光伏组件实现单件流生产的可行性研究

阜宁协鑫集成科技有限公司 ■ 王磊 吴孙阳 李宗佰 张品选 王春成 吕其丹

0 引言

随着经济的全球化，客户对产品的数量、式样和质量的需求日益严格[1]。因此，除了具有竞争力的产品价格和质量外，必须以有限的人力、资源，以更短的生产时间、准时将少量的产品送到客户手中。面对市场需求形态的转变，传统制造业生产形态的应变能力明显不足，以传统制造业的生产形态应对缩短生产周期、降低在制品数量和实现少量多样的生产方式，往往造成成本增加和效益下降，在这种现状下，新生产技术应运而生。流水化生产是新生产技术的根基，是实现新生产技术安定化生产(人、设备、物料、质量和管理安定化)的前提。单件流生产是流水化生产的最终目标。它是一种人员、过程和设备有机结合，每个生产单元以最小数量的单位生产和转移，生产过程无停滞的生产方式[2]，单件流程度是体现流水化生产程度的关键指标。

单件流生产已经在部分行业进行了理论和实践的探索：田合伟等[3]通过对服装企业的硬件和软件影响因子进行分析，提出实现服装企业单件流生产的条件；魏炜[4]在某公司采用单件流和标准在制品(SWIP)库存控制方法，提出了在制品控制实施策略；林永涛[5]从定性和定量方法两方面对生产线实施单件流生产进行了指导和分析。从上述研究可以看出，单件流生产技术在制造业生产中已经取得了较好的实施效果，但并未结合智能化与信息化对制造业实施单件流生产进行分析，同时对于光伏组件行业实施单件流生产的文献研究较少。

本文以阜宁协鑫集成科技有限公司(下文简称“阜宁集成”)为研究背景，通过将智能化与信息化相结合，对阜宁集成的单件流生产进行分析与评估，同时提出光伏组件实施单件流生产技术的必要性与可靠性。

1 智能制造及单件流生产技术概论

1.1 智能制造概论

智能制造是一项系统工程，是紧密围绕智能产品、智能生产、产业模式和基础4个部分进行推进的，其中智能产品是主体，智能生产是主线，以客户为中心的产业模式变革是主题，信息物联网系统和工业互联网是基础[6]。智能制造的实质是建立在“智能化+网络化”之上的产品数据化，通过生产层面的纵向集成和市场层面的横向集成，实现制造业低端产业化的全面转型。工厂端实施智能制造的必要前提是精益生产方式的全面推行，通过全面灌输精益生产方式，使智能制造管理模式能够顺利展开。精益生产方式主要是通过自动化和准时化(JIT)2种方式来实现，其中，自动化主要是指以自动化设备替代人工作业，JIT是通过流动生产和以信息流带动物流2种方式来实现。目前，信息流主要通过制造企业生产过程执行系统(MES)、仓储管理系统(WMS)等系统性物流管理软件来实现，流水化生产的最高状态就是实施单件流。

1.2 单件流生产技术概论

单件流生产技术(OPF)起源于精益生产方式，是指通过合理的制订标准生产流程并安排好每个工序的人员量和设备量，使每个工序耗时趋于一致，以达到缩短生产周期、提高产品质量、减少转运消耗的一种高效管理模式[7]。

OPF的生产特点为：1)所有加工作业都按照作业顺序细化拆分；2)找到关键工序，通过调整人员、设备，按照关键工序的耗时整合次要工序，以便使所有工序趋于一致；3)所有员工均经过标准作业指导书(SOP)培训持证上岗；4)按照既定排好的工序来设计生产流水线；5)新产品导入经过小试、中试、大试和批量性试投；6)生产周期经过仔细衡量与确认。

OPF的生产优势为：1)在单件流生产中，由于各分工工序的同步运行，在保证生产效率显著提高的前提下，可最大限度地减少人力资源的浪费，缩短生产周期，提高线体平衡率；2)由于线体采用拉动式生产方式，只有工序后段有需求时前段才开始生产，确保了流水线线体上在制品(Work-in-Process，WIP)数量的绝对可控与最低化；3)单件流生产技术实现了快速出成品的制程，生产过程中无需库存多余的物料，节约了生产空间；4)单件流生产方式是在整个线体的单个运行周期内1次只生产1个成品，所以能及时在生产中发现产品的异常，减少不良产品的产生；5)单件流生产技术实现了单元作业同步化，每一道作业工序即为1个作业单元，同步化的作业环境提升了团队协作能力和高度配合能力，有效提升了生产效率。

2 阜宁集成实施单件流生产的关键问题

光伏组件在线作业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)自动裁切及铺设、串焊、排版、手动排版、叠层焊接、背膜EVA及TPT(Tedlar+PET+Tedlar，聚氟乙烯复合膜)铺设、层压前人工外观检测、层压前EL(Electroluminescent，电致发光)测试、层压、层压后自动削边、层压后人工外观检测、边框上料、边框涂胶与自动装框、边框打螺丝、离线贴唛拉、接线盒自动涂胶及安装、汇流条引线焊接、接线盒自动灌胶、恒温恒湿固化、背面清洗及撕膜、正面清洗、绝缘耐压测试、I-V测试、层压后EL测试、分档，以及工序前段的离线拆包和后段的包装、入库等工序。

2.1 光伏组件线体平衡率的解决

标准单件流生产方式要求各工序的生产节拍必须基本保持一致，否则节拍较长的工序会有半成品积压，导致WIP增多。当不同工序存在明显时间差异时，作业时间最长的工序称为“作业瓶颈”，其存在会严重影响单件流生产的实施，导致该生产方式无法进行。批量生产过程中的工序不平衡是大量WIP存在的根源。通过工业工程(Industrial Engineering，IE)采用取消、合并、重排、简化 (Eliminate、Combine、Rearrange、Simplify，简称为“ECRS”)等方式对作业工序进行优化重组，通过将相邻工序的作业重新排列组合，达到降低瓶颈工序的时间、提升产线效率的目的。

以阜宁集成的光伏组件在线作业为例，使用ECRS工具进行作业优化。层压后人工外观检测与恒温恒湿固化这2道工序中间的工序主要为边框上料、边框涂胶与自动装框、边框打螺丝、离线贴唛拉、接线盒自动涂胶及安装、汇流条引线焊接、接线盒自动灌胶等，改善前各工序的节拍如表1所示。

通过分析工序的节拍可以发现，接线盒自动涂胶及安装、汇流条引线焊接的作业时间最长，因此对其进行作业分析并优化。

表1 层压后人工外观检测至恒温恒湿固化之间的各工序作业内容及节拍

1)首先，对接线盒自动涂胶及安装、汇流条引线焊接的作业内容进行步骤划分，其可分为6个步骤。其中，汇流条引线焊接的作业时间为27.38 s，时间最长。对汇流条引线焊接进行双手作业分析，左手作业时间为5.01 s，等待时间为22.37 s，左手作业效率为18.30%；右手作业时间为23.53 s，等待时间为3.85 s，右手作业效率为85.47%；双手同时作业效率为4.27%。可以看出，左、右手作业效率严重失衡，双手同时作业效率低。因此，使用双手联合作业分析法，通过对左、右手的作业内容及同时作业效率进行改善，将汇流条引线焊接的作业时间优化为17.50 s。其中，左手作业时间为14.88 s，等待时间为2.62 s，左手作业效率为85.03%；右手作业时间为11.65 s，等待时间为5.85 s，右手作业效率为66.57%；双手同时作业效率为51.60%。整个作业效率提升了36.08%。

2)其次，对边框打螺丝、离线贴唛拉、接线盒自动涂胶及安装与汇流条引线焊接等作业进行工序重组排列。打螺丝人员协助完成汇流条引线曲翘度作业。贴唛拉人员协助完成接线盒自动涂胶作业。接线盒自动涂胶及安装与汇流条引线焊接作业的节拍优化至33.56 s/件，边框打螺丝作业的节拍为33.01 s/件，离线贴唛拉作业的节拍为24.42 s/件。

3)最后，优化接线盒自动涂胶机的位置和电烙铁的位置，减少作业人员的行走时间及拿取电烙铁的时间；对大桶胶实施“桶胶一拖二”项目(即桶胶出胶处引出1根出胶管，直通接线盒自动涂胶连接口)，实现边框胶及接线盒涂胶共用桶胶，避免更换接线盒涂胶使用的支胶所造成的停线风险。

2.2 光伏组件快速换模的推行

阜宁集成的光伏组件生产版型包含60片(简写为“60P”)和72片(简写为“72P”)，类型有常规、双玻及贴膜组件。其中，贴膜组件只需要串焊机启动贴膜设备，无需其他设备切换。因此，阜宁集成在模型切换过程中主要有6种切换情况：

1) 60P常规组件与72P常规组件相互切换；2) 60P常规组件与60P双玻组件相互切换；3)60P常规组件与72P双玻组件相互切换；4) 72P常规组件与60P双玻组件相互切换；5) 72P常规组件与72P双玻组件相互切换；6) 60P双玻组件与72P双玻组件相互切换。

从阜宁集成历月的订单及排产情况来看，基于每月每车间50 MW的排产情况，基本版型至少有3种，车间进行版型切换的频次保持在5次以上。按照2017年评估的版型平均切换时间为4.5 h，稳定时间需要12 h计算，单一线体进行版型切换的产能损失为595件/次。因此，需要导入快速换模(Single Minute Exchange of Die，SMED)方式。

SMED实施的关键为：1)确定换型的流程及SOP，对换型准备、换型、换型调整、再调整等作业进行内、外部区分，对需要提前准备的换型设备、人员、物料等，提前4 h进行确认。2)一键切换功能的设置及实现。对整个流水线的可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)制定一键切换功能，并保存原有类型的参数设置，便于换型过程中的数据切换。3)对在串焊机切刀、模块及装框机组块等配件实施模块化换型方案，预先采购一套备用的换型模具，到换型时一次性更换，离线进行模型重组作业。

通过实施整个组合式换型过程，2018年多次换型过程中的平均换型时间为2.28 h，设备稳定时间约为6 h，提升了整体换型效率，产能损失减少50%。

2.3 光伏组件自动化的实施

阜宁集成的叠层工序的作业人员为8人，为整线流水化生产作业人员最为集中的一段，一直以来都是实施单件流生产的困难点。由于人员作业波动大，因此在此段作业前后均有堆栈缓冲，以减少产能损失。通过自动叠焊机和自动EVA/TPT项目的导入，实现了叠层焊接及隔离条裁切焊接作业的自动化，实现了叠层工序的单件流作业；同时，EVA/TPT在线自动裁切与自动铺设，实现了单块组件使用唯一的EVA和TPT，避免了离线裁切导致物料无法一一对应。考虑到目前叠层作业前段人员进行模板及高温胶带手动摆放时存在稳定性不足的情况，正在考虑将机械排版机换成光感定位排版机，后者的精度高，无需手工二次排版；同时使用自动粘贴高温胶带设备，将手工作业改为设备自动作业。目前协鑫(集团)控股有限公司与阿里云协同建设了大数据库管理，将“层压前EL测试”和“层压后EL测试”这2道工序连接大数据库管理模块，对测试产品进行对比，通过大数据库中大量的产品信息来确认当前产品的状态，以减少不良品流向下一道工序的机率。

2.4 全员参与

全员参与生产管理的前提是多能工(指满足3个工序作业能力的复合型员工)的培养与实践，在同一作业工序形成良性学习的工作氛围，使所有岗位的生产员工都能够掌握2种及2种以上的岗位技术，在人员流动及岗位人员缺失的情况下能够快速形成梯队战斗力，避免人员流动造成岗位生产节拍的频繁波动。同时在生产规程中，多能工能够协助解决工序生产过程中的设备异常、品质异常等，并在此过程中提升员工技能、提高效率及改善产品良率。另外，全员参与生产管理可形成局部团队，大幅提高了人员的机动性及异常处理的及时性。

3 阜宁集成实施单件流生产的效果

采用上述单件流生产工序对阜宁集成的生产流程进行优化。优化完成后，生产能力、生产直通率、人均效率(UPPH)、直接人力、库存天数等均出现了不同程度地变化，如表2所示。

表2 阜宁集成单件流生产的实施效果对比

从表2中的数据可以看出，单件流生产的实施对OEE、UPPH和生产直通率等有显著提升作用，能够降低生产加工费、PPM、WIP及库存天数。

4 总结

本文对单件流生产技术进行了分析，并对光伏组件实现单件流生产的可行性进行了研究。结果表明，单件流生产技术是提升精益生产的有效途径，能够快速响应生产需求。尤其是目前我国制造类企业正在大力推行智能制造及精益生产的形势下，优先提升单件流生产技术是提升生产效率和改进产品品质的有效措施，可为后续实施智能制造提供助力。