高效光伏電池智能制造車間關鍵技術研究

謝振勇 周子瓊 曾湘峰

摘要：在全球能源轉(zhuǎn)型的背景下，光伏產(chǎn)業(yè)迎來了由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型期。本文以光伏電池提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級為目標，以光伏電池制造車間為載體，聚焦高效光伏電池車間自動化和數(shù)字化兩大領域，對光伏電池智能制造車間建設所需的關鍵技術進行研究和梳理，重點研究光伏裝備智能化升級、車間物流自動化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡建設、車間全流程管控系統(tǒng)等技術，形成可復制推廣的高效光伏電池智能制造解決方案，提升車間生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)運營成本。從而促進光伏產(chǎn)業(yè)快速轉(zhuǎn)型升級，提升行業(yè)整體競爭力，助力國家能源結構性改革和碳中和目標。

關鍵詞：光伏電池;智能制造;數(shù)字化

中圖分類號：TM914.4+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0213-03

0? 引言

隨著全球能源短缺和環(huán)境問題日益突出，能源轉(zhuǎn)型升級已成必然趨勢。目前，全球已有超過120多個國家設立了“碳中和”時間節(jié)點，逐步實現(xiàn)有化石能源向可再生能源過渡，預計到2030年，可再生能源在全球發(fā)電量中占比將達到57%，其中光伏和風能將占主導地位，全球三分之一的電力將來自光伏發(fā)電和風能。光伏發(fā)電作為主要的可再生能源之一迎來了高速的發(fā)展機遇。2020年，我國光伏新增裝機量約48.2GW，累計裝機規(guī)模超過253GW，光伏電池產(chǎn)量更是接近135GW。我國光伏產(chǎn)品出貨量、光伏發(fā)電新增裝機及累計裝機容量均連續(xù)多年蟬聯(lián)世界第一，未來市場前景巨大。然而，光伏產(chǎn)業(yè)也面臨著不少挑戰(zhàn)。目前，傳統(tǒng)的光伏電池制造過程的自動化、數(shù)字化程度不高，產(chǎn)品質(zhì)量和良率有待提升，設備和能源利用率低等因素導致生產(chǎn)運營成本高、利潤率不高，影響了企業(yè)競爭力和行業(yè)健康發(fā)展。以自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為抓手，進行智能制造轉(zhuǎn)型升級，已成為了光伏電池產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效的必然趨勢。

本文以高效光伏電池智能制造轉(zhuǎn)型為目標，以光伏電池制造車間為載體，聚焦車間自動化和數(shù)字化兩大關鍵領域，對光伏電池智能制造車間建設所需的關鍵技術進行研究和梳理，促進光伏產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，助力國家3060目標。

1? 智能制造簡介

為了更好的研究智能制造車間，我們首先研究智能制造的含義。目前，國際和國內(nèi)尚且沒有關于智能制造的準確定義，但工信部給出了一個比較全面的描述性定義：智能制造是基于新一代信息技術，貫穿設計、生產(chǎn)、管理、服務等制造活動各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。具有以智能工廠為載體，以關鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎、以網(wǎng)絡互聯(lián)為支撐等特征，可有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運營成本、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗。這實際上指出了智能制造的核心技術、管理要求、主要功能和經(jīng)濟目標，體現(xiàn)了智能制造對于我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要作用，也可以看出智能制造必將對光伏電池制造轉(zhuǎn)型升級帶來顯著效益。

2? 高效光伏電池智能制造車間總體架構研究

結合國家發(fā)布的智能制造體系架構標準，面向高效光伏電池生產(chǎn)車間的智能制造系統(tǒng)從系統(tǒng)層級角度可以劃分為智能裝備層、過程控制層、生產(chǎn)管理層、系統(tǒng)集成層和決策支持層五個層次。著重開展涵蓋從設備監(jiān)控、優(yōu)化控制、執(zhí)行制造及優(yōu)化分析為核心的系統(tǒng)建設，依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術，打造基于智能制造體系的工業(yè)軟件平臺，實現(xiàn)從底層設備到生產(chǎn)經(jīng)營管理的互聯(lián)互通和信息融合。具體框架如圖1所示。

①智能裝備層：智能化裝備是智能車間的基礎，是具備通訊與控制的硬件設施，包括工藝裝備、自動化裝備、智能物流和質(zhì)量檢測等核心智能裝備。

②過程控制層：實現(xiàn)對車間所有底層智能化裝備的集中監(jiān)測與控制，采集底層智能化裝備的核心運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，如設備運行數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)、工藝加工數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)對所有設備運行情況可視化、報警實時提示與處理等，并實現(xiàn)部分設備的遠程操作與控制。

③生產(chǎn)管理層：建設MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，EMS能源管理系統(tǒng)、WMS倉儲物流管理等數(shù)字化系統(tǒng)。本層主要是對與生產(chǎn)車間緊密關聯(lián)的“人、機、料、法、環(huán)”等資源進行全面的管理。以MES為核心，全面監(jiān)控與指導車間的生產(chǎn)管理，實現(xiàn)車間生產(chǎn)的透明化、精益化。

④系統(tǒng)集成層：基于企業(yè)信息門戶平臺，集成企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)管理、ERP系統(tǒng)、CRM客戶關系管理系統(tǒng)、OA辦公自動化等系統(tǒng)，實現(xiàn)對產(chǎn)品設計、采購、銷售及財務等業(yè)務的信息化管理與協(xié)同。

⑤決策支持層：建立企業(yè)級數(shù)據(jù)中心，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術，對底層業(yè)務數(shù)據(jù)挖掘分析，實現(xiàn)看板監(jiān)控、質(zhì)量分析、工藝優(yōu)化指導、設備分析、遠程運維支持、生產(chǎn)績效、業(yè)務智能分析，輔助公司經(jīng)營決策。

3? 高效光伏電池智能制造車間關鍵技術研究

針對高效光伏電池智能制造車間總體架構，結合光伏電池車間現(xiàn)狀，本文主要針對高效光伏電池車間的裝備智能化升級、車間物流自動化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡建設、車間全流程管控系統(tǒng)集成等技術進行研究和梳理，形成高效光伏電池智能制造解決方案。

3.1 裝備智能化升級技術

傳統(tǒng)制造裝備由于缺乏相應的感知傳感和控制能力，無法滿足智能制造車間建設需求，需要對裝備進行智能化升級。主要分為三個方面：第一，加強相應的信號感知能力。比如壓力、位置、流量、溫濕度等傳感器，對設備運行狀態(tài)進行更為精準的深度感知，集成相關的質(zhì)量檢測模組，實時采集產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù);第二，提升自動化水平。增加全自動上下料系統(tǒng)和自動工藝控制系統(tǒng)，實現(xiàn)設備無人值守;第三，提升設備通訊和控制能力。開發(fā)設備與MES等數(shù)字化系統(tǒng)集成通訊接口，利用RFID等技術實現(xiàn)對產(chǎn)品和工裝夾具的跟蹤追溯，將設備數(shù)據(jù)上傳MES，并接受MES反饋信號，對設備自身進行精準執(zhí)行控制。

3.2 車間物流自動化技術

車間自動化是車間智能化的必要條件，目前光伏電池車間主要依靠人工進行物料上下料和物流傳輸，容易造成產(chǎn)品污染，且影響產(chǎn)品信息追溯，需要通過車間物流自動化技術對車間進行自動化升級。本文通過多種方式對比研究發(fā)現(xiàn)，采用工業(yè)機器人、AGV小車和自動化設備等相結合的方式是光伏電池車間實現(xiàn)物流自動化的關鍵途徑。工業(yè)機器人用于設備物料的姿態(tài)轉(zhuǎn)換和復雜場景的上下料，AGV小車負責物料的傳輸，并通過車間物流自動化調(diào)度系統(tǒng)和車間的上下料設備進行通訊和協(xié)作，確保物料按時按需的送達正確的設備機臺，滿足車間柔性生產(chǎn)需要，并對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行全生命周期的數(shù)據(jù)追溯。

3.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡技術

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和新一代信息技術與工業(yè)系統(tǒng)全方位融合形成的產(chǎn)業(yè)和應用生態(tài)，是工業(yè)智能化發(fā)展的關鍵綜合信息基礎設施。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設重點從“網(wǎng)絡”、“數(shù)據(jù)”、“安全”三方面著手，其中網(wǎng)絡是工業(yè)全系統(tǒng)互聯(lián)互通的基礎，數(shù)據(jù)是實現(xiàn)設備彈性生產(chǎn)、運營管理優(yōu)化核心，安全是光伏電池智能制造的保障。對光伏電池生產(chǎn)工業(yè)網(wǎng)絡由現(xiàn)場級、工廠級、企業(yè)級三層組成，包括總線網(wǎng)絡、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡，通過專線連接外部網(wǎng)絡。同時，建設企業(yè)級數(shù)據(jù)管理與計算平臺，采集生產(chǎn)加工設備、物流設備、檢測設備、生產(chǎn)過程等數(shù)據(jù)，集中歸檔存儲，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)挖掘等分析方法，遠程診斷設備運行狀況，指導設備維護，分析產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，對影響質(zhì)量的關鍵問題進行辨識，為質(zhì)量改進提供決策支持。

車間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡架構主要分為OT網(wǎng)絡和IT網(wǎng)絡兩個層級，OT 主要針對工業(yè)設備，如光伏電池智能制造設備、控制器、傳感器和執(zhí)行器，IT則圍繞端到端的業(yè)務流程，其中包括ERP和OA系統(tǒng)，供應鏈管理、物流、人力資源和財務管理。OT層級以現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)及無線網(wǎng)絡為主，IT網(wǎng)絡主要是由IP網(wǎng)絡構成，并通過網(wǎng)關或防火墻設備實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)和OT網(wǎng)絡互連和安全隔離。

3.4 車間全流程管控系統(tǒng)集成技術

3.4.1 車間業(yè)務流程梳理

車間信息流程管控是智能制造車間的核心內(nèi)容，車間業(yè)務流程清晰是全流程管控的前提，通過研究梳理，高效光伏電池智能制造車間業(yè)務流程如下：

管理層下達生產(chǎn)訂單給執(zhí)行層后，執(zhí)行層結合生產(chǎn)線設備情況及排產(chǎn)策略，進行智能排程，生成指導現(xiàn)場生產(chǎn)的工單信息;同時通過對生產(chǎn)現(xiàn)場各生產(chǎn)設備的全面數(shù)據(jù)采集，歸集生產(chǎn)制造過程中的生產(chǎn)進度、設備狀態(tài)、工藝質(zhì)量情況、原輔料和能源消耗等各類生產(chǎn)信息，提升光伏電池生產(chǎn)數(shù)字化管控水平。光伏電池制造車間具體業(yè)務流程如圖2所示。

3.4.2 系統(tǒng)集成接口設計

各系統(tǒng)之間的集成接口是光伏電池車間各系統(tǒng)互聯(lián)互通的重要基礎，是車間全流程管控的關鍵所在。系統(tǒng)集成可分為應用集成和數(shù)據(jù)集成兩種，數(shù)據(jù)集成利用通信技術和接口技術，在共享通用信息模型的支持下，實現(xiàn)不同裝備之間的信息共享，實現(xiàn)在正確的時間將正確的信息以正確的方式傳遞給正確的對象。應用集成實現(xiàn)異構設備在車間網(wǎng)絡環(huán)境下不同系統(tǒng)之間的交互操作，提供應用網(wǎng)絡中不同節(jié)點應用對共享數(shù)據(jù)的訪問接口。為了實現(xiàn)互聯(lián)互通和協(xié)議互操作，智能裝備應提供分布處理環(huán)節(jié)、應用編程接口和標準數(shù)據(jù)交換格式。

系統(tǒng)集成接口設計應考慮以下幾項內(nèi)容：依據(jù)系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)清單，明確數(shù)據(jù)來源，避免重復開發(fā)，減少系統(tǒng)間耦合度，確保相關獨立業(yè)務功能在所選系統(tǒng)中實現(xiàn)邏輯的完整性。

在工業(yè)控制網(wǎng)絡集成中可應用OPC UA統(tǒng)一架構，以對象為管理單元，提供設備互操作支持，將光伏電池車間的多種異構設備接入，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)光伏電池車間智能設備聯(lián)網(wǎng)。在管理系統(tǒng)集成中優(yōu)先使用Web Service接口，實現(xiàn)各管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

3.4.3 車間全流程管控系統(tǒng)集成體系

通過上述研究，以全過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎，以透明管理為目標，以系統(tǒng)集成和過程智能管理為方法，構建了智能制造車間全流程管控系統(tǒng)集成體系。具體體系架構如圖3所示。

車間全流程管控系統(tǒng)集成體系應用異構網(wǎng)絡系統(tǒng)互聯(lián)互通、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時聯(lián)動、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡安全等關鍵技術，形成了一套完整的光伏電池智能化管控系統(tǒng)，集自動化、柔性化、智能化特征于一體，集成數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、MES、能源管理、倉庫管理、ERP各系統(tǒng)信息，滿足智能生產(chǎn)、智能管理與企業(yè)決策支持等需求。

4? 結論

中國光伏新能源產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，以自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為抓手，著手推進光伏電池智能制造建設已成為產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的不二選擇。本文通過對光伏電池智能制造車間的關鍵技術進行了探索和研究，初步提供了光伏電池智能制造車間建設的解決方案，通過車間智能化升級可實現(xiàn)光伏電池生產(chǎn)的集約化和管理的精益化，實現(xiàn)提質(zhì)、降本、增效目的。希望借此拋磚引玉，促進光伏產(chǎn)業(yè)智能制造技術的普及和發(fā)展，提升我國光伏產(chǎn)業(yè)整體競爭力，助力早日實現(xiàn)碳中和目標。

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