并從2010年開始，國家電網(wǎng)公司開始電能表集中招標，目前國網(wǎng)表在電能表市場上所占份額變得越來越大。國家電網(wǎng)公司的標準和招標模式減少了電能表的型號，也增加了單一型號的電能表的招標數(shù)量，使得投資生產(chǎn)線對電能表進行批量生產(chǎn)變得經(jīng)濟。

電能表的生產(chǎn)過程主要包括電路板的組裝以及電能表整機組裝過程。由于電路板組裝過程屬于一般性的組裝過程，所以電路板組裝均在貼片以及插裝生產(chǎn)線上進行，不包括在電能表的自動生產(chǎn)范圍內(nèi)。

目前智能電能表的生產(chǎn)過程主要是包括電能表組裝、端子焊接、功能檢測和校表幾個過程。其中耗時最長的過程是校表過程，目前大多數(shù)公司采用的方法是采用人工在校表臺上裝卸，在各工位之間通過人工小車轉(zhuǎn)輸?shù)姆绞剑加幂^多的人工和車間空間，同時帶來較多的在制品。較慢的裝卸表過程也降低了檢表臺的設(shè)備使用率。部分公司采用了自動校表生產(chǎn)線，但焊接等工位仍然采用人工方式，效率較低。

2 控制系統(tǒng)

自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)框架如圖1所示。其中上位機實現(xiàn)生產(chǎn)過程配置的人機接口，人工可以在上位機上設(shè)置生產(chǎn)參數(shù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

圖1 電能表生產(chǎn)線控制系統(tǒng)框圖

通過博途軟件進行PLC的組態(tài)，組態(tài)圖如圖2所示。為了方便顯示，其中僅顯示了部分IO控制器。

圖2 PLC組態(tài)圖

2.1 PLC選擇

自動化生產(chǎn)線主控使用S7-1500PLC，各IO分站IO控制模塊ET200SP。針對加工設(shè)備，使用S7-1200 PLC進行控制，各加工設(shè)備之間通過工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET通信。

西門子S7-1500采用模塊化結(jié)構(gòu)，各種功能皆具有可擴展性。S7-1500帶有3個PROFINET接口。其中2個端口具有相同的IP地址，用于現(xiàn)場級通信，案例中實現(xiàn)與IO控制模塊之間通訊；第三個端口具有獨立的IP地址，集成到控制網(wǎng)絡(luò)中，案例中實現(xiàn)與上位機的通訊。

項目中S7-1500CPU選用1516-3 PN CPU，位運算周期0.01μs，定點運算0.016μs，工作存儲器程序空間1MB，數(shù)據(jù)空間5MB，存儲器16kB，編程語言選擇梯形圖語言。

針對生產(chǎn)物流傳輸線的控制使用西門子的IO控制模塊ET200SP。ET 200SP通過PROFINET將過程信號連接到中央控制器S7-1500。ET 200SP安裝于標準導(dǎo)軌，ET200SP中的接口模塊完成通訊功能；I/O模塊通過輸入輸出接口實現(xiàn)產(chǎn)線數(shù)據(jù)的采集和控制。

PROFINET網(wǎng)絡(luò)基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式，是近年來生產(chǎn)線控制通訊方案的首選[8]。IO控制器最多可以連接256個設(shè)備，對于整個以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是沒有限制的。而且IO控制器間可以實現(xiàn)實時的PROFINET CBA通信，最小刷新時間為1ms。

2.2 控制流程

PLC根據(jù)各電能表的配置方案對電能表進行相應(yīng)的加工。電能表的生產(chǎn)線線體主要分為緩沖工位和加工工位。在加工工位對設(shè)備進行加工操作，緩沖工位暫存待加工的電能表，以實現(xiàn)各加工工序之間的節(jié)拍匹配。加工工位的控制流程有限狀態(tài)機圖如圖3所示。當檢測到工裝板到位后，自動對電能表進行加工，加工完成后自動放行。

圖3 加工工位有限狀態(tài)機圖

緩沖工位的有限狀態(tài)機圖如圖4所示。當檢測到下一個工位空閑時，則把工裝板傳輸?shù)较乱粋€工位。當上一個工位有工裝板時，可以暫存待加工電能表。

圖4 緩沖工位控制有限狀態(tài)機圖

3 生產(chǎn)線流程

通常智能電能表的生產(chǎn)制造過程包括印刷電路板的貼片加工、組裝、校表、驗表、參數(shù)設(shè)置、功能測試、走字等多道工序。其中，校表、驗表、參數(shù)設(shè)置、功能測試、走字等工序都屬于與檢測有關(guān)聯(lián)的工作，在電能表生產(chǎn)制造的全過程中大約占了70%[5]。

生產(chǎn)線的設(shè)計主要包括生產(chǎn)線線體和加工工序設(shè)備組成。生產(chǎn)線線體負責(zé)及時準確把被加工電能表運送到加工位置，加工工序?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備的加工處理。電能表的加工流程如圖5所示。

圖5 電能表加工工藝流程圖

3.1 線體

線體實現(xiàn)電能表位置的固定，以及電能表在各個工位之間的轉(zhuǎn)運。設(shè)計的自動化生產(chǎn)線采用流水倍速鏈進行電能表在生產(chǎn)各工序間的流轉(zhuǎn)。為了提高在倍速鏈上傳輸?shù)男屎途_度，把電能表固定在工裝托盤上，使用工裝托盤保證電能表的相對位置，使用氣缸對工裝托盤的阻擋實現(xiàn)工裝托盤的定位。

工裝托盤采用鋁合金材料，在線體上使用金屬傳感器檢測工裝托盤的位置，實現(xiàn)對個體工裝托盤位置的檢測和追蹤。

3.2 上料

產(chǎn)品上料包括實現(xiàn)電路板組合、表殼的上料。由人工從供料盒中取出，實現(xiàn)表殼與電路板的組合安裝，放入流水皮帶線上。對于有實時時鐘要求的電能表，實現(xiàn)部分短路端子的焊接。完成組裝的電能表進入全自動生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過防反檢查保證電能表方向正確，之后掃描電能表上的條碼進行信息錄入，后電能表進入雙邊皮帶線進行鎖螺絲、焊接、除塵和進入廠內(nèi)模式等操作，操作完成后傳輸至倍速鏈上料處。

在倍速鏈上料處，使用機械手臂把電能表從雙邊皮帶線上抓取到工裝托盤上的相應(yīng)位置。同時對工裝托盤的RFID編號和電能表的條形碼進行關(guān)聯(lián)。

3.3 焊接

在把電路板組合安裝在表殼上后，由自動焊接機器人實現(xiàn)對電能表輔助端子的焊接。焊接完成后自動放行。為了實現(xiàn)輔助端子的自動焊接，在電路板組合上的輔助段子引線設(shè)計成硬連接引線，電能表殼體上的輔助段子直接插入電路板組合的焊接孔，由焊接機器人進行逐個焊點焊接。由于本工位需要時間較長，生產(chǎn)線設(shè)置了多個焊接機器人以保證節(jié)拍平衡。

3.4 組裝

電能表組裝過程包括表殼的組裝、載波模塊的組裝和標簽等的裝配。組裝過程采用人工操作。針對表殼的鎖螺釘、蓋表蓋操作使用自動化設(shè)備自動完成。鎖螺釘設(shè)備根據(jù)電能表的固定位置逐個鎖螺釘。鎖螺釘設(shè)備使用振動盤和氣動管道實現(xiàn)自動供釘，由設(shè)備自動完成鎖螺釘操作，鎖螺釘完成后檢測是否操作成功。當安裝完載波模塊后，自動實現(xiàn)電能表翻蓋的閉合。

3.5 校表和檢表

由于電能表制造過程的分流器和分壓電阻等元器件的個體差異，為了保證電能表的計量精度，需要對電能表進行校準。校表和檢表過程在自動檢表臺上進行。臺體通過氣缸推動，首先通過頂針實現(xiàn)工裝托盤的定位，然后通過氣缸推動接觸端子，通過氣壓驅(qū)動的方式，將電能表電流、電壓接線端及RS-485通信、脈沖、多功能輸出三對輔助接線端子與檢測裝置6表位工裝托盤一次性可靠自動連接。通過電能表的計量值（電流、電壓、功率）和標準電能表的計量值進行比對，更改電能表的計量修正系數(shù)，實現(xiàn)電能表計量精度的校準。校表方案存儲在校表臺上，校準完成后，對電能表的計量精度進行走字校對，判斷電能表是否合格，并把走字結(jié)果發(fā)送到上位機。

為了實現(xiàn)生產(chǎn)線的節(jié)拍平衡，在生產(chǎn)線中使用了多臺電能表校表設(shè)備。多臺設(shè)備之間并行布置，提高設(shè)備的使用率。同時在多臺校表設(shè)備之前設(shè)置較大的緩沖區(qū)，消除多臺校表設(shè)備同時需要進貨的工位饑餓狀態(tài)。

3.6 檢測

檢測過程實現(xiàn)對電能表的功能檢測，以便檢測出故障電能表。檢測項目包括液晶顯示檢測、脈沖燈檢測、蜂鳴器檢測、紅外通訊檢測、載波通訊檢測、耐壓檢測、按鍵檢測等，使用光學(xué)設(shè)備和聲學(xué)設(shè)備等自動實現(xiàn)對電能表各種功能的檢測，檢測完成后把檢測結(jié)果自動上傳到上位機，對檢測后的電能表自動放行。

對于檢測不合格的電能表，后面的工序不對其進行加工。在人工工位上，有電能表是否合格的指示燈標識，避免對不合格電能表的操作。

3.7 分揀

在完成電能表的功能測試之后，對于有壞表的工裝托盤進入分揀單元，通過機械手將壞表替換為好表，保證工裝托盤上的電能表全部為好表，充分利用調(diào)檢設(shè)備的使用效率。

3.8 抽檢

對于有抽檢要求的電能表可以通過上位機控制軟件指定需要抽檢的工裝托盤，電能表在調(diào)檢完成之后會再次流入調(diào)檢倉進行抽檢，并生成抽檢記錄，電能表不許下線即可完成抽檢操作，極大的提高了生產(chǎn)效率。

3.9 下料

完成裝配操作后，通過機械臂把電能表從工裝托盤上取下，放到皮帶線上，對電能表進行鉛封、打尾蓋螺釘、貼標簽、貼合格證等操作。

3.10 裝箱

電能表生產(chǎn)完成后，自動下表裝箱。由于目前電能表的包裝沒有統(tǒng)一的規(guī)定，不同的電力公司包裝要求不一致，生產(chǎn)線采用人工包裝的方式。包裝裝箱完成后，通過人工放置在托盤上，運輸至成品倉庫中。

目前的電能表生產(chǎn)線主要針對單相電能表，因為單相電能表的批量相對較大，生產(chǎn)線的投資平攤到每塊電能表上的成本較低。通過生產(chǎn)線的使用，可以大大提高車間的生產(chǎn)能力。

4 結(jié)束語

在電能表在生產(chǎn)線的定位方式上，目前還采用機械定位的方式，各種機械加工的精度和可靠性依賴于傳送鏈條與加工設(shè)備的相對位置，導(dǎo)致每一次設(shè)備的組裝都要進行大量的調(diào)試。下一步要增加設(shè)備自動定位電能表位置功能，這樣可以大量縮短加工時間。目前在生產(chǎn)線的電機都采用轉(zhuǎn)接啟停的方式，這種方式不僅對電力系統(tǒng)造成沖擊，同時不利于節(jié)能，還會對傳輸裝置的磨損造成不利影響，下一步需要進行有效優(yōu)化。

[1] 龍貴山,劉磊,劉穎,等.電能表自動化檢定及智能倉儲系統(tǒng)研究[J].電測與儀表,2015.5(30):95-100.

[2] 周莉.單相電能表自動檢定流水線系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].電氣技術(shù).2014.2:59-63.

[3] 劉程.電能表檢定流水線傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].江西電力.2013.6:76-77,92.

[4] 高利明,陳卓婭,張欲曉,等.一種智能化全自動流水線電能表檢定系統(tǒng)[J].河南電力,2011.4:38-41.

[5] 胡捷,等.智能電能表自動化生產(chǎn)線特征研究與探討[J].裝備制造技術(shù),2013.9.

[6] 陳先鋒.西門子全集成自動化技術(shù)綜合教程[M].北京:人民郵電出版社,2012.1.

[7] GB17215.301-2007.多功能電能表特殊要求[S].

[8] 張利新,徐揚.Profinet在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[A].冶金自動化全國冶金自動化信息網(wǎng)2016年會論文集[C].2016年,S1.

Smart electricity meter digitalized assembly line design

ZHANG Bao-zeng, ZHANG Jing-wei, LIU Jing-ran

TP29

A

1009-0134(2017)04-0016-04

2016-09-01

張保增（1979 -），男，河南人，工程師，工學(xué)碩士，研究方向為電子產(chǎn)品智能制造技術(shù)。