風(fēng)電葉片模具信息化技術(shù)開發(fā)

崔成勇 時(shí)海波 王 宇 吳志全

（1.中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司，北京 102101；2.中材科技（邯鄲）風(fēng)電葉片有限公司，河北 邯鄲 056046；3.中國廣核新能源控股有限公司，北京 100071；4.北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100176）

0 引言

葉片是風(fēng)電機(jī)組最重要的部件之一，直接左右著機(jī)組的發(fā)電效率與成本。風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)的改進(jìn)對復(fù)合材料成型過程的質(zhì)量和成本提出了更高的要求[1-2]。模具作為復(fù)合材料成型過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其智能化改造是滿足葉片生產(chǎn)需求的必經(jīng)之路[3-5]。

風(fēng)電葉片在主成型工序中產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，在后工序造成了巨大的維修成本。主成型模具生產(chǎn)在線監(jiān)控作為智能化發(fā)展方向，已引起葉片生產(chǎn)商和模具制造商的關(guān)注[6]。合模縫、錯位、溫度及真空度等生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控和大數(shù)據(jù)分析已成為技術(shù)人員的研究課題，但還基本處于探索嘗試階段。

隨著葉片生產(chǎn)工藝和模具的不斷迭代改進(jìn)，部分企業(yè)和科研人員在設(shè)備方面做出了有益的改進(jìn)，如使用升溫更快、自動化程度和控制精度更高的電加熱系統(tǒng)代替水加熱系統(tǒng)[7]，采用一體在線真空灌注技術(shù)以提高灌注質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本[8]等。但是，葉片生產(chǎn)過程的整體智能化水平仍然較低，大量數(shù)據(jù)需要人工測量和記錄，生產(chǎn)效率、成本統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量管控等方面存在大量的信息孤島，信息的準(zhǔn)確性和即時(shí)性得不到保證。

信息化、數(shù)字化作為生產(chǎn)制造業(yè)先進(jìn)理念已廣泛應(yīng)用，并在航空工業(yè)復(fù)合材料車間進(jìn)行了一系列嘗試，例如文獻(xiàn)[9]分析了復(fù)合材料車間各個方面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管控的方案，但信息化、數(shù)字化在風(fēng)電葉片制造業(yè)應(yīng)用仍較少。為有效改善風(fēng)電葉片的生產(chǎn)現(xiàn)狀，本文利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+的理念，整合生產(chǎn)過程中的各種可利用資源，設(shè)計(jì)了風(fēng)電葉片主成型模具信息化監(jiān)控系統(tǒng)。

1 模具信息化技術(shù)

1.1 生產(chǎn)工時(shí)統(tǒng)計(jì)

風(fēng)電葉片主成型模具生產(chǎn)過程分為鋪層、灌注、粘接三大工序，每個大工序又可細(xì)分為若干個小工序。由于生產(chǎn)過程復(fù)雜，材料種類多，依賴大量人力操作，存在多種工時(shí)影響因素，同型號不同模具、不同班組、不同生產(chǎn)批次的工時(shí)都存在差別；而且目前風(fēng)電葉片生產(chǎn)主要依賴人工記錄，缺少自動記錄手段，準(zhǔn)確性和即時(shí)性難以保證。另一方面，風(fēng)電葉片一個生產(chǎn)周期中不同階段需要用到對應(yīng)的輔助工裝，并根據(jù)生產(chǎn)工藝調(diào)節(jié)加熱溫度，操作真空泵、液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、樹脂灌注機(jī)、粘接膠機(jī)等設(shè)備，并修改設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。

通過增加信息化手段，利用傳感器檢測工裝使用時(shí)間和重要數(shù)據(jù)，采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號來記錄工序關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從鋪布、上主梁、灌注、粘接直到固化、開模階段各工序的工時(shí)的自動統(tǒng)計(jì)。主要技術(shù)手段如表1所示。

表1 工序節(jié)點(diǎn)記錄方法舉例

通過對生產(chǎn)過程中工裝、設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，可以確定各工序節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工時(shí)的自動記錄和統(tǒng)計(jì)，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率的分析和優(yōu)化。最終，利用傳感器和設(shè)備數(shù)據(jù)得出的工時(shí)統(tǒng)計(jì)信息如圖1所示。

圖1 某支葉片各工序工時(shí)

1.2 能耗統(tǒng)計(jì)

風(fēng)電葉片主成型模具主要消耗的能源為電能，用電設(shè)備主要包含模具液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電加熱系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)三大部分。傳統(tǒng)的配電模式中，廠區(qū)低壓配電室一級配電柜各出線開關(guān)根據(jù)用電負(fù)荷將電源送至車間各區(qū)域二級配電柜，模具的用電設(shè)備連接至各區(qū)域的二級配電柜?，F(xiàn)場缺乏電能計(jì)量儀表，僅能直接計(jì)量一級配電柜負(fù)荷和間接計(jì)算出車間總負(fù)荷，無法針對單套模具、單臺設(shè)備進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)。

通過在單臺設(shè)備進(jìn)線開關(guān)處安裝多功能電能表和配套電流傳感器等附件，可以有效采集設(shè)備的耗電情況，并通過儀表附帶的通信接口實(shí)時(shí)上傳到現(xiàn)場上位機(jī)軟件中，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段、分設(shè)備、分工序的耗電量記錄，結(jié)果如圖2所示。軟件系統(tǒng)可根據(jù)收集的數(shù)據(jù)生成可視化圖表和統(tǒng)計(jì)報(bào)表，用于分析能源消耗，從而提高利用效率。

圖2 生產(chǎn)過程設(shè)備耗電量記錄

1.3 樹脂、粘接膠用量統(tǒng)計(jì)

樹脂、粘接膠是風(fēng)電葉片生產(chǎn)過程中的重要原材料，使用量直接關(guān)系到整支葉片產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。常規(guī)做法是由操作人員進(jìn)行手工記錄和統(tǒng)計(jì)，經(jīng)常存在庫房出膠量和現(xiàn)場使用量數(shù)據(jù)不符、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、統(tǒng)計(jì)不及時(shí)等現(xiàn)象。

通過對灌注機(jī)、粘接膠機(jī)的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，上位機(jī)根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)地址采集設(shè)備的運(yùn)行信號、故障報(bào)警、流量等信息，可以計(jì)算出設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、出膠比例、累計(jì)出膠量等數(shù)據(jù)并生成電子表單，為成本計(jì)算提供依據(jù)。數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 某型號模具連續(xù)5支葉片灌注樹脂用量記錄

1.4 合模縫監(jiān)控

風(fēng)電葉片主成型模具如圖4所示，合?？p主要體現(xiàn)為PS（迎風(fēng)）面和SS（背風(fēng)）面模具玻璃鋼殼體的間隙。在鋼架結(jié)構(gòu)上安裝傳感器可監(jiān)控鎖緊狀態(tài)，反饋未鎖緊信息并報(bào)警。在模具合模明顯異常時(shí)，員工可及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，并調(diào)整模具參數(shù)。但是，傳感器安裝在鋼架結(jié)構(gòu)上而不是玻璃殼體上，無法直接反映合?？p狀態(tài)。將激光傳感器安裝于模具殼體，監(jiān)控合?？p，可避免鎖緊機(jī)構(gòu)和鋼架結(jié)構(gòu)對合?？p監(jiān)控的影響。

圖4 風(fēng)電葉片模具3D示意圖

穩(wěn)定的合?？p監(jiān)控技術(shù)關(guān)鍵在于合理的安裝結(jié)構(gòu)?？紤]到另一種常見缺陷———錯位，傳感器安裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，此結(jié)構(gòu)集成了合?？p及錯位監(jiān)測功能，傳感器和反光板都安裝于模具殼體，反光板與傳感器的距離直接反映模具合模縫距離。PS（迎風(fēng)）面模具需翻轉(zhuǎn)，反光板不需接線，安裝于此面，避免翻轉(zhuǎn)時(shí)的線路干涉；傳感器安裝于SS（背風(fēng)）面。傳感器設(shè)置保護(hù)罩，且保護(hù)罩與傳感器支架、反光板獨(dú)立安裝，避免保護(hù)罩晃動引起監(jiān)控誤差。

圖5 合?？p及錯位監(jiān)控示意圖

合模正常時(shí)，系統(tǒng)記錄并存儲每支葉片的合模數(shù)據(jù)。合模異常時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)控到合?？p超過合理值，則報(bào)警。員工收到報(bào)警并處理后，在人機(jī)界面上填寫事故記錄，完善合?？p大數(shù)據(jù)。工藝及質(zhì)量人員根據(jù)合模大數(shù)據(jù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，得到穩(wěn)定的合模質(zhì)量。合模質(zhì)量穩(wěn)定后，可實(shí)現(xiàn)免試合模，提高氣動性能和風(fēng)噪性能。

1.5 溫度監(jiān)控和加熱控制

VIMP工藝又被稱為SCRIMP（Seemann Composites Resin Infusion Molding Process）工藝和VIP（Vacuum Infusion Process）工藝，其工藝原理是在單面剛性模具上以柔性真空膜包覆、密封纖維增強(qiáng)預(yù)成型材料，在真空負(fù)壓下排出模腔中的氣體，注入聚合物樹脂，利用樹脂的滲透、流動實(shí)現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在加熱條件下保持真空至固化成型[10-11]。

為保證加熱效果，風(fēng)電葉片主成型模具上劃分為若干加熱區(qū)并預(yù)埋加熱板和熱電阻，實(shí)現(xiàn)加熱溫度閉環(huán)控制。加熱系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工序分為預(yù)熱、預(yù)固化加熱、一粘加熱、后固化加熱等階段，每個階段可以獨(dú)立設(shè)置加熱溫度，溫度曲線如圖6所示。當(dāng)熱電阻檢測到溫度超限時(shí)，此加熱區(qū)加熱停止，系統(tǒng)報(bào)警通知員工排查故障。系統(tǒng)自動存儲記錄數(shù)據(jù)并可查看精確溫度，存儲數(shù)據(jù)可導(dǎo)出報(bào)表，使產(chǎn)品固化過程溫度有據(jù)可查。

圖6 加熱系統(tǒng)溫度曲線

由于電加熱系統(tǒng)直接檢測的是模具溫度，為保證產(chǎn)品溫度達(dá)標(biāo)，在傳統(tǒng)葉片制造工藝中，主要采用人工手持無線測溫槍抽檢葉片溫度是否符合要求，占用人力，且較為費(fèi)時(shí)。

本系統(tǒng)中采用無線測溫模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測葉片型腔內(nèi)溫度，如圖7所示。將無線溫度傳感器放置于葉片型腔內(nèi)部，無線溫度傳感器通過433 MHz無線通信頻率將溫度信息提供給無線測溫模塊，無線測溫主機(jī)通過RS485通信協(xié)議與監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)交換數(shù)據(jù)信息。采用無線實(shí)時(shí)測溫，并通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)目視化，不僅可以減少耗費(fèi)的人力，而且可以掌握葉片生產(chǎn)質(zhì)量。

圖7 無線測溫傳感器及主機(jī)

通過葉片溫度監(jiān)控可及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常。在后固化階段，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度，可以確定葉片上升到保溫閾值的準(zhǔn)確時(shí)間，縮短固化時(shí)間，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖8所示。葉片發(fā)白、銀紋等質(zhì)量缺陷經(jīng)常發(fā)生區(qū)域，可以單獨(dú)放置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化。

圖8 蒙皮溫度監(jiān)控示意圖

1.6 真空度監(jiān)控

主成型模具真空系統(tǒng)由兩個獨(dú)立的真空系統(tǒng)組成，分為一真空和二真空。每個獨(dú)立的真空系統(tǒng)均由真空主管路、真空嘴、連接軟管組成。在主成型模具真空主管路設(shè)置真空傳感器，探測負(fù)壓值。以某葉片主成型模具為例，建議的真空傳感器位置如表2（表中數(shù)據(jù)為傳感器與葉根端面的距離）所示。

表2 真空傳感器布置單位：m

風(fēng)電行業(yè)內(nèi)，對于真空系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)控僅限于真空泵真空罐的氣壓變化，該信號可以指示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和作為真空保壓工序節(jié)點(diǎn)的依據(jù)。而在主管路設(shè)置真空壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)目視化，可以提高漏氣點(diǎn)監(jiān)測效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)較大漏氣異常，有利于真空工藝參數(shù)的收集和改進(jìn)。

1.7 消息推送

葉片生產(chǎn)過程中各項(xiàng)信息通常采用逐級匯報(bào)的形式，信息傳遞缺乏及時(shí)性。本系統(tǒng)在收集和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的同時(shí)，開發(fā)了消息推送的功能，可以把設(shè)備報(bào)警、工時(shí)、能耗等信息實(shí)時(shí)推送到釘釘群，如圖9所示，有助于各級管理人員快速、及時(shí)掌握生產(chǎn)情況。

圖9 釘釘群消息推送

2 互聯(lián)網(wǎng)+在智能模具上的應(yīng)用探究

對于智能監(jiān)控系統(tǒng)，建議按照互聯(lián)網(wǎng)+設(shè)計(jì)理念將系統(tǒng)分成感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（圖10）。

圖10 模具信息化監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

感知層主要完成各工裝傳感器、翻轉(zhuǎn)角度傳感器、電能儀表、真空度、溫度、合?？p和錯位等數(shù)據(jù)采集。模具上的工裝傳感器用于輔助計(jì)算工時(shí)，電能儀表計(jì)量設(shè)備耗電量，真空傳感器采集負(fù)壓數(shù)據(jù)，激光測距傳感器采集合模縫和錯位信息?，F(xiàn)場分區(qū)布置控制箱（以下簡稱“分控箱”），分控箱包含數(shù)據(jù)采集模塊、溫度隔離器及其他控制元件。

網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。為了保證數(shù)據(jù)采集有效、不失真，采用信號線直接連接現(xiàn)場傳感器與現(xiàn)場布置的數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊把采集到的數(shù)據(jù)通過通信協(xié)議的方式發(fā)送給PLC；而PLC與上位機(jī)、生產(chǎn)設(shè)備、手機(jī)App之間則靈活地采用以太網(wǎng)、OPC UA、Modbus等通用的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信，并可便捷地進(jìn)行功能擴(kuò)展。

應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能處理，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示或處理。圖11為生產(chǎn)界面，可為遠(yuǎn)程監(jiān)控人員顯示主工序狀態(tài)（鋪層、灌注、預(yù)固化或者后固化），分色顯示主模具保溫層內(nèi)溫度。生產(chǎn)界面基本包含所有關(guān)鍵生產(chǎn)信息，現(xiàn)場員工通過手機(jī)或者大屏顯示器即可及時(shí)了解設(shè)備及產(chǎn)品狀態(tài)，工藝、質(zhì)量及其他相關(guān)人員可通過電腦、手機(jī)或其他終端設(shè)備及時(shí)了解產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)。生產(chǎn)界面用于將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)目視化，工藝界面用于工藝參數(shù)查詢及質(zhì)量原因追溯。

圖11 生產(chǎn)界面

主控系統(tǒng)通過無線Wi-Fi接入移動通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。將生產(chǎn)管理人員手機(jī)或電腦作為網(wǎng)絡(luò)終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)異地監(jiān)控。通過此功能，工藝及質(zhì)量人員可在辦公室監(jiān)控各模具運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決現(xiàn)場問題。

3 模具信息化監(jiān)控系統(tǒng)使用效果

如表3所示，模具監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)后，葉片生產(chǎn)效率提高，工藝人員通過過程數(shù)據(jù)分析，提高了問題解決速度。

表3 模具監(jiān)控系統(tǒng)使用前后對比

4 結(jié)論

針對本文所述模具信息化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)，可知其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用生產(chǎn)過程中的傳感器變化值、工裝使用記錄、設(shè)備數(shù)據(jù)作為工時(shí)記錄的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)工時(shí)的自動記錄和統(tǒng)計(jì)，分析生產(chǎn)效率的提升點(diǎn)。

（2）利用電能計(jì)量儀表實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的能耗計(jì)量和統(tǒng)計(jì)，為能源的更有效合理利用提供依據(jù)。

（3）通過與灌注、粘接設(shè)備的信號連通，實(shí)現(xiàn)用膠量記錄，有效計(jì)算成本信息。

（4）激光類傳感器監(jiān)控合?？p時(shí)，綜合精度高，且激光束可穿透真空膜，此類型傳感器較適合監(jiān)控合?？p及錯位；模具預(yù)埋和外置的溫度傳感器，可以較好地監(jiān)測模具和葉片的實(shí)時(shí)溫度；在真空管道上安裝真空壓力傳感器可以方便地實(shí)時(shí)監(jiān)測管路壓力變化。

（5）以風(fēng)電葉片主成型模具工序各項(xiàng)基本信息為基礎(chǔ)，采用信息化監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)目視化，提高了風(fēng)電葉片主成型模具工序質(zhì)量和效率。

（6）消息自動推送到釘釘群等辦公通信軟件，提高了數(shù)據(jù)傳遞的及時(shí)性，有助于相關(guān)工作人員快速獲取生產(chǎn)信息。