智能電能表數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

張保增，張敬偉，劉靜然

（許繼集團(tuán)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(jì)

張保增，張敬偉，劉靜然

（許繼集團(tuán)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(jì)了智能電能表組裝生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了智能電能表的自動(dòng)焊接、自動(dòng)校表和檢測(cè)，提高了電能表生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，同時(shí)減輕了人工工作量。通過上位機(jī)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(dòng)對(duì)電能表生產(chǎn)線的線體和加工設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)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(duì)智能電能表進(jìn)行集中招標(biāo)，智能電能表的生產(chǎn)從原來小批量多型號(hào)向大批量少型號(hào)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(jì)。由于固定的電力公司的電能表種類較少，所以針對(duì)智能電能表的檢表流水線經(jīng)濟(jì)性較好。目前針對(duì)智能電能表進(jìn)行檢定的流水線的開發(fā)和文獻(xiàn)較多[1～4]，但針對(duì)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(shí)現(xiàn)了校表的功能，沒有把整個(gè)電能表的生產(chǎn)過程有機(jī)集成起來。

本文使用西門子PLC對(duì)智能電能表生產(chǎn)線進(jìn)行集中控制，把整個(gè)智能電能表的組裝過程連接起來，通過流水線實(shí)現(xiàn)電能表從一個(gè)工序向下一個(gè)工序的自動(dòng)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電能表的自動(dòng)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(jì)量和傳輸?shù)娜蝿?wù)，是實(shí)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(jí)量測(cè)體系（advanced metering infrastructure，AMI）、自動(dòng)抄表（automatic meter reading，AMR）系統(tǒng)能為用戶提供更加詳細(xì)的用電信息，使用戶可以更好地管理他們的用電量，以達(dá)到節(jié)省電費(fèi)和減少溫室氣體排放的目標(biāo)。

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(biāo)準(zhǔn)，并不斷進(jìn)行更新。國家電網(wǎng)公司從2009年開始試點(diǎn)智能電能表集中招標(biāo)，并從2010年開始，國家電網(wǎng)公司開始電能表集中招標(biāo)，目前國網(wǎng)表在電能表市場(chǎng)上所占份額變得越來越大。國家電網(wǎng)公司的標(biāo)準(zhǔn)和招標(biāo)模式減少了電能表的型號(hào)，也增加了單一型號(hào)的電能表的招標(biāo)數(shù)量，使得投資生產(chǎn)線對(duì)電能表進(jìn)行批量生產(chǎn)變得經(jīng)濟(jì)。

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(jī)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(jìn)行，不包括在電能表的自動(dòng)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(cè)和校表幾個(gè)過程。其中耗時(shí)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(tái)上裝卸，在各工位之間通過人工小車轉(zhuǎn)輸?shù)姆绞?，占用較多的人工和車間空間，同時(shí)帶來較多的在制品。較慢的裝卸表過程也降低了檢表臺(tái)的設(shè)備使用率。部分公司采用了自動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)框架如圖1所示。其中上位機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程配置的人機(jī)接口，人工可以在上位機(jī)上設(shè)置生產(chǎn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)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(dòng)化生產(chǎn)線主控使用S7-1500PLC，各IO分站IO控制模塊ET200SP。針對(duì)加工設(shè)備，使用S7-1200 PLC進(jìn)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(kuò)展性。S7-1500帶有3個(gè)PROFINET接口。其中2個(gè)端口具有相同的IP地址，用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信，案例中實(shí)現(xiàn)與IO控制模塊之間通訊；第三個(gè)端口具有獨(dú)立的IP地址，集成到控制網(wǎng)絡(luò)中，案例中實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。

項(xiàng)目中S7-1500CPU選用1516-3 PN CPU，位運(yùn)算周期0.01μs，定點(diǎn)運(yùn)算0.016μs，工作存儲(chǔ)器程序空間1MB，數(shù)據(jù)空間5MB，存儲(chǔ)器16kB，編程語言選擇梯形圖語言。

針對(duì)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(hào)連接到中央控制器S7-1500。ET 200SP安裝于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(gè)設(shè)備，對(duì)于整個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是沒有限制的。而且IO控制器間可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的PROFINET CBA通信，最小刷新時(shí)間為1ms。

2.2 控制流程

PLC根據(jù)各電能表的配置方案對(duì)電能表進(jìn)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(duì)設(shè)備進(jìn)行加工操作，緩沖工位暫存待加工的電能表，以實(shí)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(jī)圖如圖3所示。當(dāng)檢測(cè)到工裝板到位后，自動(dòng)對(duì)電能表進(jìn)行加工，加工完成后自動(dòng)放行。

圖3 加工工位有限狀態(tài)機(jī)圖

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

圖4 緩沖工位控制有限狀態(tài)機(jī)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(yàn)表、參數(shù)設(shè)置、功能測(cè)試、走字等多道工序。其中，校表、驗(yàn)表、參數(shù)設(shè)置、功能測(cè)試、走字等工序都屬于與檢測(cè)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(jì)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(fù)責(zé)及時(shí)準(zhǔn)確把被加工電能表運(yùn)送到加工位置，加工工序?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)電能表位置的固定，以及電能表在各個(gè)工位之間的轉(zhuǎn)運(yùn)。設(shè)計(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)線采用流水倍速鏈進(jìn)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(duì)位置，使用氣缸對(duì)工裝托盤的阻擋實(shí)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(cè)工裝托盤的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)體工裝托盤位置的檢測(cè)和追蹤。

3.2 上料

產(chǎn)品上料包括實(shí)現(xiàn)電路板組合、表殼的上料。由人工從供料盒中取出，實(shí)現(xiàn)表殼與電路板的組合安裝，放入流水皮帶線上。對(duì)于有實(shí)時(shí)時(shí)鐘要求的電能表，實(shí)現(xiàn)部分短路端子的焊接。完成組裝的電能表進(jìn)入全自動(dòng)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(jìn)行信息錄入，后電能表進(jìn)入雙邊皮帶線進(jìn)行鎖螺絲、焊接、除塵和進(jìn)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(jī)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(shí)對(duì)工裝托盤的RFID編號(hào)和電能表的條形碼進(jìn)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(dòng)焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表輔助端子的焊接。焊接完成后自動(dòng)放行。為了實(shí)現(xiàn)輔助端子的自動(dòng)焊接，在電路板組合上的輔助段子引線設(shè)計(jì)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(jī)器人進(jìn)行逐個(gè)焊點(diǎn)焊接。由于本工位需要時(shí)間較長，生產(chǎn)線設(shè)置了多個(gè)焊接機(jī)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(biāo)簽等的裝配。組裝過程采用人工操作。針對(duì)表殼的鎖螺釘、蓋表蓋操作使用自動(dòng)化設(shè)備自動(dòng)完成。鎖螺釘設(shè)備根據(jù)電能表的固定位置逐個(gè)鎖螺釘。鎖螺釘設(shè)備使用振動(dòng)盤和氣動(dòng)管道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供釘，由設(shè)備自動(dòng)完成鎖螺釘操作，鎖螺釘完成后檢測(cè)是否操作成功。當(dāng)安裝完載波模塊后，自動(dòng)實(shí)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(gè)體差異，為了保證電能表的計(jì)量精度，需要對(duì)電能表進(jìn)行校準(zhǔn)。校表和檢表過程在自動(dòng)檢表臺(tái)上進(jìn)行。臺(tái)體通過氣缸推動(dòng)，首先通過頂針實(shí)現(xiàn)工裝托盤的定位，然后通過氣缸推動(dòng)接觸端子，通過氣壓驅(qū)動(dòng)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(duì)輔助接線端子與檢測(cè)裝置6表位工裝托盤一次性可靠自動(dòng)連接。通過電能表的計(jì)量值（電流、電壓、功率）和標(biāo)準(zhǔn)電能表的計(jì)量值進(jìn)行比對(duì)，更改電能表的計(jì)量修正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)電能表計(jì)量精度的校準(zhǔn)。校表方案存儲(chǔ)在校表臺(tái)上，校準(zhǔn)完成后，對(duì)電能表的計(jì)量精度進(jìn)行走字校對(duì)，判斷電能表是否合格，并把走字結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)。

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

3.6 檢測(cè)

檢測(cè)過程實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表的功能檢測(cè)，以便檢測(cè)出故障電能表。檢測(cè)項(xiàng)目包括液晶顯示檢測(cè)、脈沖燈檢測(cè)、蜂鳴器檢測(cè)、紅外通訊檢測(cè)、載波通訊檢測(cè)、耐壓檢測(cè)、按鍵檢測(cè)等，使用光學(xué)設(shè)備和聲學(xué)設(shè)備等自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表各種功能的檢測(cè)，檢測(cè)完成后把檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)上傳到上位機(jī)，對(duì)檢測(cè)后的電能表自動(dòng)放行。

對(duì)于檢測(cè)不合格的電能表，后面的工序不對(duì)其進(jìn)行加工。在人工工位上，有電能表是否合格的指示燈標(biāo)識(shí)，避免對(duì)不合格電能表的操作。

3.7 分揀

在完成電能表的功能測(cè)試之后，對(duì)于有壞表的工裝托盤進(jìn)入分揀單元，通過機(jī)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(duì)于有抽檢要求的電能表可以通過上位機(jī)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(huì)再次流入調(diào)檢倉進(jìn)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(jī)械臂把電能表從工裝托盤上取下，放到皮帶線上，對(duì)電能表進(jìn)行鉛封、打尾蓋螺釘、貼標(biāo)簽、貼合格證等操作。

3.10 裝箱

電能表生產(chǎn)完成后，自動(dòng)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(yùn)輸至成品倉庫中。

目前的電能表生產(chǎn)線主要針對(duì)單相電能表，因?yàn)閱蜗嚯娔鼙淼呐肯鄬?duì)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(jī)械定位的方式，各種機(jī)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(duì)位置，導(dǎo)致每一次設(shè)備的組裝都要進(jìn)行大量的調(diào)試。下一步要增加設(shè)備自動(dòng)定位電能表位置功能，這樣可以大量縮短加工時(shí)間。目前在生產(chǎn)線的電機(jī)都采用轉(zhuǎn)接啟停的方式，這種方式不僅對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊，同時(shí)不利于節(jié)能，還會(huì)對(duì)傳輸裝置的磨損造成不利影響，下一步需要進(jìn)行有效優(yōu)化。

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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?yàn)殡娮赢a(chǎn)品智能制造技術(shù)。