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哈电电机:打造智能化叠片车间

2023/1/10    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:智能制造案例  e-works年度盘点  哈尔滨电机厂  智能制造  
本文为“2022年度中国智能制造最佳应用实践奖”参评案例。本次活动将评选出2022年度,为中国智能制造领域带来突出效益的最佳实践工程,全面介绍企业推进智能制造的步骤、重点与难点、获得效益等,分享建设过程中的经验,供广大制造业行业企业学习供鉴。
一、企业简介

       哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司始建于1951年,是新中国成立后建设的第一家发电机、电动机制造企业,是我国生产大中型发电设备的重点骨干企业。 主营业务包括:水轮机、水轮发电机、汽轮发电机、电站控制设备和新能源产品的设计制造,以及技术服务、安装、调试、产品运维保养、机组升级改造等。

       公司本埠占地面积72万平方米,拥有各类设备3700余台,此外,公司还在江苏镇江建设了新能源开发基地。公司坚持技术领先战略,创造了我国发电设备制造史上的多项“第一”,为我国电力事业发展做出了卓越贡献。近些年来,公司在大容量水、火、核电方面均实现新的突破,成功研制了1000MW水电、 1000MW火电、1250MWAP1000核电机组;公司研制的引水大泵打破国外垄断,脉冲发电机填补国内空白,全空冷新型调相机国际首创、技术领先,大型抽水蓄能机组性能先进、指标优良,冲击发电机在行业内保持着绝对领先优势。公司开发的远程故障诊断系统,推动了中国发电设备运行智能化发展。

       公司将积极把握和适应市场新形势新变化,以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,响应“一带一路”倡议,加快转型升级,推动企业高质量发展,为中国乃至世界发电设备的进步贡献哈电力量。

哈尔滨电机厂有限责任公司

哈尔滨电机厂有限责任公司

二、企业在智能制造方面的现状

       哈电机公司经过多年的持续信息化建设,核心架构已全面建成,IT基础设施日臻完善,数据标准化水平不断提升。横向建成以采购到付款、合同到回款、生产到成本、核算到报告为经营主线的业务财务一体化管理框架;纵向建成以PLM系统、CAPP系统、MES系统上下贯通为依托的研发制造一体化管控平台。公司荣获全国首批200家两化融合贯标企业资质,两化融合水平已从 “单项覆盖”阶段跃升至“集成提升”阶段,正在通过数字化、智能化建设向“创新突破”阶段迈进。

       总体说来,哈电机公司数字化建设在各个方面都有起步和进展,但深度有限。各管理信息系统可稳定运行,系统间数据可进行一定规则下的交互,机床的数据采集和互联刚刚起步,设计资料、工艺技术资料与机床间尚未连通,数字化测量还没有普及,三维模型建设仍需加快应用步伐。

       (1)智能装备方面

       建成汽轮发电机智能叠片间,打造一套完整的集冲片存储、冲片转运、冲片叠装的自动化叠片生产线;部署具有数字化基础的工艺装备,如重型厂房的大型卧车、立车,数控加工中心,下料机、成型机,焊机等,具有较好的硬件基础,但尚未实现全面设备联网与数据采集。建成CMT焊接机器人工作站,实现了瓦坯巴氏合金堆焊层的一键制备。引进窄间隙焊接机器人工作站应用到产品焊接中,并以此为平台研发了窄间隙横焊技术和机器视觉引导下的焊接机器人技术。引进冲剪涂漆生产线上下料机械手,在机器视觉引导下可实现冲片的精准抓取和叠放。

        (2)设备联网方面

        建成焊机群控系统,实现焊机的管理管控,实现数字焊机工艺规范下发;支持生产数据、焊接数据的统计和分析,具备焊接设备的实时状态监控能力,提升公司工艺管理、焊接质量管理、焊接生产管理、焊接设备管理工作数字化管理水平,管理成本明显降低。

       (3)数字化测量方面

       已应用激光跟踪仪、光笔、关节臂等高精度测量设备;使用三维扫描仪对镇安首台机组导水机构厂内预装导叶开度数据进行测量使用;使用三维扫描仪扫描了黄金峡泵轮部件,测量泵轮直径、开档值、上冠、下环厚度值、下环与止漏环平面值等数据;三维扫描仪扫描出的实体模型,在实现三维模拟装配方面存在一定难度,需要分析大量数据以及借助特定软件进行数字化三维虚拟装配,仍在探索实现数字化三维虚拟装配技术应用。

       (4)智能运维产品

       2017-2020年,承担工信部财政部“2017年工业转型升级(中国制造2025)-水力发电设备智能远程运维新模式”专项课题,探索水力发电设备行业智能化发展的新方向,成果于2020年5月通过国家验收;2021年至今,承担工信部专项“发电行业关键设备数字孪生全生命周期管理系统”,建立发电行业关键设备数字孪生应用新体系;哈电数字化、智能化应用产品已在国网新源丰满、黔源电力董箐、雅砻江两河口等电站上实现工程化应用,正在进行丰宁、荒沟抽水蓄能、长河坝、加查、三峡、托巴等电站的数字化、智能化新产品开发,形成了初步的产业规模。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       智能化叠片车间(图1)是一套完整的集冲片存储、冲片转运、冲片叠装的生产车间。利用先进的智能制造技术和设备,取代了吊车转运冲片,人工叠片的重复性操作流程。

       智能叠片车间整体布局主要包含三个自动化设备,一套智能立体库(图2)、三台AGV小车(图3)以及两套机器人自动叠片工作站(图4)。

图1

图1 智能叠片间

图3

图2 智能立体库

图4

图3 AGV小车

图5

图4 机器人自动叠片工作站

       1. 项目背景介绍

       智能化叠片车间建设是哈尔滨电机厂有限责任公司(后简称为哈电机)智能制造规划中近期拟实施落地的工作任务之一,是哈电机从传统制造向智能制造转型升级以赶超同行业企业的一项重大战略举措。其中冲片自动叠装车间为一期试点车间之一,项目总投资约为6791.86万,其中MES系统建设及其它系统集成费用为808.7万元,产线设备建设费约为5629.86万元,智能采集、机床联网、服务器及存储等其他费用为353.3万元。该项目于2019年下半年开始正式启动规划及设计,2020年初进行安装、调试工作,2020年6月正式投产运行。

       定子铁心是大型汽轮发电机的核心部件之一,它是发电机在发电过程中用来导磁的重要部件。大型汽轮发电机的铁心重量约为80吨到300吨不等,长度较长,约为3到8米不等;但精度要求高,一般为每米直线度不超过0.25mm。定子铁心作为发电设备的重要部件一直需要人工进行叠装,工作任务量大、效率较低、且产品质量存在波动。针对哈电机公司现有铁心装压技术特点,结合产品需求, 并基于哈电机主要产品类型的装备制造、系统集成、关键工艺、工装器具等,采用研发并引进的策略开发了一套自主设计的智能叠片车间。通过智能叠片车间的建立实现了发电机核心部件冲片的自动、快速顺序叠放;实现了机座加工、铁心叠片、定位筋装配等多项工序的并行生产,大大缩短主线工期;降低了铁心叠片成本;降低了一线操作人员劳动强度;同时通过可靠的控制功能、人机交互界面以及状态实时检测、报警和处理功能,更好的保护人、设备的工作安全。

       2.项目实施与应用情况详细介绍

       (一)智能装配技术

       哈电机公司发电机智能叠片车间为无人车间,设备包括以下内容:

       1)机器人自动叠片工作站

       自动化设备包括机器人,含器人手抓(图5)、机器人基座(图6);3D+2D视觉识别系统(图7);多种物料定位台(图8)、高精度叠片平台、控制柜等设备。可实现定子冲片分段叠装。

图6

图5 机器人手爪 
图7
图6 机器人及基座
图8
图7 视觉识别系统
图9
图8 多种物料定位台

       其中,机器人采用FANUCR-2000iC/125L工业机器人,机器人重复定位精度为±0.05mm,平均工作节拍为9.3s;机器人具有示教功能,在调整程序设定后进行一次模拟运行,验证无问题后正式生产。

       机器人手爪吸附形式为真空吸附,具有冲片吸附检测功能。在机器人吸附后搬运冲片的过程中,检测到冲片未吸附成功或脱落,重新吸附冲片,并通过电气控制系统协调其他机器人以保证冲片摆放动作协调同步,如果连续多次发生该故障,及时停机报警。在叠放时,如经常出现冲片无法落底的情况,系统可增加冲片落底检测,可报警由人工处理。

       磁力分张器可解决冲片粘连等异常情况,检测到冲片异常后,及时报警,并停止设备动作。3D视觉系统具备检测冲片漆膜破损、锈蚀和冲片卷边等情况的检测功能。

       设备控制软件具有完善、友好的人机交互界面(中英文转换),可实时显示设备当前工作状态,并实时记录,以供查询。控制软件可方便的输入设备控制所必需的工作参数,如冲片总叠装层数、通风槽板间冲片层数、绝缘冲片叠装位置、补偿垫片叠装位置等,同时具备检查周期提醒、人工叠装辅助等功能。

       2)智能冲片立体库

       智能冲片立体库(图9)包括货架、有轨巷道堆垛机、控制柜等,实现冲片自动摆放、冲片型号选择、冲片从立体库至轨道的传送、冲片出、入库智能选择及数据采集。

       智能立体库具有冲片阈值检测报警功能。在托盘中剩余冲片不足时,及时报警通知AGV小车前往立体库取料并运输到托盘安放台;具有冲片料仓无冲片检测功能。在检测到仓中无任一冲片余料时,由AGV小车对托盘安放台进行料仓更换,以保证设备连续运行。

图10

图9 智能冲片立体库

       3)AGV运输小车

       AGV运输小车、AGV自动充电桩(图10),实现冲片从智能立体库至机器人自动叠片工位的传送。

       AGV小车承载能力1.5T;可实现360°自由旋转;可持续使用12h以上,具有自动休眠功能,在不工作时为省电模式,电量较低时可自动充电;充电时自动对接,光电感应,闲时对接触电无电压输出,安全可靠,可实现快速充电;AGV小车具有红外防撞和机械防撞功能;具有排队进站、选择站点停车、电池报警、指示灯报警、自动和手动控制功能;具有防脱轨和过载功能;若设备程序发生故障,可手动控制以备不时之需。

       AGV小车车体宽度800mm,可以并排通过2辆AGV小车,因此设置了独立的2条通道;同时为了考虑避免由于设备维修等问题导致影响生产,由三台AGV小车共同使用,两台正常运行,一台备用;三辆AGV小车可以相互通信,当小车相遇时,控制程序根据优先级安排避让或通行。

图11

图10 AGV小车及自动充电桩

       4)安全装置

       安全装置包括安全围栏、安全门等,实现设备对人员的安全保护。

       (二)设备工作流程

       机器人工作站根据生产需要选择叠装的产品,根据该产品的零件信息,也就是图号信息,将数据传递给智能立体库;立体库辨别库存是否有料,若有料,则将信号传递给AGV小车,小车从立体库取料并送料至机器人工作站;机器人根据程序智能叠片,叠装后的铁心段由无轨平车运出;叠片间全程采用数字化流程。

       (三)生产与设计协同

       在生产与设计协同方面,哈电机通过针对生产计划和管理的PPS系统、设计零件表的PDM系统、工艺路线及工序的CAPP系统,集成为哈电机MES系统。智能车间通过MES系统提供的信号接口,通过WEB协议从MES系统中提取所需的零件及工艺信息。并将这些信息传递给下属所有的智能设备。如图11所示。实现工业自动化设备与信息化系统的融合。最终实现生产与设计的双向互通,实现设计开发与生产之间的及时响应。

图12

图11  生产与设计协同数据流

       (四)通用化设计

       为了提高设备柔性化制造水平,智能叠片间可实现多种不同零部件的叠装,包括主冲片、通风槽钢片、补偿片、绝缘片等。同时能够实现大型发电机从30MW到660MW等九种产品多种零部件的智能叠片。做到叠片过程中全程无人参与。

       主要从叠装工具平台、机器人工作程序、视觉识别系统多样化等方面采用通用化设计。

       其中叠装工具平台的结构及精度最为重要,该平台由架体、叠装盘、升降机构、定位柱等组成。叠装盘上根据冲片的不同定位孔位置进行打孔并安装定位柱导向套。定位柱安装在升降机构上,并穿过台叠装盘上的导向套,随升降机构上下运动。定位柱和叠装盘可根据不同的冲片进行更换。升降装置驱动定位柱升降,根据叠放高度,自动调整定位柱高度,满足机器人放料和冲片定位要求。为保证叠片的准确安放,导柱固定在同步升降盘上,在伺服升降装置的带动下根据叠片的高度调整导柱露出工件的高度。伺服升降装置配有检查开关和自锁功能,保证同步升降盘的稳定性。

      (五)生产过程自动化

       生产过程方面,哈电机公司通过改造 MES 系统,实现生产排程和任务分派,并通过AGV设备实现冲片叠装车间的准时化物料派送,通过对现场的实时掌控,快速处理车间制造过程中常见的延期交货、物料短缺、设备故障和人员缺勤等异常情形。通过 PLC、DNC 和 Andon 等控制系统建设实现机床联网和设备自动化集中控制,实现通过现场看板、移动终端等终端设备实时展示设备状态以及生产信息,使得设备状态数据透明化,以便于设备综合利用率分析,提升车间对重点设备实时管控能力。

      (六)物料配送自动化

       物料配送方面,智能立体库WMS系统具有APP端和PC端两个设备数据输出端。可实现单据管理、物料入库管理(图12)、物料出库管理(图13)。可实现调库功能,盘检、抽检功能,台账查询功能,作业记录功能。立体库的每一个托盘对应一个唯一条形码管理,物料入库时有对应的物料转移码(含产品工作号和图号),将以上两个条码对应后与MES系统中的零件图号一一对应,形成物料管理、跟踪模式。
图14-1图14-2

图12  物料入库管理

图15-1图15-2

图13  物料出库管理

       智能立体库含记忆功能,能够辨别钢架上有无托盘;同时具有余料不足报警装置,在余料不足的情况下,通知系统管理补料。

       AGV小车数据与智能立体库数据连接,车间物流根据生产需要实现自动挑选、实时配送和自动输送。

       AGV调度系统根据接收到工作指令、AGV信息及当前交通路况,进行综合的统一的处理,指挥AGV小车前往出库位置、机器人工作站料台位置及交通避让等。

       AGV小车具有红外防撞和机械防撞功能;具有排队进站、选择站点停车、电池报警、指示灯报警、自动和手动控制功能;具有防脱轨和过载功能;若设备程序出现故障,具有手动控制功能。

       (七)产品信息追溯

       智能立体库与哈电机ERP系统的大数据连接,建立了大型数据库,可以实现物料数据、托盘数据、叠片数据、生产管理数据全部在哈电机ERP系统中体现并应用。可以做到实时监控,数据记录设备工作内容、工作节点、报错时间、报错原因等(图14)。

图16-1图16-2

图14 后台信息

       智能立体库内的堆垛机设置货台虚实检测装置,防止由于控制失误,导致重复入库造成事故;堆垛机同时设有自动“纠偏”功能,若设备程序发生故障,具有手动控制功能。

      (八)车间环境管控

       智能叠片间整体封闭,可满足智能叠片间防尘管理。

       设备工作时,若温度高于预设温度,系统自带空调可实现设备智能降温。各个设备的电缆接头、软管及软管接头、管夹等具有防油、防尘处理。  

       机器人工作站防护围栏设有安全锁和安全门(如图15所示),安全锁闭合,设备方可工作;安全锁打开,设备停止工作并报警。

图17 安全锁和安全门

图15 安全锁和安全门

       (九)绿色制造

       智能叠片间的每一台设备的实时电流电压及日用电量会显示于触摸屏上,便于实施监控设备能源消耗。

       智能叠片间内的所有设备与哈电机MES系统连接,可实时监测设备运行状态,包括工作效率、产品不合格率、设备启停情况等。

       3. 效益分析

       叠片间全程采用智能化流程,只需要操作者在控制屏中输入所需叠片要求即可。全程只需要1个操作者参与人工整形和人工吊运铁心段。和常规的人工叠片相比,至少可减少4个操作者,大量的节省了人工成本。

       同时提高了生产效率,由以往人工每天叠装3000片提升到每天叠装9000片;由以往的年产量1年23台提升到年产量1年44台。可以说是发电机产值质的飞跃。具体对比数据如下表:

表1 智能叠片机器人应用前后效率对比

表1 智能叠片机器人应用前后效率对比
责任编辑:李瑶嘉
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