陳 兵，李晉航，石致遠(yuǎn)，殷慶文，吳文亮

（東方電氣集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

定子沖片是大型發(fā)電設(shè)備的核心部件，其制造質(zhì)量和性能的優(yōu)劣直接影響著發(fā)電設(shè)備整體質(zhì)量和性能[1]。發(fā)電設(shè)備需根據(jù)客戶要求進行定制化設(shè)計，其制造屬于典型的離散制造，高成本、低效益特征明顯。

國內(nèi)外機構(gòu)和企業(yè)對沖片離散制造自動化過程保持高度重視并積極技術(shù)探索。Dotoli[2]、Fay[3]等人指出當(dāng)前制造自動化技術(shù)正朝著集成化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化方向發(fā)展，歐美等發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)加快離散生產(chǎn)過程改造，德國西門子與SCHULER公司合作研制出定子沖片集成自動生產(chǎn)線，使沖片一次完成沖壓、去毛刺、刷漆、烘焙、落料等工藝，提高了沖片的生產(chǎn)效率；美國GE公司在燃機生產(chǎn)線上引入機器人、3D打印等柔性自動化技術(shù)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，增強了產(chǎn)線的柔性；類似的企業(yè)還有瑞典的ABB、日本的三菱等[4]。國內(nèi)華中科技大學(xué)[5]、華南理工大學(xué)[6]等高校與企業(yè)合作對車輛電機定轉(zhuǎn)子沖片自動化生產(chǎn)線進行研究，沈陽麥格文智公司[7]對小型發(fā)電機和電動機定子鐵芯自動產(chǎn)線進行了設(shè)計，均成功將離散制造集成化和流程化改造，但產(chǎn)線上的關(guān)鍵瓶頸設(shè)備無法共享使用，造成產(chǎn)線柔性不足，制造資源緊張。

綜上所述，目前國內(nèi)面向發(fā)電設(shè)備的制造自動化技術(shù)研究不足，制造能力與歐美等國際企業(yè)相比仍有一定差距，制約了企業(yè)的發(fā)展，迫切需要進行自動化升級改造。本文在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)自動化制造技術(shù)之上，深入分析定子沖片產(chǎn)品特點和制造工藝問題，開展定子沖片高柔性混合生產(chǎn)自動技術(shù)研究和設(shè)備自主研制，在數(shù)字化車間建設(shè)實踐中進行應(yīng)用示范。

1 大型發(fā)電設(shè)備定子沖片特點及制造難點

1.1 大型發(fā)電設(shè)備定子沖片特點

定子沖片由0.3mm～0.6mm厚度的薄硅鋼片制作而成，如圖1所示，需根據(jù)客戶個性化要求進行定制設(shè)計制造，導(dǎo)致其外形尺寸差異大、種類繁多[8]。例如一臺600MW火電發(fā)電機組由二十多萬張定子沖片組成，涉及正常片、項號片、調(diào)節(jié)片以及槽板等4大種類十幾種規(guī)格。

圖1 大型發(fā)電設(shè)備定子沖片

1.2 大型發(fā)電設(shè)備定子沖片生產(chǎn)難點

大型發(fā)電設(shè)備定子沖片原工藝人工現(xiàn)場作業(yè)如圖2所示，制造流程如圖3所示，總結(jié)歸納出以下5個典型工藝特點及問題：

圖2 原工藝人工去毛刺和成品下料作業(yè)

1）工藝流程：橫向多規(guī)格批量配套組合生產(chǎn)，縱向多個過程復(fù)合交叉，工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長；

2）人工作業(yè)：手工單機作業(yè)多，人工成本高，投入產(chǎn)出不匹配；

3）物料轉(zhuǎn)運：物流工具資源緊缺，轉(zhuǎn)運效率低，生產(chǎn)節(jié)拍不平衡，序間半成品積壓嚴(yán)重；

4）工藝要求：尺寸精度和表面質(zhì)量要求在微米級，單片生產(chǎn)時間不超過4秒，制造精度和加工效率要求高；

5）生產(chǎn)組織：信息反饋和統(tǒng)計不及時不準(zhǔn)確，生產(chǎn)計劃無法有效指導(dǎo)一線生產(chǎn)，生產(chǎn)組織較為混亂。

可以看出，定子沖片制造屬于典型的多品種、中小批量、定制化的離散生產(chǎn)，相較一般離散制造而言其對加工精度、制造成本、生產(chǎn)效率、表面質(zhì)量等要求更加嚴(yán)格[9]。隨著市場競爭愈加激烈，客戶要求越來越多樣化，人工單機作業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造方式無法適應(yīng)多品種沖片高效高柔性制造需求，需采用自動化、數(shù)字化等先進技術(shù)，考慮關(guān)鍵瓶頸設(shè)備綜合利用、多批量成組混合制造以及全流程制造等要求，改造定子沖片傳統(tǒng)制造作業(yè)模式。將傳統(tǒng)離散制造作業(yè)模式改造升級為類流水混合制造模式為本文的創(chuàng)新點。

2 自動產(chǎn)線總體方案

自動產(chǎn)線總體方案如圖4所示，從五個層面進行自動產(chǎn)線構(gòu)建，設(shè)備層面從定子沖片全流程制造要求設(shè)置八個工序單元，依次為開卷單元、沖壓單元、復(fù)合單元1、去毛刺單元、清洗單元、復(fù)合單元2、刷漆單元以及下料單元?？刂茖用鎸崿F(xiàn)與設(shè)備單元互聯(lián)，根據(jù)控制對象形成傳送帶連接控制、機器人控制、安全控制、單元控制以及接駁控制等五大控制模塊。數(shù)據(jù)層面通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)與功能層和控制層的上下通訊，采集產(chǎn)線控制數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理形成生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量、計劃以及安全等五類典型數(shù)據(jù)供功能層調(diào)用。功能層面根據(jù)人機交互和外部對接需要，形成組態(tài)可視監(jiān)控、產(chǎn)線展示看板、產(chǎn)品缺陷檢測、高清視頻監(jiān)控以及外部接駁等五大模塊。業(yè)務(wù)層面通過功能層各個模塊實現(xiàn)多業(yè)務(wù)組合需求、產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)、產(chǎn)線柔性和安全需求、產(chǎn)線生產(chǎn)計劃及產(chǎn)能管理以及產(chǎn)線開放接口等業(yè)務(wù)。

圖4 定子沖片自動產(chǎn)線總體框架

3 自動產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)

車間布局、連線設(shè)計、關(guān)鍵工位以及控制集成是自動產(chǎn)線構(gòu)建的核心，故針對沖片自動產(chǎn)線開展產(chǎn)線布局重構(gòu)、離散單元連線生產(chǎn)設(shè)計、基于機器人的復(fù)合工位設(shè)計以及總控集成等技術(shù)研究。

3.1 產(chǎn)線布局重構(gòu)

定子沖片制造車間原設(shè)備通常根據(jù)工藝原則離散分布，生產(chǎn)計劃復(fù)雜、物流成本高、工人技能要求高[10]，無法滿足定子沖片少人高效高柔性制造要求。按照沖片產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)和場地空間最大利用要求，根據(jù)定子沖片工藝流程，參考[11]基于SPL-PGA方法進行設(shè)備直線布局重構(gòu)，得到如圖5所示產(chǎn)線三維布局。同時基于產(chǎn)線開放性、經(jīng)濟性考慮，在單元區(qū)之間設(shè)計適當(dāng)數(shù)量的外部接駁點，如圖中9卷料上料接駁點、10沖壓下料接駁點、11粗在制品上下料接駁點、12精在制品上下料接駁點、13成品下料接駁點等，接駁點與車間AGV物流系統(tǒng)進行對接，完成沖片原料上料、在制品和成品上下產(chǎn)線。新布局把離散作業(yè)型創(chuàng)新性的改成類流水線作業(yè)模式，結(jié)合緩存設(shè)置、節(jié)拍控制和物流自動配給等，大幅提高沖片制造效率。

圖5 定子沖片自動產(chǎn)線三維布局

3.2 離散單元連線及節(jié)拍設(shè)計

3.2.1 產(chǎn)線連線設(shè)計

整體連線將產(chǎn)線作業(yè)單元的專用加工設(shè)備及其配套采用移動式傳送帶進行連接，傳送帶與各段作業(yè)單元的生產(chǎn)節(jié)拍密切配合，實現(xiàn)產(chǎn)線的高效重組和生產(chǎn)方式的快速構(gòu)建，現(xiàn)場連接如圖6所示。卷料是薄片狀的硅鋼片金屬，考慮耐磨性，一般選用高性能PVC開孔皮帶[12]，確保沖片在皮帶線上傳輸不打滑和抓取不吸附。

圖6 產(chǎn)線設(shè)備現(xiàn)場傳送帶連接

3.2.2 產(chǎn)線節(jié)拍平衡

自動產(chǎn)線有八個工位，完成八道工序，每道工序的作業(yè)工時不同，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線平衡理論進行節(jié)拍平衡，使各個工序作業(yè)時間盡可能接近[13]。其中刷漆單元的作業(yè)工時一般用線速度表示，根據(jù)工藝要求換算成兩組沖片在傳送帶上的間隔時間，即刷漆工序節(jié)拍，計算示意圖及公示如圖7所示。

圖7 刷漆單元作業(yè)時間計算示意圖

計算公式：

式中：

lc—沖片外輪廓長度，單位mm，針對具體型號的產(chǎn)品為固定值；

ds—兩組沖片之間間距，單位mm，根據(jù)需要取值范圍50～200；

v1—刷漆工序線速度，單位m/min，根據(jù)刷漆烘干單元設(shè)備參數(shù)取值≤12；

g—重力加速度，一般取9.8m/s2；

kf—沖片與傳送帶之間的摩擦系數(shù)，一般取0.4。

沖片長度lc平均值取為700mm，傳送帶上兩沖片間距ds取值為100mm，刷漆爐傳送帶速度v1為12m/min，代入式(2)得到Ts為4.03s。使用秒表測定其余7個工位的作業(yè)時間依次為開卷2s、沖壓2.4s、復(fù)合1工序3.5s、去毛刺1、清洗1s、復(fù)合2工序1s、下料1s。參考[14]利用MOD法進行產(chǎn)線瓶頸工位分析和產(chǎn)線平衡率P計算，刷漆工位由于作業(yè)時間最長，故確定為瓶頸工位，計算產(chǎn)線平衡率P=0.49，此時產(chǎn)線的平衡性很差，作業(yè)斷續(xù)不安全不流暢。參考[15]利用生產(chǎn)線平衡分析法重新調(diào)整其余工位的作業(yè)時間接近瓶頸工位，即產(chǎn)線各個工位作業(yè)時間均衡為4s，此時產(chǎn)線平衡率P=1，產(chǎn)線平衡性好，作業(yè)連續(xù)安全可靠。

3.3 基于機器人的復(fù)合工位

3.3.1 復(fù)合工位設(shè)計

由于定子沖片制造工藝需要，在產(chǎn)線沖壓單元與去毛刺單元之間和清洗單元與刷漆單元之間設(shè)計復(fù)合工位，集中沖片旋轉(zhuǎn)、在制品上下料、自動抽檢以及缺陷檢測等4項重要功能，解決沖片在傳送帶上方向跑偏、臨時使用部分產(chǎn)線、替代人工自動質(zhì)量抽檢以及沖片表面重大質(zhì)量缺陷等問題。

6軸機械臂具有高柔性、高可靠性特點，在自動產(chǎn)線構(gòu)建中發(fā)揮重要作用，采用6軸機器臂為主配置定制化復(fù)合吸盤夾具、兩套視覺檢測系統(tǒng)、厚度檢測傳感系統(tǒng)等作為實現(xiàn)4項重要功能的執(zhí)行機構(gòu)，相關(guān)集成技術(shù)參考[16，17]。

3.3.2 復(fù)合工位結(jié)構(gòu)

復(fù)合工位結(jié)構(gòu)如圖8所示，定制化復(fù)合吸盤夾具安裝在機械臂末端，設(shè)計適應(yīng)不同尺寸大小的單片和雙片類型的沖片，方便快速抓取和放下；設(shè)計兩套視覺檢測系統(tǒng)判斷沖片實時位置和方位，通過現(xiàn)場總線方式與機械臂進行通訊。第一套視覺系統(tǒng)安裝在機械臂抓取位置前，用于檢測沖片表面質(zhì)量和位置，將信息傳遞到機械臂，進行相應(yīng)操作。第二套視覺系統(tǒng)安裝在機械臂旋轉(zhuǎn)沖片后，檢測沖片物理位置信息，判斷沖片是否旋轉(zhuǎn)到位；厚度檢測傳感系統(tǒng)設(shè)計用于防止夾具一次抓取上下吸附在一起的兩張或多張沖片，造成產(chǎn)品報廢和設(shè)備故障風(fēng)險。

圖8 基于機器人的復(fù)合工位示意圖

3.4 總控集成設(shè)計

3.4.1 總控集成框架

采用TIA全集成控制思想進行產(chǎn)線總控集成[18]，即采用統(tǒng)一的SIEMENS S7系列控制硬件、統(tǒng)一的Portal軟件平臺、統(tǒng)一的SQL Server數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一的WinCC組態(tài)應(yīng)用進行部署，易于實現(xiàn)管控一體化。具體實現(xiàn)則采用基于Profinet和Profibus-DP現(xiàn)場總線的四層集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[19]，如圖9所示，包括設(shè)備級、集控級、監(jiān)管級以及信息級。設(shè)備級為各個單元現(xiàn)場設(shè)備和控制器，多采用S7-300系列PLC基于Profibus-DP現(xiàn)場總線進行組網(wǎng)[20]；集控級以PLC S7-1515為核心，使用TP1200觸摸屏進行產(chǎn)線參數(shù)設(shè)置和人工操作，通過Profinet工業(yè)以太網(wǎng)總線與設(shè)備級各單元連接；監(jiān)管級以產(chǎn)線可視監(jiān)控系統(tǒng)為主，利用OPC服務(wù)器通過OPC UA服務(wù)[21]與集控級PLC建立連接，采集產(chǎn)線各項數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)；信息級使用通用以太網(wǎng)將OPC服務(wù)器與工廠MES系統(tǒng)、AGV系統(tǒng)等無縫互通互聯(lián)，通過WebService服務(wù)進行數(shù)據(jù)交互[22]，實時指導(dǎo)產(chǎn)線生產(chǎn)，規(guī)范產(chǎn)線生產(chǎn)組織管理。

圖9 自動產(chǎn)線全集成控制系統(tǒng)架構(gòu)

3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)控制模式

產(chǎn)線運行過程中根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求形成八種作業(yè)流程：即1）正常沖片全作業(yè)流程；2）項號片全作業(yè)流程；3）在線檢測全作業(yè)流程；4）僅使用沖床單元作業(yè)流程；5）僅使用去毛刺和清洗單元作業(yè)流程；6）僅使用刷漆烘干單元作業(yè)流程；7）不使用刷漆烘干單元作業(yè)流程；8）不使用沖壓單元作業(yè)流程。根據(jù)不同作業(yè)流程將全自動線進行分段控制，形成八種標(biāo)準(zhǔn)控制模式，如圖10所示，使產(chǎn)線既可全流程連線使用，又可根據(jù)不同作業(yè)流程通過不同的上、下料口獨立使用，增強產(chǎn)線的柔性和實用性。針對八種標(biāo)準(zhǔn)控制模式進行調(diào)試和試運行，減少產(chǎn)線異常情況。

圖10 八種標(biāo)準(zhǔn)控制模式示意圖

3.4.3 控制安全和異常可靠性檢測

系統(tǒng)層面采用就地分布控制模式[23]和基于TIA全集成思想的四層控制結(jié)構(gòu)，確保了產(chǎn)線控制系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠。細(xì)節(jié)層面在產(chǎn)線上部署感知傳感器，并基于WinCC組態(tài)平臺和人機交互終端建立上層產(chǎn)線可視監(jiān)控系統(tǒng)，對產(chǎn)線工藝參數(shù)和設(shè)備異常情況實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，發(fā)生異常立即報警。同時構(gòu)建產(chǎn)線高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在產(chǎn)線上料口、去毛刺入口、刷漆入口和下料口等關(guān)鍵工位處部署高清攝像頭和智能提醒視頻看板，對生產(chǎn)全流程進行可視監(jiān)控，協(xié)助現(xiàn)場人工及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)故障、保護設(shè)備安全、減少質(zhì)量損失。通過以上措施綜合保證控制安全和異常可靠性檢測與處理。

4 應(yīng)用示范

本研究應(yīng)用于某大型發(fā)電機制造企業(yè)進行定子沖片自動線建設(shè)，面向300MW和600MW火電0.5mm定子沖片1遍漆全流程生產(chǎn)，對現(xiàn)有的定子沖片離散生產(chǎn)設(shè)備，包括1臺凱撒沖床、1臺荷蘭去毛刺機、1臺清洗機、1臺惠門刷漆爐等，按照前述技術(shù)和設(shè)計方案，進行了全自動線升級改造。包括在沖床與去毛刺機之間、清洗機與刷漆爐之間新增2個機械臂復(fù)合工位；構(gòu)建四層結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，通過WebService服務(wù)與分廠MES系統(tǒng)、AGV物流系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及可視化系統(tǒng)等互通互聯(lián)；產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)定為4秒?，F(xiàn)場如圖11所示。

圖11 某企業(yè)沖剪車間定子沖片全自動產(chǎn)線

自動線于2019年9月開始試用，截止到2019年12月進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，同比2018年9月～12月，對比如表1所示。

表1 自動產(chǎn)線升級改造前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比表

經(jīng)表分析，自動產(chǎn)線取得良好的效益：1）產(chǎn)線改變了傳統(tǒng)的人工離散制造方式，實現(xiàn)了8種標(biāo)準(zhǔn)自動控制模式，可適應(yīng)插單、在制品上線、局部過程生產(chǎn)等多業(yè)務(wù)需求，提高了關(guān)鍵設(shè)備使用率；2）物料搬運量和人工作業(yè)時間大幅度減少，勞動強度降低，生產(chǎn)效率整體提升超過50%，真正實現(xiàn)了沖片從原料上料到成品入庫的全流程生產(chǎn)；3）線邊庫存積壓大幅度較少，生產(chǎn)總量提高接近1倍，車間生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)組織管理更加有效指導(dǎo)生產(chǎn)；4）產(chǎn)品單位耗電量降低6%，作業(yè)人員減少62%，年均節(jié)約生產(chǎn)成本約25%。

5 結(jié)語

本文針對大型發(fā)電設(shè)備定子沖片特點和制造工藝，分析了定子沖片傳統(tǒng)離散制造方式的問題，提出了定子沖片混合生產(chǎn)數(shù)字化車間自動產(chǎn)線的布局重構(gòu)、連線設(shè)計、復(fù)合工位設(shè)計以及總控集成等關(guān)鍵技術(shù)方法，在建設(shè)實踐中進行了應(yīng)用，實現(xiàn)了離散制造模式改造升級為類流程制造模式，使得關(guān)鍵瓶頸設(shè)備得到有效使用，提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本，同時也降低了工人勞動強度，取得了良好應(yīng)用效果。該方法可推廣應(yīng)用于電力裝備制造企業(yè)的關(guān)鍵零部件制造設(shè)備升級改造，結(jié)合5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)，增強產(chǎn)線的信息交互、數(shù)據(jù)處理以及自決策能力，提升產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平，為今后構(gòu)建電力裝備大規(guī)模定制化制造智能工廠打下堅實的基礎(chǔ)。