空間用CIC 太陽電池智能生產(chǎn)系統(tǒng)的研發(fā)

姜 釗，任 越，呂 偉，林君毅，劉 博

（中電科藍(lán)天科技股份有限公司 天津 300348）

0 引言

空間用玻璃蓋片封裝帶互連片的太陽電池，即空間用蓋玻片互連電池（coverglass interconnect cell， CIC）常作為太陽翼組裝的一類元器件進(jìn)行屬性劃分，其性能與質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了太陽電池陣電性能輸出，甚至衛(wèi)星在軌工作運(yùn)行狀態(tài)。 CIC 的生產(chǎn)環(huán)節(jié)涉及多種高精密作業(yè)，其自動(dòng)化提升路徑［1-3］主要集中在元器件焊接、抗輻照玻璃蓋片粘貼、外觀質(zhì)量檢驗(yàn)、電性能測試分選及自動(dòng)化存儲(chǔ)管理等工藝環(huán)節(jié)，并探索面向多品種、變批量的CIC 智能化生產(chǎn)方法，目前國外現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)阻熔焊接、自動(dòng)出膠與貼片、電池外觀檢測及電性能檢驗(yàn)的單點(diǎn)自動(dòng)化應(yīng)用模式，國外CIC 自動(dòng)化生產(chǎn)場景如圖1 和圖2 所示。

圖1 CIC 自動(dòng)化焊接生產(chǎn)

圖2 CIC 自動(dòng)化生產(chǎn)

面對(duì)未來多品種、變批次、質(zhì)量一致性要求高的批產(chǎn)需求，CIC 生產(chǎn)必須轉(zhuǎn)換為智能化串線模式，針對(duì)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的整體研發(fā)，充分的前期規(guī)劃與準(zhǔn)備工作至關(guān)重要。

1 智能生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃

車間布局是生產(chǎn)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)工作目標(biāo)、減小庫存和效益最大化，對(duì)本身工藝、生產(chǎn)單元、設(shè)備設(shè)施和工作區(qū)域進(jìn)行的規(guī)劃和實(shí)際定位與定置工作。 CIC 智能系統(tǒng)的車間布局不可單純理解為設(shè)備的擺放問題，而是需要根據(jù)不同規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍、人員與設(shè)備的排程安排、物料及對(duì)應(yīng)的工藝路線流轉(zhuǎn)匹配等各方面，進(jìn)行綜合性分析研究［4-6］。 對(duì)應(yīng)的主要研究內(nèi)容包含以下3 個(gè)層面。

1.1 統(tǒng)籌規(guī)劃

智能生產(chǎn)系統(tǒng)布局規(guī)劃需要摒棄傳統(tǒng)功能式的布局理念，去除經(jīng)驗(yàn)主義的管理枷鎖，以智能化車間屬性為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)方式。 首先需要考慮人員技能的多能化，作為產(chǎn)品生產(chǎn)最核心要素，運(yùn)營者、管理者、生產(chǎn)者都要具有前瞻性思維，向多面手方向發(fā)展，依托技能優(yōu)勢(shì)與互補(bǔ)法則，優(yōu)化人員流動(dòng)路線；其次要統(tǒng)籌設(shè)備及工裝的穩(wěn)定及快速切換能力的功能配備，針對(duì)CIC 產(chǎn)品多品種、變批次的生產(chǎn)特性，在智能生產(chǎn)系統(tǒng)中必須解決生產(chǎn)線體依據(jù)型號(hào)訂單快速更換產(chǎn)品生產(chǎn)參數(shù)與工裝的要求；再次是物流的準(zhǔn)時(shí)精準(zhǔn)配送，物料及半成品的流轉(zhuǎn)準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性至關(guān)重要，直接決定產(chǎn)能與生產(chǎn)瓶頸環(huán)節(jié)的提升。 國外某衛(wèi)星總裝車間布局如圖3 所示。

圖3 國外某衛(wèi)星總裝車間布局示意圖

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)

標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)應(yīng)使設(shè)備得到最高效利用，各個(gè)工序間應(yīng)該具有良好的節(jié)拍匹配性，同時(shí)在生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免人員出現(xiàn)重復(fù)與無效勞作、或因步行距離遠(yuǎn)而產(chǎn)生的浪費(fèi)現(xiàn)象。 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)模式是智能化生產(chǎn)運(yùn)營的必要條件。首先，可使不同生產(chǎn)工藝的作業(yè)順序一致化、目標(biāo)明確化、產(chǎn)品批量生產(chǎn)高效化；其次，標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)模式可以明確同批次生產(chǎn)的循環(huán)時(shí)間，使計(jì)劃進(jìn)度執(zhí)行更加準(zhǔn)確［7-8］，客戶訂單交付時(shí)間與產(chǎn)品質(zhì)量更加可靠；最后，可明確在制品數(shù)量，使生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程透明化，異常過程可追溯。

1.3 信息流暢

信息流是智能生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源與指令中心，是針對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營全過程，同時(shí)兼顧設(shè)備管理、質(zhì)量管理、異常管理及其他信息化系統(tǒng)功能，不斷迭代并衍生出來的數(shù)據(jù)流程。 流暢的信息流可在各個(gè)運(yùn)營環(huán)節(jié)進(jìn)行橫向與縱向傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)拉動(dòng)式生產(chǎn)模式，間接提升產(chǎn)能的同時(shí)，可使運(yùn)營各個(gè)環(huán)節(jié)可目視化，便于批量化產(chǎn)品處理。

2 智能生產(chǎn)線系統(tǒng)搭建

在“制造本體”視角下，完成CIC 基于智能工廠與數(shù)字化車間的建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)智能工廠與數(shù)字化車間的核心要素和基本功能，即：個(gè)性化定制、柔性制造、虛擬仿真、橫向集成、縱向集成、產(chǎn)品追溯、監(jiān)控與診斷、能源管理、質(zhì)量在線檢測、安全一體化管控、產(chǎn)品全生命周期管理等內(nèi)容。

2.1 研究要點(diǎn)

參照手機(jī)、芯片等半導(dǎo)體行業(yè)的先進(jìn)自動(dòng)化生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，改變現(xiàn)有單臺(tái)設(shè)備相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行模式，向連續(xù)型流水線模式發(fā)展。 主要研究要點(diǎn)為：

（1）連續(xù)型生產(chǎn)方式自動(dòng)化程度更高，多線并行可減少單臺(tái)設(shè)備宕機(jī)造成的各種浪費(fèi)現(xiàn)象。

（2）省去單臺(tái)設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行所必須設(shè)立的上料與下料環(huán)節(jié)，節(jié)省設(shè)備空間與成本。

（3）可有效緩解現(xiàn)有設(shè)備在二極管、銀條等元器件的上料存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)備拾取定位難等現(xiàn)狀。

2.2 研究內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有CIC 生產(chǎn)工藝，將電極焊接、貼片、檢驗(yàn)3 部分單點(diǎn)生產(chǎn)模式改善為連續(xù)性串線生產(chǎn)模式［9-10］。 研究具體內(nèi)容為：

（1）準(zhǔn)備待加工的CIC 單體電池，通過托盤與彈夾形式在設(shè)備開始端進(jìn)行自動(dòng)上料，其他如互連片、二極管、銀條等原材料僅在需要加工位置處進(jìn)行準(zhǔn)備上料即可，且托盤內(nèi)原材料無須進(jìn)行準(zhǔn)確位置的盛放，僅需按照電池規(guī)格要求進(jìn)行型號(hào)匹配，避免重疊地平鋪于托盤內(nèi)部即可。

（2）通過視覺定位與抓取吸盤等設(shè)備部件對(duì)電池進(jìn)行工序逐項(xiàng)自動(dòng)加工，并將傳統(tǒng)單點(diǎn)工藝要求的“電性能測試”“真空抽氣”“預(yù)固化”等環(huán)節(jié)集成進(jìn)生產(chǎn)線中。

（3）在串線傳送帶設(shè)備中，通過加入擋停、暫存等自動(dòng)化裝置，解決產(chǎn)品不同工序生產(chǎn)過程中的節(jié)拍差異，并可在相應(yīng)位置增加人工檢驗(yàn)位，以完成對(duì)產(chǎn)品的抽檢工作。 空間太陽電池生產(chǎn)分為2 個(gè)分支，優(yōu)化后的CIC 智能生產(chǎn)系統(tǒng)工藝路線如圖4 所示。

圖4 CIC 智能生產(chǎn)系統(tǒng)研制工藝路線

2.3 信息化集成

在智能生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量一致性等自動(dòng)生產(chǎn)目標(biāo)層面之外，同樣需要信息化與數(shù)字化體系的支撐，來解決現(xiàn)有產(chǎn)能不足、運(yùn)營管理、生產(chǎn)執(zhí)行、倉儲(chǔ)物流、工藝優(yōu)化、系統(tǒng)集成等方面的缺陷，因此，亟須對(duì)目前太陽電池全流程生產(chǎn)、運(yùn)營、管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型與賦能，以達(dá)到和自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備之間信息相融合、功能相匹配、目標(biāo)相適應(yīng)的目標(biāo)，CIC 產(chǎn)品提升相關(guān)環(huán)節(jié)及相應(yīng)影響關(guān)系如圖5 所示。

圖5 CIC 產(chǎn)品提升信息化集成

首先，通過引進(jìn)智能制造的先進(jìn)管理思想，建設(shè)覆蓋CIC 從任務(wù)接收到產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、產(chǎn)品交付整個(gè)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。 統(tǒng)一管理生產(chǎn)車間的研制業(yè)務(wù)，在滿足智能生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能的基礎(chǔ)上，充分考慮制造的靈活性、安全性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、產(chǎn)品多樣性等需求，建立先進(jìn)的信息化生產(chǎn)管理模式，全面實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的透明化、柔性化、智能化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)能與效率的大幅提升。

其次，生產(chǎn)參數(shù)的采集與分析能力是衡量智能制造能力水平的重要指標(biāo)與關(guān)鍵要素。 太陽電池生產(chǎn)現(xiàn)場存在多類型自動(dòng)化生產(chǎn)、環(huán)境采集器、智能檢測儀器儀表等裝備，這些裝備廣泛采用控制器、傳感器、可編程邏輯控制器等系統(tǒng)，并與二維碼、無線通信技術(shù)（radio frequency identification， RFID）等識(shí)別手段共同構(gòu)成了車間現(xiàn)場的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)基于此系統(tǒng)建立太陽電池智能生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集層。 采用高精度實(shí)時(shí)信息存儲(chǔ)與采集系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)電及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從設(shè)備及智能終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的目的，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)控與海量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用與運(yùn)營賦能［11-13］。

太陽電池運(yùn)營系統(tǒng)依托過程質(zhì)量控制方法與自動(dòng)化在線檢測裝備技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)太陽電池生產(chǎn)過程質(zhì)量的在線監(jiān)測和檢測結(jié)果判定，依托數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)指導(dǎo)、質(zhì)量問題的處理，以及大批量生產(chǎn)過程中海量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化與存儲(chǔ)等功能。 關(guān)鍵技術(shù)主要涵蓋以下幾點(diǎn)：

（1）運(yùn)用新一代數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)，對(duì)CIC 運(yùn)營系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成科學(xué)規(guī)則下的標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)治理，以及數(shù)據(jù)的深度采集與分析［14］，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下空間電池產(chǎn)品的良性運(yùn)營智能制造。

（2）建立CIC 運(yùn)營各環(huán)節(jié)企業(yè)級(jí)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，基于分析數(shù)據(jù)與模型分析，進(jìn)行系統(tǒng)性、深層次的數(shù)據(jù)挖掘來驅(qū)動(dòng)各運(yùn)營環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)和決策共享。 針對(duì)不同地點(diǎn)生產(chǎn)線數(shù)字系統(tǒng)的應(yīng)用，擬通過網(wǎng)絡(luò)專線的形式進(jìn)行現(xiàn)有信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的打通，在節(jié)約獨(dú)立部署成本的同時(shí)，繼而實(shí)現(xiàn)信息化系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。 信息化集成系統(tǒng)功能，如表1 所示。

表1 信息化集成系統(tǒng)功能

3 結(jié)語

隨著“空間一體化專項(xiàng)”“北斗”“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”等空間建設(shè)計(jì)劃的不斷推進(jìn)，民用與商用市場對(duì)衛(wèi)星等航天器的需求已呈井噴式增長，與國外先進(jìn)航天制造公司相比，我國太陽電池生產(chǎn)模式的智能化程度偏低，要滿足未來商業(yè)航天衛(wèi)星大批量發(fā)射需求，形勢(shì)極為嚴(yán)峻。 因此亟須形成有效的CIC 智能化生產(chǎn)模式。 本文對(duì)CIC 生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)過程的各個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了闡述，對(duì)CIC 多規(guī)格產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與降本增效具有重要指導(dǎo)作用。 預(yù)期在自動(dòng)化水平持續(xù)提升的同時(shí)，通過打通CIC 產(chǎn)品關(guān)鍵運(yùn)營流程的數(shù)字化脈絡(luò)與智能生產(chǎn)系統(tǒng)的建設(shè)，可進(jìn)一步提升中國航天空間太陽電池產(chǎn)品的國際地位，促進(jìn)軍民領(lǐng)域互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展。