5G智能化在光伏電池制造中的應用

周子瓊 謝振勇 曾湘峰

摘要：基于光伏電池制造數字化、網絡化、智能化的需求，開展5G通訊技術的應用。介紹了5G智能化應用的總體架構，5G的網絡架構，并且基于5G網絡進行數據采集系統、AGV通訊和控制、高清視頻監控、機器視覺質檢、AR遠程指導等智能化應用，解決傳輸速率慢、覆蓋范圍小、采集頻率低、數據高延時等問題。實際應用效果表明，5G將進一步提高光伏電池制造的智能化和管理精細化，并且能夠極大限度地降低企業的生產成本，提高光電的轉換效率，實現提質、降本、增效的目標，可以推廣到全球范圍的光伏行業中。

關鍵詞：光伏電池;5G;AGV;智能化應用

中圖分類號：TM914.4+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0222-02

0? 引言

隨著“智慧”理念的不斷深入，光伏行業逐步與“大云物移”等新一代科學技術緊密地聯系起來。在通訊技術的推動和支持下，我國的光伏發電產業將走向智能化時代。5G作為一種最新的通訊技術，在滿足多元化智能車間的需求上，具有絕對優勢。隨著世界各國對5G的大力發展推動，未來五年將是全球光伏行業5G應用的重要轉型期，也將成為我國光伏行業發展的歷史性機遇期。光伏電池市場即將經歷優勝劣汰，尤其是以“高效電池+5G+制造服務”為主的高端產品制造商，將逐漸淘汰規模小、不具備市場競爭力的中小生產制造商。與此同時，電池生產企業將對生產效率、殘品率提出更高的要求，5G在光伏電池制造中的智能化應用需求將越來越廣，是制造業向智造業的轉變的一大助力。同時，5G對于數據采集的普及、大數據分析的發展、光伏電池片成本的降低都有極大的促進作用。

1? 5G智能化應用總體架構

以光伏電池生產過程要素數據全程抓取為底層基礎，以過程智能管理為處理手段，以透明化管理為最終目標，從而構建整體的5G智能化應用的業務體系。該體系的確立，從根本上把握5G的應用方向，該智能化應用所采用的總體架構如圖1所示。

在該架構中，采用了兩個支撐：5G網絡支撐和大數據技術支撐，2個支撐有機結合，貫徹整個項目建設的始終。

1.1 5G網絡應用

5G具有高寬帶、高速度、廣覆蓋、低功耗、低延時、高可靠性等特征，能夠為工業互聯網提供網絡基礎。

利用5G網絡的優勢，光伏電池制造車間中的生產設備、AGV、傳感器等將實現無縫連接，進一步打通生產制造環節，實現5G與智能制造的深度融合。

1.2 大數據分析技術應用

通過對生產過程中沉淀的信息資源進行搜集、整合、深度挖掘與應用，借助大數據分析技術，洞察光伏電池制造過程中存在的隱患和問題，并依據工藝數據、質量數據等總結內在發生規律，達到輔助生產優化決策的效果。利用大數據分析技術對機器視覺質檢結果進行分析、設備故障原因分析、AGV調度算法優化等，從而實現光伏電池制造質量可預判處理、設備AR遠程指導、AGV自學習等，從而達到整個車間生產制造過程的5G智能化應用。

大數據技術應用過程如圖2所示。

2? 5G網絡架構

光伏電池制造車間的5G網絡架構如圖3所示。公司以外是運營商的核心網，公司基站的信令面接入到核心網，信令面指無線通信的SIM卡認證和鑒權等。

公司范圍內包括三個部分：公司數據中心、車間內5G微基站、車間外的5G宏基站。5G微基站和宏基站用來實現5G信號的覆蓋。

由于光伏電池制造車間數據的保密性，AGV將由本機控制，服務器也是本地化，無線網絡主要用于調度系統對AGV的任務下達及AGV任務完成情況的反饋。時延要求在100ms左右，帶寬5M，可靠性要求99.9%及以上。

3? 數據采集系統

在光伏電池制造過程中，車間內的生產數據、質量數據、工藝數據、設備數據等信息量非常龐大，但又極其重要，能為電池的生產起到實時監控、及時運維、輔助決策等作用。5G在工業數據采集與監控中有著絕對優勢，無論是傳輸速率、數據量，還是采集頻率、采集實時性，都能滿足對生產管理精細化的要求。

以500MW光伏電池車間為例，每天的產能約為30萬片，每片電池在每臺設備中的生產參數、檢測數據、各類文件都需實時采集、分析和反饋，這樣才能避免出現大批量的質量問題，也能為工藝參數的優化提供數據支撐。目前看來，只有5G網絡能夠滿足這個要求。大連接、低時延的5G網絡可以將車間內大量的工藝設備、檢測設備、自動化設備、AGV、各類傳感器等進行互聯，在極短時間內將生產過程、檢測信息等數據通過5G網絡進行采集，并把采集的數據通過WebService接口傳輸至了MES、EMS等系統，實現數據的跨系統、全流程貫通，并為大數據分析提供數據基礎。5G高速網絡不僅能夠提升生產數據采集的及時性，同時也為生產流程優化、能耗管理提供網絡支撐。數據采集系統通過使用PFC-HK6系列工業采集網關，作為生產車間數字化的基礎建設。系統整體采用自頂向下的設計，實現了對數據模型和業務模型的抽象。系統提供基于OPC、Modbus、Profinet工業標準協議的實時數據接口。該數據采集方式統一了各工業控制系統的底層接口，簡化接口的復雜度，提高數據采集系統的靈活性和可擴充性。

4? AGV通訊和控制

在大多數光伏電池車間中，AGV主要與調度系統進行通訊，由于調度系統決策需要時間，可能造成大塞車，尤其是車間規模越大，投入AGV越多，塞車幾率越高。另外，由于AGV在持續移動中，如果正跨越車間內兩個或多個無線AP的交叉頻段區域，會存在信號不穩定或通訊時間較長的情況，嚴重的話可能會導致AGV失聯，影響人機合作的安全性和數據的完整性。在5G應用場景下，5G網絡將充分發揮廣覆蓋、高帶寬、低延時、高可靠性的優點，使得AGV網絡無縫全覆蓋，滿足AGV之間的實時對話需求，實現車車協同，降低調度系統決策時延，減少信號的丟失率，提高通訊和調度效率。

在硬件方面，通過對AGV進行5G化研發設計，比如集成5G模組，支持快速更換5G模塊，包括免拆卸、免定制、空間設計合理等，另外還要兼容多5G終端類型。

在軟件方面，圍繞AGV與服務器的整個通信時序進行分解，驗證其每個子過程在5G網絡下的表現是否有恢復機制。AGV與服務器的通信時序包括注冊、信息校驗、心跳實時數據、任務下發、交管申請、重定位、重連等。

5? 高清視頻監控

通過搭建車間5G網絡，實現車間內5G網絡全覆蓋，根據環境條件、監控對象、維護保養以及監控方式等因素統籌考慮，主要監控生產工藝段人工操作以及機器人銜接部分。5G網絡能保障海量視頻圖像的高分辨率、流暢穩定，并實時傳輸到數據中心和監控室，這樣既保證了視頻的實時性，又保證了無死角督導的安全性，為車間的實時監控和精細化管理提供支持。

6? 機器視覺質檢

在電池生產制造過程中，為了保證電池片質量，需要時刻監控，每道工序每個環節都會產生大量的生產數據需要處理，傳統的生產模式中這些工作都是由操作員工來完成的。例如，由于測試分選機上的GP、HALM等數據量大，并且還包含很多圖像信息，以500MW車間計算，每天至少有30萬張圖像，圖像的利用價值不高，只能采用人工分選的方式。對人工的依賴性很高，準確率和分選效率也無法保證。通過部署5G網絡，實時采集傳輸高清圖像數據，通過大數據分析、自適應學習等技術手段進行質檢，將結果反饋車間現場指導生產。同時，基于大量數據進行深度挖掘、質量缺陷分析，及時洞察生產過程中存在的隱患和問題，并總結業務過程內在發生規律，實現光伏電池制造質量可預判處理、工藝自決策優化。同時，車間節約的空間可進行更多工藝設備的布局，更進一步提升整個車間的產能。

7? 結語

通過在光伏電池制造中應用5G網絡，有效地解決了傳輸速率慢、覆蓋范圍小、采集頻率低、數據高延時等問題;提高了光伏電池制造的智能化和管理精細化，提高了光電的轉換效率，實現提質、降本、增效的目標。

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