光伏組件實現單件流生產的可行性研究

阜寧協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

隨著經濟的全球化，客戶對產品的數量、式樣和質量的需求日益嚴格[1]。因此，除了具有競爭力的產品價格和質量外，必須以有限的人力、資源，以更短的生產時間、準時將少量的產品送到客戶手中。面對市場需求形態的轉變，傳統制造業生產形態的應變能力明顯不足，以傳統制造業的生產形態應對縮短生產周期、降低在制品數量和實現少量多樣的生產方式，往往造成成本增加和效益下降，在這種現狀下，新生產技術應運而生。流水化生產是新生產技術的根基，是實現新生產技術安定化生產(人、設備、物料、質量和管理安定化)的前提。單件流生產是流水化生產的最終目標。它是一種人員、過程和設備有機結合，每個生產單元以最小數量的單位生產和轉移，生產過程無停滯的生產方式[2]，單件流程度是體現流水化生產程度的關鍵指標。

單件流生產已經在部分行業進行了理論和實踐的探索：田合偉等[3]通過對服裝企業的硬件和軟件影響因子進行分析，提出實現服裝企業單件流生產的條件；魏煒[4]在某公司采用單件流和標準在制品(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線實施單件流生產進行了指導和分析。從上述研究可以看出，單件流生產技術在制造業生產中已經取得了較好的實施效果，但并未結合智能化與信息化對制造業實施單件流生產進行分析，同時對于光伏組件行業實施單件流生產的文獻研究較少。

本文以阜寧協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合，對阜寧集成的單件流生產進行分析與評估，同時提出光伏組件實施單件流生產技術的必要性與可靠性。

1 智能制造及單件流生產技術概論

1.1 智能制造概論

智能制造是一項系統工程，是緊密圍繞智能產品、智能生產、產業模式和基礎4個部分進行推進的，其中智能產品是主體，智能生產是主線，以客戶為中心的產業模式變革是主題，信息物聯網系統和工業互聯網是基礎[6]。智能制造的實質是建立在“智能化+網絡化”之上的產品數據化，通過生產層面的縱向集成和市場層面的橫向集成，實現制造業低端產業化的全面轉型。工廠端實施智能制造的必要前提是精益生產方式的全面推行，通過全面灌輸精益生產方式，使智能制造管理模式能夠順利展開。精益生產方式主要是通過自動化和準時化(JIT)2種方式來實現，其中，自動化主要是指以自動化設備替代人工作業，JIT是通過流動生產和以信息流帶動物流2種方式來實現。目前，信息流主要通過制造企業生產過程執行系統(MES)、倉儲管理系統(WMS)等系統性物流管理軟件來實現，流水化生產的最高狀態就是實施單件流。

1.2 單件流生產技術概論

單件流生產技術(OPF)起源于精益生產方式，是指通過合理的制訂標準生產流程并安排好每個工序的人員量和設備量，使每個工序耗時趨于一致，以達到縮短生產周期、提高產品質量、減少轉運消耗的一種高效管理模式[7]。

OPF的生產特點為：1)所有加工作業都按照作業順序細化拆分；2)找到關鍵工序，通過調整人員、設備，按照關鍵工序的耗時整合次要工序，以便使所有工序趨于一致；3)所有員工均經過標準作業指導書(SOP)培訓持證上崗；4)按照既定排好的工序來設計生產流水線；5)新產品導入經過小試、中試、大試和批量性試投；6)生產周期經過仔細衡量與確認。

OPF的生產優勢為：1)在單件流生產中，由于各分工工序的同步運行，在保證生產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，縮短生產周期，提高線體平衡率；2)由于線體采用拉動式生產方式，只有工序后段有需求時前段才開始生產，確保了流水線線體上在制品(Work-in-Process，WIP)數量的絕對可控與最低化；3)單件流生產技術實現了快速出成品的制程，生產過程中無需庫存多余的物料，節約了生產空間；4)單件流生產方式是在整個線體的單個運行周期內1次只生產1個成品，所以能及時在生產中發現產品的異常，減少不良產品的產生；5)單件流生產技術實現了單元作業同步化，每一道作業工序即為1個作業單元，同步化的作業環境提升了團隊協作能力和高度配合能力，有效提升了生產效率。

2 阜寧集成實施單件流生產的關鍵問題

光伏組件在線作業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、串焊、排版、手動排版、疊層焊接、背膜EVA及TPT(Tedlar+PET+Tedlar，聚氟乙烯復合膜)鋪設、層壓前人工外觀檢測、層壓前EL(Electroluminescent，電致發光)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

標準單件流生產方式要求各工序的生產節拍必須基本保持一致，否則節拍較長的工序會有半成品積壓，導致WIP增多。當不同工序存在明顯時間差異時，作業時間最長的工序稱為“作業瓶頸”，其存在會嚴重影響單件流生產的實施，導致該生產方式無法進行。批量生產過程中的工序不平衡是大量WIP存在的根源。通過工業工程(Industrial Engineering，IE)采用取消、合并、重排、簡化 (Eliminate、Combine、Rearrange、Simplify，簡稱為“ECRS”)等方式對作業工序進行優化重組，通過將相鄰工序的作業重新排列組合，達到降低瓶頸工序的時間、提升產線效率的目的。

以阜寧集成的光伏組件在線作業為例，使用ECRS工具進行作業優化。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，改善前各工序的節拍如表1所示。

通過分析工序的節拍可以發現，接線盒自動涂膠及安裝、匯流條引線焊接的作業時間最長，因此對其進行作業分析并優化。

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內容及節拍

1)首先，對接線盒自動涂膠及安裝、匯流條引線焊接的作業內容進行步驟劃分，其可分為6個步驟。其中，匯流條引線焊接的作業時間為27.38 s，時間最長。對匯流條引線焊接進行雙手作業分析，左手作業時間為5.01 s，等待時間為22.37 s，左手作業效率為18.30%；右手作業時間為23.53 s，等待時間為3.85 s，右手作業效率為85.47%；雙手同時作業效率為4.27%?？梢钥闯?，左、右手作業效率嚴重失衡，雙手同時作業效率低。因此，使用雙手聯合作業分析法，通過對左、右手的作業內容及同時作業效率進行改善，將匯流條引線焊接的作業時間優化為17.50 s。其中，左手作業時間為14.88 s，等待時間為2.62 s，左手作業效率為85.03%；右手作業時間為11.65 s，等待時間為5.85 s，右手作業效率為66.57%；雙手同時作業效率為51.60%。整個作業效率提升了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進行工序重組排列。打螺絲人員協助完成匯流條引線曲翹度作業。貼嘜拉人員協助完成接線盒自動涂膠作業。接線盒自動涂膠及安裝與匯流條引線焊接作業的節拍優化至33.56 s/件，邊框打螺絲作業的節拍為33.01 s/件，離線貼嘜拉作業的節拍為24.42 s/件。

3)最后，優化接線盒自動涂膠機的位置和電烙鐵的位置，減少作業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版型包含60片(簡寫為“60P”)和72片(簡寫為“72P”)，類型有常規、雙玻及貼膜組件。其中，貼膜組件只需要串焊機啟動貼膜設備，無需其他設備切換。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常規組件與72P常規組件相互切換；2) 60P常規組件與60P雙玻組件相互切換；3)60P常規組件與72P雙玻組件相互切換；4) 72P常規組件與60P雙玻組件相互切換；5) 72P常規組件與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情況來看，基于每月每車間50 MW的排產情況，基本版型至少有3種，車間進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，穩定時間需要12 h計算，單一線體進行版型切換的產能損失為595件/次。因此，需要導入快速換模(Single Minute Exchange of Die，SMED)方式。

SMED實施的關鍵為：1)確定換型的流程及SOP，對換型準備、換型、換型調整、再調整等作業進行內、外部區分，對需要提前準備的換型設備、人員、物料等，提前4 h進行確認。2)一鍵切換功能的設置及實現。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設置，便于換型過程中的數據切換。3)對在串焊機切刀、模塊及裝框機組塊等配件實施模塊化換型方案，預先采購一套備用的換型模具，到換型時一次性更換，離線進行模型重組作業。

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，設備穩定時間約為6 h，提升了整體換型效率，產能損失減少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人員為8人，為整線流水化生產作業人員最為集中的一段，一直以來都是實施單件流生產的困難點。由于人員作業波動大，因此在此段作業前后均有堆棧緩沖，以減少產能損失。通過自動疊焊機和自動EVA/TPT項目的導入，實現了疊層焊接及隔離條裁切焊接作業的自動化，實現了疊層工序的單件流作業；同時，EVA/TPT在線自動裁切與自動鋪設，實現了單塊組件使用唯一的EVA和TPT，避免了離線裁切導致物料無法一一對應?？紤]到目前疊層作業前段人員進行模板及高溫膠帶手動擺放時存在穩定性不足的情況，正在考慮將機械排版機換成光感定位排版機，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備，將手工作業改為設備自動作業。目前協鑫(集團)控股有限公司與阿里云協同建設了大數據庫管理，將“層壓前EL測試”和“層壓后EL測試”這2道工序連接大數據庫管理模塊，對測試產品進行對比，通過大數據庫中大量的產品信息來確認當前產品的狀態，以減少不良品流向下一道工序的機率。

2.4 全員參與

全員參與生產管理的前提是多能工(指滿足3個工序作業能力的復合型員工)的培養與實踐，在同一作業工序形成良性學習的工作氛圍，使所有崗位的生產員工都能夠掌握2種及2種以上的崗位技術，在人員流動及崗位人員缺失的情況下能夠快速形成梯隊戰斗力，避免人員流動造成崗位生產節拍的頻繁波動。同時在生產規程中，多能工能夠協助解決工序生產過程中的設備異常、品質異常等，并在此過程中提升員工技能、提高效率及改善產品良率。另外，全員參與生產管理可形成局部團隊，大幅提高了人員的機動性及異常處理的及時性。

3 阜寧集成實施單件流生產的效果

采用上述單件流生產工序對阜寧集成的生產流程進行優化。優化完成后，生產能力、生產直通率、人均效率(UPPH)、直接人力、庫存天數等均出現了不同程度地變化，如表2所示。

表2 阜寧集成單件流生產的實施效果對比

從表2中的數據可以看出，單件流生產的實施對OEE、UPPH和生產直通率等有顯著提升作用，能夠降低生產加工費、PPM、WIP及庫存天數。

4 總結

本文對單件流生產技術進行了分析，并對光伏組件實現單件流生產的可行性進行了研究。結果表明，單件流生產技術是提升精益生產的有效途徑，能夠快速響應生產需求。尤其是目前我國制造類企業正在大力推行智能制造及精益生產的形勢下，優先提升單件流生產技術是提升生產效率和改進產品品質的有效措施，可為后續實施智能制造提供助力。