陳 兵，李晉航，石致遠，殷慶文，吳文亮

（東方電氣集團科學技術研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

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

國內外機構和企業(yè)對沖片離散制造自動化過程保持高度重視并積極技術探索。Dotoli[2]、Fay[3]等人指出當前制造自動化技術正朝著集成化、柔性化、網絡化以及智能化方向發(fā)展，歐美等發(fā)電設備制造企業(yè)加快離散生產過程改造，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，提高了沖片的生產效率；美國GE公司在燃機生產線上引入機器人、3D打印等柔性自動化技術，保證了產品質量，增強了產線的柔性；類似的企業(yè)還有瑞典的ABB、日本的三菱等[4]。國內華中科技大學[5]、華南理工大學[6]等高校與企業(yè)合作對車輛電機定轉子沖片自動化生產線進行研究，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線進行了設計，均成功將離散制造集成化和流程化改造，但產線上的關鍵瓶頸設備無法共享使用，造成產線柔性不足，制造資源緊張。

綜上所述，目前國內面向發(fā)電設備的制造自動化技術研究不足，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。本文在總結國內外相關企業(yè)自動化制造技術之上，深入分析定子沖片產品特點和制造工藝問題，開展定子沖片高柔性混合生產自動技術研究和設備自主研制，在數字化車間建設實踐中進行應用示范。

1 大型發(fā)電設備定子沖片特點及制造難點

1.1 大型發(fā)電設備定子沖片特點

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，需根據客戶個性化要求進行定制設計制造，導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)電設備定子沖片

1.2 大型發(fā)電設備定子沖片生產難點

大型發(fā)電設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，縱向多個過程復合交叉，工藝流程復雜，生產周期長；

2）人工作業(yè)：手工單機作業(yè)多，人工成本高，投入產出不匹配；

3）物料轉運：物流工具資源緊缺，轉運效率低，生產節(jié)拍不平衡，序間半成品積壓嚴重；

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

5）生產組織：信息反饋和統(tǒng)計不及時不準確，生產計劃無法有效指導一線生產，生產組織較為混亂。

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，相較一般離散制造而言其對加工精度、制造成本、生產效率、表面質量等要求更加嚴格[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)生產的傳統(tǒng)制造方式無法適應多品種沖片高效高柔性制造需求，需采用自動化、數字化等先進技術，考慮關鍵瓶頸設備綜合利用、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 自動產線總體方案

自動產線總體方案如圖4所示，從五個層面進行自動產線構建，設備層面從定子沖片全流程制造要求設置八個工序單元，依次為開卷單元、沖壓單元、復合單元1、去毛刺單元、清洗單元、復合單元2、刷漆單元以及下料單元?？刂茖用鎸崿F(xiàn)與設備單元互聯(lián)，根據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。數據層面通過數據接口實現(xiàn)數據與功能層和控制層的上下通訊，采集產線控制數據，通過數據處理形成生產、設備、質量、計劃以及安全等五類典型數據供功能層調用。功能層面根據人機交互和外部對接需要，形成組態(tài)可視監(jiān)控、產線展示看板、產品缺陷檢測、高清視頻監(jiān)控以及外部接駁等五大模塊。業(yè)務層面通過功能層各個模塊實現(xiàn)多業(yè)務組合需求、產線連續(xù)穩(wěn)定生產、產線柔性和安全需求、產線生產計劃及產能管理以及產線開放接口等業(yè)務。

圖4 定子沖片自動產線總體框架

3 自動產線關鍵技術

車間布局、連線設計、關鍵工位以及控制集成是自動產線構建的核心，故針對沖片自動產線開展產線布局重構、離散單元連線生產設計、基于機器人的復合工位設計以及總控集成等技術研究。

3.1 產線布局重構

定子沖片制造車間原設備通常根據工藝原則離散分布，生產計劃復雜、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。按照沖片產品連續(xù)生產和場地空間最大利用要求，根據定子沖片工藝流程，參考[11]基于SPL-PGA方法進行設備直線布局重構，得到如圖5所示產線三維布局。同時基于產線開放性、經濟性考慮，在單元區(qū)之間設計適當數量的外部接駁點，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，結合緩存設置、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 定子沖片自動產線三維布局

3.2 離散單元連線及節(jié)拍設計

3.2.1 產線連線設計

整體連線將產線作業(yè)單元的專用加工設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)單元的生產節(jié)拍密切配合，實現(xiàn)產線的高效重組和生產方式的快速構建，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 產線設備現(xiàn)場傳送帶連接

3.2.2 產線節(jié)拍平衡

自動產線有八個工位，完成八道工序，每道工序的作業(yè)工時不同，應根據生產線平衡理論進行節(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，針對具體型號的產品為固定值；

ds—兩組沖片之間間距，單位mm，根據需要取值范圍50～200；

v1—刷漆工序線速度，單位m/min，根據刷漆烘干單元設備參數取值≤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，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、復合1工序3.5s、去毛刺1、清洗1s、復合2工序1s、下料1s。參考[14]利用MOD法進行產線瓶頸工位分析和產線平衡率P計算，刷漆工位由于作業(yè)時間最長，故確定為瓶頸工位，計算產線平衡率P=0.49，此時產線的平衡性很差，作業(yè)斷續(xù)不安全不流暢。參考[15]利用生產線平衡分析法重新調整其余工位的作業(yè)時間接近瓶頸工位，即產線各個工位作業(yè)時間均衡為4s，此時產線平衡率P=1，產線平衡性好，作業(yè)連續(xù)安全可靠。

3.3 基于機器人的復合工位

3.3.1 復合工位設計

由于定子沖片制造工藝需要，在產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計復合工位，集中沖片旋轉、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、臨時使用部分產線、替代人工自動質量抽檢以及沖片表面重大質量缺陷等問題。

6軸機械臂具有高柔性、高可靠性特點，在自動產線構建中發(fā)揮重要作用，采用6軸機器臂為主配置定制化復合吸盤夾具、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，相關集成技術參考[16，17]。

3.3.2 復合工位結構

復合工位結構如圖8所示，定制化復合吸盤夾具安裝在機械臂末端，設計適應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量和位置，將信息傳遞到機械臂，進行相應操作。第二套視覺系統(tǒng)安裝在機械臂旋轉沖片后，檢測沖片物理位置信息，判斷沖片是否旋轉到位；厚度檢測傳感系統(tǒng)設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，造成產品報廢和設備故障風險。

圖8 基于機器人的復合工位示意圖

3.4 總控集成設計

3.4.1 總控集成框架

采用TIA全集成控制思想進行產線總控集成[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數據庫、統(tǒng)一的WinCC組態(tài)應用進行部署，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絡結構[19]，如圖9所示，包括設備級、集控級、監(jiān)管級以及信息級。設備級為各個單元現(xiàn)場設備和控制器，多采用S7-300系列PLC基于Profibus-DP現(xiàn)場總線進行組網[20]；集控級以PLC S7-1515為核心，使用TP1200觸摸屏進行產線參數設置和人工操作，通過Profinet工業(yè)以太網總線與設備級各單元連接；監(jiān)管級以產線可視監(jiān)控系統(tǒng)為主，利用OPC服務器通過OPC UA服務[21]與集控級PLC建立連接，采集產線各項數據，實時監(jiān)控產線生產狀態(tài)；信息級使用通用以太網將OPC服務器與工廠MES系統(tǒng)、AGV系統(tǒng)等無縫互通互聯(lián)，通過WebService服務進行數據交互[22]，實時指導產線生產，規(guī)范產線生產組織管理。

圖9 自動產線全集成控制系統(tǒng)架構

3.4.2 標準控制模式

產線運行過程中根據實際業(yè)務需求形成八種作業(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。根據不同作業(yè)流程將全自動線進行分段控制，形成八種標準控制模式，如圖10所示，使產線既可全流程連線使用，又可根據不同作業(yè)流程通過不同的上、下料口獨立使用，增強產線的柔性和實用性。針對八種標準控制模式進行調試和試運行，減少產線異常情況。

圖10 八種標準控制模式示意圖

3.4.3 控制安全和異?？煽啃詸z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構，確保了產線控制系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠。細節(jié)層面在產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線可視監(jiān)控系統(tǒng)，對產線工藝參數和設備異常情況實時數據采集與監(jiān)控，發(fā)生異常立即報警。同時構建產線高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在產線上料口、去毛刺入口、刷漆入口和下料口等關鍵工位處部署高清攝像頭和智能提醒視頻看板，對生產全流程進行可視監(jiān)控，協(xié)助現(xiàn)場人工及時發(fā)現(xiàn)生產故障、保護設備安全、減少質量損失。通過以上措施綜合保證控制安全和異?？煽啃詸z測與處理。

4 應用示范

本研究應用于某大型發(fā)電機制造企業(yè)進行定子沖片自動線建設，面向300MW和600MW火電0.5mm定子沖片1遍漆全流程生產，對現(xiàn)有的定子沖片離散生產設備，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，按照前述技術和設計方案，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個機械臂復合工位；構建四層結構控制系統(tǒng)，通過WebService服務與分廠MES系統(tǒng)、AGV物流系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)以及可視化系統(tǒng)等互通互聯(lián)；產線節(jié)拍設定為4秒。現(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線

自動線于2019年9月開始試用，截止到2019年12月進行生產數據統(tǒng)計，同比2018年9月～12月，對比如表1所示。

表1 自動產線升級改造前后生產數據統(tǒng)計對比表

經表分析，自動產線取得良好的效益：1）產線改變了傳統(tǒng)的人工離散制造方式，實現(xiàn)了8種標準自動控制模式，可適應插單、在制品上線、局部過程生產等多業(yè)務需求，提高了關鍵設備使用率；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；3）線邊庫存積壓大幅度較少，生產總量提高接近1倍，車間生產計劃和生產組織管理更加有效指導生產；4）產品單位耗電量降低6%，作業(yè)人員減少62%，年均節(jié)約生產成本約25%。

5 結語

本文針對大型發(fā)電設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數字化車間自動產線的布局重構、連線設計、復合工位設計以及總控集成等關鍵技術方法，在建設實踐中進行了應用，實現(xiàn)了離散制造模式改造升級為類流程制造模式，使得關鍵瓶頸設備得到有效使用，提高了生產效率、降低了生產成本，同時也降低了工人勞動強度，取得了良好應用效果。該方法可推廣應用于電力裝備制造企業(yè)的關鍵零部件制造設備升級改造，結合5G、大數據、人工智能等先進技術，增強產線的信息交互、數據處理以及自決策能力，提升產線的網絡化和智能化水平，為今后構建電力裝備大規(guī)模定制化制造智能工廠打下堅實的基礎。