智能电能表数字化生产线设计

张保增，张敬伟，刘静然

（许继集团有限公司，许昌 461000）

控制技术

智能电能表数字化生产线设计

张保增，张敬伟，刘静然

（许继集团有限公司，许昌 461000）

为了有效提高智能电能表的生产效率，设计了智能电能表组装生产线，实现了智能电能表的自动焊接、自动校表和检测，提高了电能表生产的效率和质量，同时减轻了人工工作量。通过上位机设置加工方案，把加工方案设置到PLC中，使用西门子PLC自动对电能表生产线的线体和加工设备进行控制，实现了生产线的自动稳定运行。

智能电能表；生产线；PLC

0 引言

近年来，随着国家电网公司对智能电能表进行集中招标，智能电能表的生产从原来小批量多型号向大批量少型号转变，投资大量资金使用生产线生产智能电能表变得经济。由于固定的电力公司的电能表种类较少，所以针对智能电能表的检表流水线经济性较好。目前针对智能电能表进行检定的流水线的开发和文献较多[1～4]，但针对智能电能表的数字化生产线的研究和应用较少，部分[5]仅实现了校表的功能，没有把整个电能表的生产过程有机集成起来。

本文使用西门子PLC对智能电能表生产线进行集中控制，把整个智能电能表的组装过程连接起来，通过流水线实现电能表从一个工序向下一个工序的自动流动，从而实现了电能表的自动化快速生产。

1 智能电能表生产现状

智能电能表是智能电网(特别是智能配电网)数据采集的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务，是实现信息集成、分析优化和信息展现的基础。在智能电表基础上构建的高级量测体系（advanced metering infrastructure，AMI）、自动抄表（automatic meter reading，AMR）系统能为用户提供更加详细的用电信息，使用户可以更好地管理他们的用电量，以达到节省电费和减少温室气体排放的目标。

从2009年，国家电网公司也出版了自己公司的智能电能表系列公司标准，并不断进行更新。国家电网公司从2009年开始试点智能电能表集中招标，并从2010年开始，国家电网公司开始电能表集中招标，目前国网表在电能表市场上所占份额变得越来越大。国家电网公司的标准和招标模式减少了电能表的型号，也增加了单一型号的电能表的招标数量，使得投资生产线对电能表进行批量生产变得经济。

电能表的生产过程主要包括电路板的组装以及电能表整机组装过程。由于电路板组装过程属于一般性的组装过程，所以电路板组装均在贴片以及插装生产线上进行，不包括在电能表的自动生产范围内。

目前智能电能表的生产过程主要是包括电能表组装、端子焊接、功能检测和校表几个过程。其中耗时最长的过程是校表过程，目前大多数公司采用的方法是采用人工在校表台上装卸，在各工位之间通过人工小车转输的方式，占用较多的人工和车间空间，同时带来较多的在制品。较慢的装卸表过程也降低了检表台的设备使用率。部分公司采用了自动校表生产线，但焊接等工位仍然采用人工方式，效率较低。

2 控制系统

自动化生产线的控制系统框架如图1所示。其中上位机实现生产过程配置的人机接口，人工可以在上位机上设置生产参数，实现对生产过程的控制。

图1 电能表生产线控制系统框图

通过博途软件进行PLC的组态，组态图如图2所示。为了方便显示，其中仅显示了部分IO控制器。

图2 PLC组态图

2.1 PLC选择

自动化生产线主控使用S7-1500PLC，各IO分站IO控制模块ET200SP。针对加工设备，使用S7-1200 PLC进行控制，各加工设备之间通过工业以太网PROFINET通信。

西门子S7-1500采用模块化结构，各种功能皆具有可扩展性。S7-1500带有3个PROFINET接口。其中2个端口具有相同的IP地址，用于现场级通信，案例中实现与IO控制模块之间通讯；第三个端口具有独立的IP地址，集成到控制网络中，案例中实现与上位机的通讯。

项目中S7-1500CPU选用1516-3 PN CPU，位运算周期0.01µs，定点运算0.016µs，工作存储器程序空间1MB，数据空间5MB，存储器16kB，编程语言选择梯形图语言。

针对生产物流传输线的控制使用西门子的IO控制模块ET200SP。ET 200SP通过PROFINET将过程信号连接到中央控制器S7-1500。ET 200SP安装于标准导轨，ET200SP中的接口模块完成通讯功能；I/O模块通过输入输出接口实现产线数据的采集和控制。

PROFINET网络基于工业以太网的通信方式，是近年来生产线控制通讯方案的首选[8]。IO控制器最多可以连接256个设备，对于整个以太网网络节点是没有限制的。而且IO控制器间可以实现实时的PROFINET CBA通信，最小刷新时间为1ms。

2.2 控制流程

PLC根据各电能表的配置方案对电能表进行相应的加工。电能表的生产线线体主要分为缓冲工位和加工工位。在加工工位对设备进行加工操作，缓冲工位暂存待加工的电能表，以实现各加工工序之间的节拍匹配。加工工位的控制流程有限状态机图如图3所示。当检测到工装板到位后，自动对电能表进行加工，加工完成后自动放行。

图3 加工工位有限状态机图

缓冲工位的有限状态机图如图4所示。当检测到下一个工位空闲时，则把工装板传输到下一个工位。当上一个工位有工装板时，可以暂存待加工电能表。

图4 缓冲工位控制有限状态机图

3 生产线流程

通常智能电能表的生产制造过程包括印刷电路板的贴片加工、组装、校表、验表、参数设置、功能测试、走字等多道工序。其中，校表、验表、参数设置、功能测试、走字等工序都属于与检测有关联的工作，在电能表生产制造的全过程中大约占了70%[5]。

生产线的设计主要包括生产线线体和加工工序设备组成。生产线线体负责及时准确把被加工电能表运送到加工位置，加工工序实现对设备的加工处理。电能表的加工流程如图5所示。

图5 电能表加工工艺流程图

3.1 线体

线体实现电能表位置的固定，以及电能表在各个工位之间的转运。设计的自动化生产线采用流水倍速链进行电能表在生产各工序间的流转。为了提高在倍速链上传输的效率和精确度，把电能表固定在工装托盘上，使用工装托盘保证电能表的相对位置，使用气缸对工装托盘的阻挡实现工装托盘的定位。

工装托盘采用铝合金材料，在线体上使用金属传感器检测工装托盘的位置，实现对个体工装托盘位置的检测和追踪。

3.2 上料

产品上料包括实现电路板组合、表壳的上料。由人工从供料盒中取出，实现表壳与电路板的组合安装，放入流水皮带线上。对于有实时时钟要求的电能表，实现部分短路端子的焊接。完成组装的电能表进入全自动生产环节，通过防反检查保证电能表方向正确，之后扫描电能表上的条码进行信息录入，后电能表进入双边皮带线进行锁螺丝、焊接、除尘和进入厂内模式等操作，操作完成后传输至倍速链上料处。

在倍速链上料处，使用机械手臂把电能表从双边皮带线上抓取到工装托盘上的相应位置。同时对工装托盘的RFID编号和电能表的条形码进行关联。

3.3 焊接

在把电路板组合安装在表壳上后，由自动焊接机器人实现对电能表辅助端子的焊接。焊接完成后自动放行。为了实现辅助端子的自动焊接，在电路板组合上的辅助段子引线设计成硬连接引线，电能表壳体上的辅助段子直接插入电路板组合的焊接孔，由焊接机器人进行逐个焊点焊接。由于本工位需要时间较长，生产线设置了多个焊接机器人以保证节拍平衡。

3.4 组装

电能表组装过程包括表壳的组装、载波模块的组装和标签等的装配。组装过程采用人工操作。针对表壳的锁螺钉、盖表盖操作使用自动化设备自动完成。锁螺钉设备根据电能表的固定位置逐个锁螺钉。锁螺钉设备使用振动盘和气动管道实现自动供钉，由设备自动完成锁螺钉操作，锁螺钉完成后检测是否操作成功。当安装完载波模块后，自动实现电能表翻盖的闭合。

3.5 校表和检表

由于电能表制造过程的分流器和分压电阻等元器件的个体差异，为了保证电能表的计量精度，需要对电能表进行校准。校表和检表过程在自动检表台上进行。台体通过气缸推动，首先通过顶针实现工装托盘的定位，然后通过气缸推动接触端子，通过气压驱动的方式，将电能表电流、电压接线端及RS-485通信、脉冲、多功能输出三对辅助接线端子与检测装置6表位工装托盘一次性可靠自动连接。通过电能表的计量值（电流、电压、功率）和标准电能表的计量值进行比对，更改电能表的计量修正系数，实现电能表计量精度的校准。校表方案存储在校表台上，校准完成后，对电能表的计量精度进行走字校对，判断电能表是否合格，并把走字结果发送到上位机。

为了实现生产线的节拍平衡，在生产线中使用了多台电能表校表设备。多台设备之间并行布置，提高设备的使用率。同时在多台校表设备之前设置较大的缓冲区，消除多台校表设备同时需要进货的工位饥饿状态。

3.6 检测

检测过程实现对电能表的功能检测，以便检测出故障电能表。检测项目包括液晶显示检测、脉冲灯检测、蜂鸣器检测、红外通讯检测、载波通讯检测、耐压检测、按键检测等，使用光学设备和声学设备等自动实现对电能表各种功能的检测，检测完成后把检测结果自动上传到上位机，对检测后的电能表自动放行。

对于检测不合格的电能表，后面的工序不对其进行加工。在人工工位上，有电能表是否合格的指示灯标识，避免对不合格电能表的操作。

3.7 分拣

在完成电能表的功能测试之后，对于有坏表的工装托盘进入分拣单元，通过机械手将坏表替换为好表，保证工装托盘上的电能表全部为好表，充分利用调检设备的使用效率。

3.8 抽检

对于有抽检要求的电能表可以通过上位机控制软件指定需要抽检的工装托盘，电能表在调检完成之后会再次流入调检仓进行抽检，并生成抽检记录，电能表不许下线即可完成抽检操作，极大的提高了生产效率。

3.9 下料

完成装配操作后，通过机械臂把电能表从工装托盘上取下，放到皮带线上，对电能表进行铅封、打尾盖螺钉、贴标签、贴合格证等操作。

3.10 装箱

电能表生产完成后，自动下表装箱。由于目前电能表的包装没有统一的规定，不同的电力公司包装要求不一致，生产线采用人工包装的方式。包装装箱完成后，通过人工放置在托盘上，运输至成品仓库中。

目前的电能表生产线主要针对单相电能表，因为单相电能表的批量相对较大，生产线的投资平摊到每块电能表上的成本较低。通过生产线的使用，可以大大提高车间的生产能力。

4 结束语

在电能表在生产线的定位方式上，目前还采用机械定位的方式，各种机械加工的精度和可靠性依赖于传送链条与加工设备的相对位置，导致每一次设备的组装都要进行大量的调试。下一步要增加设备自动定位电能表位置功能，这样可以大量缩短加工时间。目前在生产线的电机都采用转接启停的方式，这种方式不仅对电力系统造成冲击，同时不利于节能，还会对传输装置的磨损造成不利影响，下一步需要进行有效优化。

[1] 龙贵山,刘磊,刘颖,等.电能表自动化检定及智能仓储系统研究[J].电测与仪表,2015.5(30):95-100.

[2] 周莉.单相电能表自动检定流水线系统的应用研究[J].电气技术.2014.2:59-63.

[3] 刘程.电能表检定流水线传输系统的优化设计[J].江西电力.2013.6:76-77,92.

[4] 高利明,陈卓娅,张欲晓,等.一种智能化全自动流水线电能表检定系统[J].河南电力,2011.4:38-41.

[5] 胡捷,等.智能电能表自动化生产线特征研究与探讨[J].装备制造技术,2013.9.

[6] 陈先锋.西门子全集成自动化技术综合教程[M].北京:人民邮电出版社,2012.1.

[7] GB17215.301-2007.多功能电能表特殊要求[S].

[8] 张利新,徐扬.Profinet在工业自动控制系统中的应用[A].冶金自动化全国冶金自动化信息网2016年会论文集[C].2016年,S1.

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

张保增（1979 -），男，河南人，工程师，工学硕士，研究方向为电子产品智能制造技术。