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：在全球能源轉型的背景下，光伏產業迎來了由高速發展向高質量發展的轉型期。本文以光伏電池提質增效、轉型升級為目標，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、工業互聯網網絡建設、車間全流程管控系統等技術，形成可復制推廣的高效光伏電池智能制造解決方案，提升車間生產效率、降低生產運營成本。從而促進光伏產業快速轉型升級，提升行業整體競爭力，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境問題日益突出，能源轉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”時間節點，逐步實現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電和風能。光伏發電作為主要的可再生能源之一迎來了高速的發展機遇。2020年，我國光伏新增裝機量約48.2GW，累計裝機規模超過253GW，光伏電池產量更是接近135GW。我國光伏產品出貨量、光伏發電新增裝機及累計裝機容量均連續多年蟬聯世界第一，未來市場前景巨大。然而，光伏產業也面臨著不少挑戰。目前，傳統的光伏電池制造過程的自動化、數字化程度不高，產品質量和良率有待提升，設備和能源利用率低等因素導致生產運營成本高、利潤率不高，影響了企業競爭力和行業健康發展。以自動化、數字化、網絡化、智能化為抓手，進行智能制造轉型升級，已成為了光伏電池產業提質增效的必然趨勢。

本文以高效光伏電池智能制造轉型為目標，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，促進光伏產業轉型升級，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、管理、服務等制造活動各個環節，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱。具有以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以端到端數據流為基礎、以網絡互聯為支撐等特征，可有效縮短產品研制周期、降低運營成本、提高生產效率、提升產品質量、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、主要功能和經濟目標，體現了智能制造對于我國工業轉型升級和國民經濟持續發展的重要作用，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

結合國家發布的智能制造體系架構標準，面向高效光伏電池生產車間的智能制造系統從系統層級角度可以劃分為智能裝備層、過程控制層、生產管理層、系統集成層和決策支持層五個層次。著重開展涵蓋從設備監控、優化控制、執行制造及優化分析為核心的系統建設，依靠工業互聯網等新一代信息技術，打造基于智能制造體系的工業軟件平臺，實現從底層設備到生產經營管理的互聯互通和信息融合。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、智能物流和質量檢測等核心智能裝備。

②過程控制層：實現對車間所有底層智能化裝備的集中監測與控制，采集底層智能化裝備的核心運轉數據，如設備運行數據、質量檢測數據、工藝加工數據等，實現對所有設備運行情況可視化、報警實時提示與處理等，并實現部分設備的遠程操作與控制。

③生產管理層：建設MES制造執行系統，EMS能源管理系統、WMS倉儲物流管理等數字化系統。本層主要是對與生產車間緊密關聯的“人、機、料、法、環”等資源進行全面的管理。以MES為核心，全面監控與指導車間的生產管理，實現車間生產的透明化、精益化。

④系統集成層：基于企業信息門戶平臺，集成企業的產品研發管理、ERP系統、CRM客戶關系管理系統、OA辦公自動化等系統，實現對產品設計、采購、銷售及財務等業務的信息化管理與協同。

⑤決策支持層：建立企業級數據中心，基于工業互聯網等技術，對底層業務數據挖掘分析，實現看板監控、質量分析、工藝優化指導、設備分析、遠程運維支持、生產績效、業務智能分析，輔助公司經營決策。

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、工業互聯網網絡建設、車間全流程管控系統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，對設備運行狀態進行更為精準的深度感知，集成相關的質量檢測模組，實時采集產品質量數據;第二，提升自動化水平。增加全自動上下料系統和自動工藝控制系統，實現設備無人值守;第三，提升設備通訊和控制能力。開發設備與MES等數字化系統集成通訊接口，利用RFID等技術實現對產品和工裝夾具的跟蹤追溯，將設備數據上傳MES，并接受MES反饋信號，對設備自身進行精準執行控制。

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，容易造成產品污染，且影響產品信息追溯，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現，采用工業機器人、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物流自動化的關鍵途徑。工業機器人用于設備物料的姿態轉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度系統和車間的上下料設備進行通訊和協作，確保物料按時按需的送達正確的設備機臺，滿足車間柔性生產需要，并對產品生產過程進行全生命周期的數據追溯。

3.3 工業互聯網網絡技術

工業互聯網是互聯網和新一代信息技術與工業系統全方位融合形成的產業和應用生態，是工業智能化發展的關鍵綜合信息基礎設施。工業互聯網建設重點從“網絡”、“數據”、“安全”三方面著手，其中網絡是工業全系統互聯互通的基礎，數據是實現設備彈性生產、運營管理優化核心，安全是光伏電池智能制造的保障。對光伏電池生產工業網絡由現場級、工廠級、企業級三層組成，包括總線網絡、以太網、無線網絡，通過專線連接外部網絡。同時，建設企業級數據管理與計算平臺，采集生產加工設備、物流設備、檢測設備、生產過程等數據，集中歸檔存儲，通過數據統計、數據挖掘等分析方法，遠程診斷設備運行狀況，指導設備維護，分析產品質量數據，對影響質量的關鍵問題進行辨識，為質量改進提供決策支持。

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

3.4 車間全流程管控系統集成技術

3.4.1 車間業務流程梳理

車間信息流程管控是智能制造車間的核心內容，車間業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務流程如下：

管理層下達生產訂單給執行層后，執行層結合生產線設備情況及排產策略，進行智能排程，生成指導現場生產的工單信息;同時通過對生產現場各生產設備的全面數據采集，歸集生產制造過程中的生產進度、設備狀態、工藝質量情況、原輔料和能源消耗等各類生產信息，提升光伏電池生產數字化管控水平。光伏電池制造車間具體業務流程如圖2所示。

3.4.2 系統集成接口設計

各系統之間的集成接口是光伏電池車間各系統互聯互通的重要基礎，是車間全流程管控的關鍵所在。系統集成可分為應用集成和數據集成兩種，數據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，實現不同裝備之間的信息共享，實現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。應用集成實現異構設備在車間網絡環境下不同系統之間的交互操作，提供應用網絡中不同節點應用對共享數據的訪問接口。為了實現互聯互通和協議互操作，智能裝備應提供分布處理環節、應用編程接口和標準數據交換格式。

系統集成接口設計應考慮以下幾項內容：依據系統接口數據清單，明確數據來源，避免重復開發，減少系統間耦合度，確保相關獨立業務功能在所選系統中實現邏輯的完整性。

在工業控制網絡集成中可應用OPC UA統一架構，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，數據處理，數據轉發，實現光伏電池車間智能設備聯網。在管理系統集成中優先使用Web Service接口，實現各管理系統的數據交互。

3.4.3 車間全流程管控系統集成體系

通過上述研究，以全過程生產數據為基礎，以透明管理為目標，以系統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集成體系。具體體系架構如圖3所示。

車間全流程管控系統集成體系應用異構網絡系統互聯互通、多系統數據實時聯動、工業互聯網網絡安全等關鍵技術，形成了一套完整的光伏電池智能化管控系統，集自動化、柔性化、智能化特征于一體，集成數據采集監控、MES、能源管理、倉庫管理、ERP各系統信息，滿足智能生產、智能管理與企業決策支持等需求。

4? 結論

中國光伏新能源產業正處于高速發展向高質量發展的轉型期，以自動化、數字化、網絡化、智能化為抓手，著手推進光伏電池智能制造建設已成為產業高質量發展的不二選擇。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光伏電池生產的集約化和管理的精益化，實現提質、降本、增效目的。希望借此拋磚引玉，促進光伏產業智能制造技術的普及和發展，提升我國光伏產業整體競爭力，助力早日實現碳中和目標。

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