風電葉片模具信息化技術開發

崔成勇 時海波 王 宇 吳志全

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

0 引言

葉片是風電機組最重要的部件之一，直接左右著機組的發電效率與成本。風電葉片設計的改進對復合材料成型過程的質量和成本提出了更高的要求[1-2]。模具作為復合材料成型過程中的關鍵設備，其智能化改造是滿足葉片生產需求的必經之路[3-5]。

風電葉片在主成型工序中產生的質量缺陷，在后工序造成了巨大的維修成本。主成型模具生產在線監控作為智能化發展方向，已引起葉片生產商和模具制造商的關注[6]。合模縫、錯位、溫度及真空度等生產信息的實時監控和大數據分析已成為技術人員的研究課題，但還基本處于探索嘗試階段。

隨著葉片生產工藝和模具的不斷迭代改進，部分企業和科研人員在設備方面做出了有益的改進，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代替水加熱系統[7]，采用一體在線真空灌注技術以提高灌注質量、降低生產成本[8]等。但是，葉片生產過程的整體智能化水平仍然較低，大量數據需要人工測量和記錄，生產效率、成本統計、質量管控等方面存在大量的信息孤島，信息的準確性和即時性得不到保證。

信息化、數字化作為生產制造業先進理念已廣泛應用，并在航空工業復合材料車間進行了一系列嘗試，例如文獻[9]分析了復合材料車間各個方面實現數字化管控的方案，但信息化、數字化在風電葉片制造業應用仍較少。為有效改善風電葉片的生產現狀，本文利用工業互聯網+的理念，整合生產過程中的各種可利用資源，設計了風電葉片主成型模具信息化監控系統。

1 模具信息化技術

1.1 生產工時統計

風電葉片主成型模具生產過程分為鋪層、灌注、粘接三大工序，每個大工序又可細分為若干個小工序。由于生產過程復雜，材料種類多，依賴大量人力操作，存在多種工時影響因素，同型號不同模具、不同班組、不同生產批次的工時都存在差別；而且目前風電葉片生產主要依賴人工記錄，缺少自動記錄手段，準確性和即時性難以保證。另一方面，風電葉片一個生產周期中不同階段需要用到對應的輔助工裝，并根據生產工藝調節加熱溫度，操作真空泵、液壓翻轉系統、樹脂灌注機、粘接膠機等設備，并修改設備運行參數。

通過增加信息化手段，利用傳感器檢測工裝使用時間和重要數據，采集設備運行狀態信號來記錄工序關鍵節點，實現從鋪布、上主梁、灌注、粘接直到固化、開模階段各工序的工時的自動統計。主要技術手段如表1所示。

表1 工序節點記錄方法舉例

通過對生產過程中工裝、設備的數據采集，可以確定各工序節點，從而實現工時的自動記錄和統計，并據此實現生產率的分析和優化。最終，利用傳感器和設備數據得出的工時統計信息如圖1所示。

圖1 某支葉片各工序工時

1.2 能耗統計

風電葉片主成型模具主要消耗的能源為電能，用電設備主要包含模具液壓翻轉機構、電加熱系統、真空泵系統三大部分。傳統的配電模式中，廠區低壓配電室一級配電柜各出線開關根據用電負荷將電源送至車間各區域二級配電柜，模具的用電設備連接至各區域的二級配電柜。現場缺乏電能計量儀表，僅能直接計量一級配電柜負荷和間接計算出車間總負荷，無法針對單套模具、單臺設備進行能耗統計。

通過在單臺設備進線開關處安裝多功能電能表和配套電流傳感器等附件，可以有效采集設備的耗電情況，并通過儀表附帶的通信接口實時上傳到現場上位機軟件中，實現分時段、分設備、分工序的耗電量記錄，結果如圖2所示。軟件系統可根據收集的數據生成可視化圖表和統計報表，用于分析能源消耗，從而提高利用效率。

圖2 生產過程設備耗電量記錄

1.3 樹脂、粘接膠用量統計

樹脂、粘接膠是風電葉片生產過程中的重要原材料，使用量直接關系到整支葉片產品的生產成本。常規做法是由操作人員進行手工記錄和統計，經常存在庫房出膠量和現場使用量數據不符、數據準確性差、統計不及時等現象。

通過對灌注機、粘接膠機的PLC控制系統進行改造，上位機根據設備數據地址采集設備的運行信號、故障報警、流量等信息，可以計算出設備運行時間、出膠比例、累計出膠量等數據并生成電子表單，為成本計算提供依據。數據如圖3所示。

圖3 某型號模具連續5支葉片灌注樹脂用量記錄

1.4 合模縫監控

風電葉片主成型模具如圖4所示，合模縫主要體現為PS（迎風）面和SS（背風）面模具玻璃鋼殼體的間隙。在鋼架結構上安裝傳感器可監控鎖緊狀態，反饋未鎖緊信息并報警。在模具合模明顯異常時，員工可及時發現異常狀態，并調整模具參數。但是，傳感器安裝在鋼架結構上而不是玻璃殼體上，無法直接反映合模縫狀態。將激光傳感器安裝于模具殼體，監控合模縫，可避免鎖緊機構和鋼架結構對合模縫監控的影響。

圖4 風電葉片模具3D示意圖

穩定的合模縫監控技術關鍵在于合理的安裝結構。考慮到另一種常見缺陷———錯位，傳感器安裝結構如圖5所示，此結構集成了合模縫及錯位監測功能，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）面模具需翻轉，反光板不需接線，安裝于此面，避免翻轉時的線路干涉；傳感器安裝于SS（背風）面。傳感器設置保護罩，且保護罩與傳感器支架、反光板獨立安裝，避免保護罩晃動引起監控誤差。

圖5 合模縫及錯位監控示意圖

合模正常時，系統記錄并存儲每支葉片的合模數據。合模異常時，系統監控到合模縫超過合理值，則報警。員工收到報警并處理后，在人機界面上填寫事故記錄，完善合模縫大數據。工藝及質量人員根據合模大數據，優化工藝參數，得到穩定的合模質量。合模質量穩定后，可實現免試合模，提高氣動性能和風噪性能。

1.5 溫度監控和加熱控制

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、密封纖維增強預成型材料，在真空負壓下排出模腔中的氣體，注入聚合物樹脂，利用樹脂的滲透、流動實現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，風電葉片主成型模具上劃分為若干加熱區并預埋加熱板和熱電阻，實現加熱溫度閉環控制。加熱系統根據生產工序分為預熱、預固化加熱、一粘加熱、后固化加熱等階段，每個階段可以獨立設置加熱溫度，溫度曲線如圖6所示。當熱電阻檢測到溫度超限時，此加熱區加熱停止，系統報警通知員工排查故障。系統自動存儲記錄數據并可查看精確溫度，存儲數據可導出報表，使產品固化過程溫度有據可查。

圖6 加熱系統溫度曲線

由于電加熱系統直接檢測的是模具溫度，為保證產品溫度達標，在傳統葉片制造工藝中，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，且較為費時。

本系統中采用無線測溫模塊實時監測葉片型腔內溫度，如圖7所示。將無線溫度傳感器放置于葉片型腔內部，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，無線測溫主機通過RS485通信協議與監控系統上位機交換數據信息。采用無線實時測溫，并通過遠程控制實現數據目視化，不僅可以減少耗費的人力，而且可以掌握葉片生產質量。

圖7 無線測溫傳感器及主機

通過葉片溫度監控可及時發現生產異常。在后固化階段，通過實時監控溫度，可以確定葉片上升到保溫閾值的準確時間，縮短固化時間，監控數據如圖8所示。葉片發白、銀紋等質量缺陷經常發生區域，可以單獨放置傳感器實時監控溫度變化。

圖8 蒙皮溫度監控示意圖

1.6 真空度監控

主成型模具真空系統由兩個獨立的真空系統組成，分為一真空和二真空。每個獨立的真空系統均由真空主管路、真空嘴、連接軟管組成。在主成型模具真空主管路設置真空傳感器，探測負壓值。以某葉片主成型模具為例，建議的真空傳感器位置如表2（表中數據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

風電行業內，對于真空系統數字監控僅限于真空泵真空罐的氣壓變化，該信號可以指示設備運行狀態和作為真空保壓工序節點的依據。而在主管路設置真空壓力實時監測點并實現數據目視化，可以提高漏氣點監測效率，及時發現較大漏氣異常，有利于真空工藝參數的收集和改進。

1.7 消息推送

葉片生產過程中各項信息通常采用逐級匯報的形式，信息傳遞缺乏及時性。本系統在收集和統計數據的同時，開發了消息推送的功能，可以把設備報警、工時、能耗等信息實時推送到釘釘群，如圖9所示，有助于各級管理人員快速、及時掌握生產情況。

圖9 釘釘群消息推送

2 互聯網+在智能模具上的應用探究

對于智能監控系統，建議按照互聯網+設計理念將系統分成感知層、網絡層和應用層（圖10）。

圖10 模具信息化監控系統拓撲結構圖

感知層主要完成各工裝傳感器、翻轉角度傳感器、電能儀表、真空度、溫度、合模縫和錯位等數據采集。模具上的工裝傳感器用于輔助計算工時，電能儀表計量設備耗電量，真空傳感器采集負壓數據，激光測距傳感器采集合模縫和錯位信息。現場分區布置控制箱（以下簡稱“分控箱”），分控箱包含數據采集模塊、溫度隔離器及其他控制元件。

網絡層主要實現數據的可靠傳輸。為了保證數據采集有效、不失真，采用信號線直接連接現場傳感器與現場布置的數據采集模塊，數據采集模塊把采集到的數據通過通信協議的方式發送給PLC；而PLC與上位機、生產設備、手機App之間則靈活地采用以太網、OPC UA、Modbus等通用的通信協議實現通信，并可便捷地進行功能擴展。

應用層主要實現數據的智能處理，對采集的數據進行展示或處理。圖11為生產界面，可為遠程監控人員顯示主工序狀態（鋪層、灌注、預固化或者后固化），分色顯示主模具保溫層內溫度。生產界面基本包含所有關鍵生產信息，現場員工通過手機或者大屏顯示器即可及時了解設備及產品狀態，工藝、質量及其他相關人員可通過電腦、手機或其他終端設備及時了解產品生產狀態。生產界面用于將監控數據目視化，工藝界面用于工藝參數查詢及質量原因追溯。

圖11 生產界面

主控系統通過無線Wi-Fi接入移動通信網絡，實現遠程監控功能。將生產管理人員手機或電腦作為網絡終端，實現數據異地監控。通過此功能，工藝及質量人員可在辦公室監控各模具運行狀態，及時發現并解決現場問題。

3 模具信息化監控系統使用效果

如表3所示，模具監控技術實現后，葉片生產效率提高，工藝人員通過過程數據分析，提高了問題解決速度。

表3 模具監控系統使用前后對比

4 結論

針對本文所述模具信息化監控系統進行總結，可知其具有以下優點：

（1）利用生產過程中的傳感器變化值、工裝使用記錄、設備數據作為工時記錄的節點，實現工時的自動記錄和統計，分析生產效率的提升點。

（2）利用電能計量儀表實現生產過程中的能耗計量和統計，為能源的更有效合理利用提供依據。

（3）通過與灌注、粘接設備的信號連通，實現用膠量記錄，有效計算成本信息。

（4）激光類傳感器監控合模縫時，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控合模縫及錯位；模具預埋和外置的溫度傳感器，可以較好地監測模具和葉片的實時溫度；在真空管道上安裝真空壓力傳感器可以方便地實時監測管路壓力變化。

（5）以風電葉片主成型模具工序各項基本信息為基礎，采用信息化監控方式，實現生產數據目視化，提高了風電葉片主成型模具工序質量和效率。

（6）消息自動推送到釘釘群等辦公通信軟件，提高了數據傳遞的及時性，有助于相關工作人員快速獲取生產信息。