光伏組件實現(xiàn)單件流生產(chǎn)的可行性研究

阜寧協(xié)鑫集成科技有限公司 ■ 王磊 吳孫陽 李宗佰 張品選 王春成 呂其丹

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，客戶對產(chǎn)品的數(shù)量、式樣和質(zhì)量的需求日益嚴(yán)格[1]。因此，除了具有競爭力的產(chǎn)品價格和質(zhì)量外，必須以有限的人力、資源，以更短的生產(chǎn)時間、準(zhǔn)時將少量的產(chǎn)品送到客戶手中。面對市場需求形態(tài)的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)形態(tài)的應(yīng)變能力明顯不足，以傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)形態(tài)應(yīng)對縮短生產(chǎn)周期、降低在制品數(shù)量和實現(xiàn)少量多樣的生產(chǎn)方式，往往造成成本增加和效益下降，在這種現(xiàn)狀下，新生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)運而生。流水化生產(chǎn)是新生產(chǎn)技術(shù)的根基，是實現(xiàn)新生產(chǎn)技術(shù)安定化生產(chǎn)(人、設(shè)備、物料、質(zhì)量和管理安定化)的前提。單件流生產(chǎn)是流水化生產(chǎn)的最終目標(biāo)。它是一種人員、過程和設(shè)備有機(jī)結(jié)合，每個生產(chǎn)單元以最小數(shù)量的單位生產(chǎn)和轉(zhuǎn)移，生產(chǎn)過程無停滯的生產(chǎn)方式[2]，單件流程度是體現(xiàn)流水化生產(chǎn)程度的關(guān)鍵指標(biāo)。

單件流生產(chǎn)已經(jīng)在部分行業(yè)進(jìn)行了理論和實踐的探索：田合偉等[3]通過對服裝企業(yè)的硬件和軟件影響因子進(jìn)行分析，提出實現(xiàn)服裝企業(yè)單件流生產(chǎn)的條件；魏煒[4]在某公司采用單件流和標(biāo)準(zhǔn)在制品(SWIP)庫存控制方法，提出了在制品控制實施策略；林永濤[5]從定性和定量方法兩方面對生產(chǎn)線實施單件流生產(chǎn)進(jìn)行了指導(dǎo)和分析。從上述研究可以看出，單件流生產(chǎn)技術(shù)在制造業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)取得了較好的實施效果，但并未結(jié)合智能化與信息化對制造業(yè)實施單件流生產(chǎn)進(jìn)行分析，同時對于光伏組件行業(yè)實施單件流生產(chǎn)的文獻(xiàn)研究較少。

本文以阜寧協(xié)鑫集成科技有限公司(下文簡稱“阜寧集成”)為研究背景，通過將智能化與信息化相結(jié)合，對阜寧集成的單件流生產(chǎn)進(jìn)行分析與評估，同時提出光伏組件實施單件流生產(chǎn)技術(shù)的必要性與可靠性。

1 智能制造及單件流生產(chǎn)技術(shù)概論

1.1 智能制造概論

智能制造是一項系統(tǒng)工程，是緊密圍繞智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)模式和基礎(chǔ)4個部分進(jìn)行推進(jìn)的，其中智能產(chǎn)品是主體，智能生產(chǎn)是主線，以客戶為中心的產(chǎn)業(yè)模式變革是主題，信息物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基礎(chǔ)[6]。智能制造的實質(zhì)是建立在“智能化+網(wǎng)絡(luò)化”之上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)化，通過生產(chǎn)層面的縱向集成和市場層面的橫向集成，實現(xiàn)制造業(yè)低端產(chǎn)業(yè)化的全面轉(zhuǎn)型。工廠端實施智能制造的必要前提是精益生產(chǎn)方式的全面推行，通過全面灌輸精益生產(chǎn)方式，使智能制造管理模式能夠順利展開。精益生產(chǎn)方式主要是通過自動化和準(zhǔn)時化(JIT)2種方式來實現(xiàn)，其中，自動化主要是指以自動化設(shè)備替代人工作業(yè)，JIT是通過流動生產(chǎn)和以信息流帶動物流2種方式來實現(xiàn)。目前，信息流主要通過制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、倉儲管理系統(tǒng)(WMS)等系統(tǒng)性物流管理軟件來實現(xiàn)，流水化生產(chǎn)的最高狀態(tài)就是實施單件流。

1.2 單件流生產(chǎn)技術(shù)概論

單件流生產(chǎn)技術(shù)(OPF)起源于精益生產(chǎn)方式，是指通過合理的制訂標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程并安排好每個工序的人員量和設(shè)備量，使每個工序耗時趨于一致，以達(dá)到縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少轉(zhuǎn)運消耗的一種高效管理模式[7]。

OPF的生產(chǎn)特點為：1)所有加工作業(yè)都按照作業(yè)順序細(xì)化拆分；2)找到關(guān)鍵工序，通過調(diào)整人員、設(shè)備，按照關(guān)鍵工序的耗時整合次要工序，以便使所有工序趨于一致；3)所有員工均經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書(SOP)培訓(xùn)持證上崗；4)按照既定排好的工序來設(shè)計生產(chǎn)流水線；5)新產(chǎn)品導(dǎo)入經(jīng)過小試、中試、大試和批量性試投；6)生產(chǎn)周期經(jīng)過仔細(xì)衡量與確認(rèn)。

OPF的生產(chǎn)優(yōu)勢為：1)在單件流生產(chǎn)中，由于各分工工序的同步運行，在保證生產(chǎn)效率顯著提高的前提下，可最大限度地減少人力資源的浪費，縮短生產(chǎn)周期，提高線體平衡率；2)由于線體采用拉動式生產(chǎn)方式，只有工序后段有需求時前段才開始生產(chǎn)，確保了流水線線體上在制品(Work-in-Process，WIP)數(shù)量的絕對可控與最低化；3)單件流生產(chǎn)技術(shù)實現(xiàn)了快速出成品的制程，生產(chǎn)過程中無需庫存多余的物料，節(jié)約了生產(chǎn)空間；4)單件流生產(chǎn)方式是在整個線體的單個運行周期內(nèi)1次只生產(chǎn)1個成品，所以能及時在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的異常，減少不良產(chǎn)品的產(chǎn)生；5)單件流生產(chǎn)技術(shù)實現(xiàn)了單元作業(yè)同步化，每一道作業(yè)工序即為1個作業(yè)單元，同步化的作業(yè)環(huán)境提升了團(tuán)隊協(xié)作能力和高度配合能力，有效提升了生產(chǎn)效率。

2 阜寧集成實施單件流生產(chǎn)的關(guān)鍵問題

光伏組件在線作業(yè)的主要工序有玻璃上料、前膜 EVA(Ethylene-Vinyl Acetate copolymer，乙烯-醋酸乙烯共聚物)自動裁切及鋪設(shè)、串焊、排版、手動排版、疊層焊接、背膜EVA及TPT(Tedlar+PET+Tedlar，聚氟乙烯復(fù)合膜)鋪設(shè)、層壓前人工外觀檢測、層壓前EL(Electroluminescent，電致發(fā)光)測試、層壓、層壓后自動削邊、層壓后人工外觀檢測、邊框上料、邊框涂膠與自動裝框、邊框打螺絲、離線貼嘜拉、接線盒自動涂膠及安裝、匯流條引線焊接、接線盒自動灌膠、恒溫恒濕固化、背面清洗及撕膜、正面清洗、絕緣耐壓測試、I-V測試、層壓后EL測試、分檔，以及工序前段的離線拆包和后段的包裝、入庫等工序。

2.1 光伏組件線體平衡率的解決

標(biāo)準(zhǔn)單件流生產(chǎn)方式要求各工序的生產(chǎn)節(jié)拍必須基本保持一致，否則節(jié)拍較長的工序會有半成品積壓，導(dǎo)致WIP增多。當(dāng)不同工序存在明顯時間差異時，作業(yè)時間最長的工序稱為“作業(yè)瓶頸”，其存在會嚴(yán)重影響單件流生產(chǎn)的實施，導(dǎo)致該生產(chǎn)方式無法進(jìn)行。批量生產(chǎn)過程中的工序不平衡是大量WIP存在的根源。通過工業(yè)工程(Industrial Engineering，IE)采用取消、合并、重排、簡化 (Eliminate、Combine、Rearrange、Simplify，簡稱為“ECRS”)等方式對作業(yè)工序進(jìn)行優(yōu)化重組，通過將相鄰工序的作業(yè)重新排列組合，達(dá)到降低瓶頸工序的時間、提升產(chǎn)線效率的目的。

以阜寧集成的光伏組件在線作業(yè)為例，使用ECRS工具進(jìn)行作業(yè)優(yōu)化。層壓后人工外觀檢測與恒溫恒濕固化這2道工序中間的工序主要為邊框上料、邊框涂膠與自動裝框、邊框打螺絲、離線貼嘜拉、接線盒自動涂膠及安裝、匯流條引線焊接、接線盒自動灌膠等，改善前各工序的節(jié)拍如表1所示。

通過分析工序的節(jié)拍可以發(fā)現(xiàn)，接線盒自動涂膠及安裝、匯流條引線焊接的作業(yè)時間最長，因此對其進(jìn)行作業(yè)分析并優(yōu)化。

表1 層壓后人工外觀檢測至恒溫恒濕固化之間的各工序作業(yè)內(nèi)容及節(jié)拍

1)首先，對接線盒自動涂膠及安裝、匯流條引線焊接的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行步驟劃分，其可分為6個步驟。其中，匯流條引線焊接的作業(yè)時間為27.38 s，時間最長。對匯流條引線焊接進(jìn)行雙手作業(yè)分析，左手作業(yè)時間為5.01 s，等待時間為22.37 s，左手作業(yè)效率為18.30%；右手作業(yè)時間為23.53 s，等待時間為3.85 s，右手作業(yè)效率為85.47%；雙手同時作業(yè)效率為4.27%?？梢钥闯?，左、右手作業(yè)效率嚴(yán)重失衡，雙手同時作業(yè)效率低。因此，使用雙手聯(lián)合作業(yè)分析法，通過對左、右手的作業(yè)內(nèi)容及同時作業(yè)效率進(jìn)行改善，將匯流條引線焊接的作業(yè)時間優(yōu)化為17.50 s。其中，左手作業(yè)時間為14.88 s，等待時間為2.62 s，左手作業(yè)效率為85.03%；右手作業(yè)時間為11.65 s，等待時間為5.85 s，右手作業(yè)效率為66.57%；雙手同時作業(yè)效率為51.60%。整個作業(yè)效率提升了36.08%。

2)其次，對邊框打螺絲、離線貼嘜拉、接線盒自動涂膠及安裝與匯流條引線焊接等作業(yè)進(jìn)行工序重組排列。打螺絲人員協(xié)助完成匯流條引線曲翹度作業(yè)。貼嘜拉人員協(xié)助完成接線盒自動涂膠作業(yè)。接線盒自動涂膠及安裝與匯流條引線焊接作業(yè)的節(jié)拍優(yōu)化至33.56 s/件，邊框打螺絲作業(yè)的節(jié)拍為33.01 s/件，離線貼嘜拉作業(yè)的節(jié)拍為24.42 s/件。

3)最后，優(yōu)化接線盒自動涂膠機(jī)的位置和電烙鐵的位置，減少作業(yè)人員的行走時間及拿取電烙鐵的時間；對大桶膠實施“桶膠一拖二”項目(即桶膠出膠處引出1根出膠管，直通接線盒自動涂膠連接口)，實現(xiàn)邊框膠及接線盒涂膠共用桶膠，避免更換接線盒涂膠使用的支膠所造成的停線風(fēng)險。

2.2 光伏組件快速換模的推行

阜寧集成的光伏組件生產(chǎn)版型包含60片(簡寫為“60P”)和72片(簡寫為“72P”)，類型有常規(guī)、雙玻及貼膜組件。其中，貼膜組件只需要串焊機(jī)啟動貼膜設(shè)備，無需其他設(shè)備切換。因此，阜寧集成在模型切換過程中主要有6種切換情況：

1) 60P常規(guī)組件與72P常規(guī)組件相互切換；2) 60P常規(guī)組件與60P雙玻組件相互切換；3)60P常規(guī)組件與72P雙玻組件相互切換；4) 72P常規(guī)組件與60P雙玻組件相互切換；5) 72P常規(guī)組件與72P雙玻組件相互切換；6) 60P雙玻組件與72P雙玻組件相互切換。

從阜寧集成歷月的訂單及排產(chǎn)情況來看，基于每月每車間50 MW的排產(chǎn)情況，基本版型至少有3種，車間進(jìn)行版型切換的頻次保持在5次以上。按照2017年評估的版型平均切換時間為4.5 h，穩(wěn)定時間需要12 h計算，單一線體進(jìn)行版型切換的產(chǎn)能損失為595件/次。因此，需要導(dǎo)入快速換模(Single Minute Exchange of Die，SMED)方式。

SMED實施的關(guān)鍵為：1)確定換型的流程及SOP，對換型準(zhǔn)備、換型、換型調(diào)整、再調(diào)整等作業(yè)進(jìn)行內(nèi)、外部區(qū)分，對需要提前準(zhǔn)備的換型設(shè)備、人員、物料等，提前4 h進(jìn)行確認(rèn)。2)一鍵切換功能的設(shè)置及實現(xiàn)。對整個流水線的可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)制定一鍵切換功能，并保存原有類型的參數(shù)設(shè)置，便于換型過程中的數(shù)據(jù)切換。3)對在串焊機(jī)切刀、模塊及裝框機(jī)組塊等配件實施模塊化換型方案，預(yù)先采購一套備用的換型模具，到換型時一次性更換，離線進(jìn)行模型重組作業(yè)。

通過實施整個組合式換型過程，2018年多次換型過程中的平均換型時間為2.28 h，設(shè)備穩(wěn)定時間約為6 h，提升了整體換型效率，產(chǎn)能損失減少50%。

2.3 光伏組件自動化的實施

阜寧集成的疊層工序的作業(yè)人員為8人，為整線流水化生產(chǎn)作業(yè)人員最為集中的一段，一直以來都是實施單件流生產(chǎn)的困難點。由于人員作業(yè)波動大，因此在此段作業(yè)前后均有堆棧緩沖，以減少產(chǎn)能損失。通過自動疊焊機(jī)和自動EVA/TPT項目的導(dǎo)入，實現(xiàn)了疊層焊接及隔離條裁切焊接作業(yè)的自動化，實現(xiàn)了疊層工序的單件流作業(yè)；同時，EVA/TPT在線自動裁切與自動鋪設(shè)，實現(xiàn)了單塊組件使用唯一的EVA和TPT，避免了離線裁切導(dǎo)致物料無法一一對應(yīng)。考慮到目前疊層作業(yè)前段人員進(jìn)行模板及高溫膠帶手動擺放時存在穩(wěn)定性不足的情況，正在考慮將機(jī)械排版機(jī)換成光感定位排版機(jī)，后者的精度高，無需手工二次排版；同時使用自動粘貼高溫膠帶設(shè)備，將手工作業(yè)改為設(shè)備自動作業(yè)。目前協(xié)鑫(集團(tuán))控股有限公司與阿里云協(xié)同建設(shè)了大數(shù)據(jù)庫管理，將“層壓前EL測試”和“層壓后EL測試”這2道工序連接大數(shù)據(jù)庫管理模塊，對測試產(chǎn)品進(jìn)行對比，通過大數(shù)據(jù)庫中大量的產(chǎn)品信息來確認(rèn)當(dāng)前產(chǎn)品的狀態(tài)，以減少不良品流向下一道工序的機(jī)率。

2.4 全員參與

全員參與生產(chǎn)管理的前提是多能工(指滿足3個工序作業(yè)能力的復(fù)合型員工)的培養(yǎng)與實踐，在同一作業(yè)工序形成良性學(xué)習(xí)的工作氛圍，使所有崗位的生產(chǎn)員工都能夠掌握2種及2種以上的崗位技術(shù)，在人員流動及崗位人員缺失的情況下能夠快速形成梯隊?wèi)?zhàn)斗力，避免人員流動造成崗位生產(chǎn)節(jié)拍的頻繁波動。同時在生產(chǎn)規(guī)程中，多能工能夠協(xié)助解決工序生產(chǎn)過程中的設(shè)備異常、品質(zhì)異常等，并在此過程中提升員工技能、提高效率及改善產(chǎn)品良率。另外，全員參與生產(chǎn)管理可形成局部團(tuán)隊，大幅提高了人員的機(jī)動性及異常處理的及時性。

3 阜寧集成實施單件流生產(chǎn)的效果

采用上述單件流生產(chǎn)工序?qū)Ω穼幖傻纳a(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化完成后，生產(chǎn)能力、生產(chǎn)直通率、人均效率(UPPH)、直接人力、庫存天數(shù)等均出現(xiàn)了不同程度地變化，如表2所示。

表2 阜寧集成單件流生產(chǎn)的實施效果對比

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，單件流生產(chǎn)的實施對OEE、UPPH和生產(chǎn)直通率等有顯著提升作用，能夠降低生產(chǎn)加工費、PPM、WIP及庫存天數(shù)。

4 總結(jié)

本文對單件流生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了分析，并對光伏組件實現(xiàn)單件流生產(chǎn)的可行性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，單件流生產(chǎn)技術(shù)是提升精益生產(chǎn)的有效途徑，能夠快速響應(yīng)生產(chǎn)需求。尤其是目前我國制造類企業(yè)正在大力推行智能制造及精益生產(chǎn)的形勢下，優(yōu)先提升單件流生產(chǎn)技術(shù)是提升生產(chǎn)效率和改進(jìn)產(chǎn)品品質(zhì)的有效措施，可為后續(xù)實施智能制造提供助力。