5G智能化在光伏電池制造中的應(yīng)用

周子瓊 謝振勇 曾湘峰

摘要：基于光伏電池制造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的需求，開展5G通訊技術(shù)的應(yīng)用。介紹了5G智能化應(yīng)用的總體架構(gòu)，5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并且基于5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、AGV通訊和控制、高清視頻監(jiān)控、機(jī)器視覺質(zhì)檢、AR遠(yuǎn)程指導(dǎo)等智能化應(yīng)用，解決傳輸速率慢、覆蓋范圍小、采集頻率低、數(shù)據(jù)高延時等問題。實(shí)際應(yīng)用效果表明，5G將進(jìn)一步提高光伏電池制造的智能化和管理精細(xì)化，并且能夠極大限度地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高光電的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、降本、增效的目標(biāo)，可以推廣到全球范圍的光伏行業(yè)中。

關(guān)鍵詞：光伏電池;5G;AGV;智能化應(yīng)用

中圖分類號：TM914.4+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)逐步與“大云物移”等新一代科學(xué)技術(shù)緊密地聯(lián)系起來。在通訊技術(shù)的推動和支持下，我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)將走向智能化時代。5G作為一種最新的通訊技術(shù)，在滿足多元化智能車間的需求上，具有絕對優(yōu)勢。隨著世界各國對5G的大力發(fā)展推動，未來五年將是全球光伏行業(yè)5G應(yīng)用的重要轉(zhuǎn)型期，也將成為我國光伏行業(yè)發(fā)展的歷史性機(jī)遇期。光伏電池市場即將經(jīng)歷優(yōu)勝劣汰，尤其是以“高效電池+5G+制造服務(wù)”為主的高端產(chǎn)品制造商，將逐漸淘汰規(guī)模小、不具備市場競爭力的中小生產(chǎn)制造商。與此同時，電池生產(chǎn)企業(yè)將對生產(chǎn)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(yīng)用需求將越來越廣，是制造業(yè)向智造業(yè)的轉(zhuǎn)變的一大助力。同時，5G對于數(shù)據(jù)采集的普及、大數(shù)據(jù)分析的發(fā)展、光伏電池片成本的降低都有極大的促進(jìn)作用。

1? 5G智能化應(yīng)用總體架構(gòu)

以光伏電池生產(chǎn)過程要素數(shù)據(jù)全程抓取為底層基礎(chǔ)，以過程智能管理為處理手段，以透明化管理為最終目標(biāo)，從而構(gòu)建整體的5G智能化應(yīng)用的業(yè)務(wù)體系。該體系的確立，從根本上把握5G的應(yīng)用方向，該智能化應(yīng)用所采用的總體架構(gòu)如圖1所示。

在該架構(gòu)中，采用了兩個支撐：5G網(wǎng)絡(luò)支撐和大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐，2個支撐有機(jī)結(jié)合，貫徹整個項(xiàng)目建設(shè)的始終。

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

利用5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，光伏電池制造車間中的生產(chǎn)設(shè)備、AGV、傳感器等將實(shí)現(xiàn)無縫連接，進(jìn)一步打通生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)5G與智能制造的深度融合。

1.2 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用

通過對生產(chǎn)過程中沉淀的信息資源進(jìn)行搜集、整合、深度挖掘與應(yīng)用，借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，洞察光伏電池制造過程中存在的隱患和問題，并依據(jù)工藝數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等總結(jié)內(nèi)在發(fā)生規(guī)律，達(dá)到輔助生產(chǎn)優(yōu)化決策的效果。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對機(jī)器視覺質(zhì)檢結(jié)果進(jìn)行分析、設(shè)備故障原因分析、AGV調(diào)度算法優(yōu)化等，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池制造質(zhì)量可預(yù)判處理、設(shè)備AR遠(yuǎn)程指導(dǎo)、AGV自學(xué)習(xí)等，從而達(dá)到整個車間生產(chǎn)制造過程的5G智能化應(yīng)用。

大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用過程如圖2所示。

2? 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

光伏電池制造車間的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。公司以外是運(yùn)營商的核心網(wǎng)，公司基站的信令面接入到核心網(wǎng)，信令面指無線通信的SIM卡認(rèn)證和鑒權(quán)等。

公司范圍內(nèi)包括三個部分：公司數(shù)據(jù)中心、車間內(nèi)5G微基站、車間外的5G宏基站。5G微基站和宏基站用來實(shí)現(xiàn)5G信號的覆蓋。

由于光伏電池制造車間數(shù)據(jù)的保密性，AGV將由本機(jī)控制，服務(wù)器也是本地化，無線網(wǎng)絡(luò)主要用于調(diào)度系統(tǒng)對AGV的任務(wù)下達(dá)及AGV任務(wù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在光伏電池制造過程中，車間內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等信息量非常龐大，但又極其重要，能為電池的生產(chǎn)起到實(shí)時監(jiān)控、及時運(yùn)維、輔助決策等作用。5G在工業(yè)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中有著絕對優(yōu)勢，無論是傳輸速率、數(shù)據(jù)量，還是采集頻率、采集實(shí)時性，都能滿足對生產(chǎn)管理精細(xì)化的要求。

以500MW光伏電池車間為例，每天的產(chǎn)能約為30萬片，每片電池在每臺設(shè)備中的生產(chǎn)參數(shù)、檢測數(shù)據(jù)、各類文件都需實(shí)時采集、分析和反饋，這樣才能避免出現(xiàn)大批量的質(zhì)量問題，也能為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。目前看來，只有5G網(wǎng)絡(luò)能夠滿足這個要求。大連接、低時延的5G網(wǎng)絡(luò)可以將車間內(nèi)大量的工藝設(shè)備、檢測設(shè)備、自動化設(shè)備、AGV、各類傳感器等進(jìn)行互聯(lián)，在極短時間內(nèi)將生產(chǎn)過程、檢測信息等數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集，并把采集的數(shù)據(jù)通過WebService接口傳輸至了MES、EMS等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨系統(tǒng)、全流程貫通，并為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。5G高速網(wǎng)絡(luò)不僅能夠提升生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的及時性，同時也為生產(chǎn)流程優(yōu)化、能耗管理提供網(wǎng)絡(luò)支撐。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過使用PFC-HK6系列工業(yè)采集網(wǎng)關(guān)，作為生產(chǎn)車間數(shù)字化的基礎(chǔ)建設(shè)。系統(tǒng)整體采用自頂向下的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)模型和業(yè)務(wù)模型的抽象。系統(tǒng)提供基于OPC、Modbus、Profinet工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的實(shí)時數(shù)據(jù)接口。該數(shù)據(jù)采集方式統(tǒng)一了各工業(yè)控制系統(tǒng)的底層接口，簡化接口的復(fù)雜度，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)充性。

4? AGV通訊和控制

在大多數(shù)光伏電池車間中，AGV主要與調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行通訊，由于調(diào)度系統(tǒng)決策需要時間，可能造成大塞車，尤其是車間規(guī)模越大，投入AGV越多，塞車幾率越高。另外，由于AGV在持續(xù)移動中，如果正跨越車間內(nèi)兩個或多個無線AP的交叉頻段區(qū)域，會存在信號不穩(wěn)定或通訊時間較長的情況，嚴(yán)重的話可能會導(dǎo)致AGV失聯(lián)，影響人機(jī)合作的安全性和數(shù)據(jù)的完整性。在5G應(yīng)用場景下，5G網(wǎng)絡(luò)將充分發(fā)揮廣覆蓋、高帶寬、低延時、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，使得AGV網(wǎng)絡(luò)無縫全覆蓋，滿足AGV之間的實(shí)時對話需求，實(shí)現(xiàn)車車協(xié)同，降低調(diào)度系統(tǒng)決策時延，減少信號的丟失率，提高通訊和調(diào)度效率。

在硬件方面，通過對AGV進(jìn)行5G化研發(fā)設(shè)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(shè)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(wù)器的整個通信時序進(jìn)行分解，驗(yàn)證其每個子過程在5G網(wǎng)絡(luò)下的表現(xiàn)是否有恢復(fù)機(jī)制。AGV與服務(wù)器的通信時序包括注冊、信息校驗(yàn)、心跳實(shí)時數(shù)據(jù)、任務(wù)下發(fā)、交管申請、重定位、重連等。

5? 高清視頻監(jiān)控

通過搭建車間5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，根據(jù)環(huán)境條件、監(jiān)控對象、維護(hù)保養(yǎng)以及監(jiān)控方式等因素統(tǒng)籌考慮，主要監(jiān)控生產(chǎn)工藝段人工操作以及機(jī)器人銜接部分。5G網(wǎng)絡(luò)能保障海量視頻圖像的高分辨率、流暢穩(wěn)定，并實(shí)時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心和監(jiān)控室，這樣既保證了視頻的實(shí)時性，又保證了無死角督導(dǎo)的安全性，為車間的實(shí)時監(jiān)控和精細(xì)化管理提供支持。

6? 機(jī)器視覺質(zhì)檢

在電池生產(chǎn)制造過程中，為了保證電池片質(zhì)量，需要時刻監(jiān)控，每道工序每個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)需要處理，傳統(tǒng)的生產(chǎn)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(jī)上的GP、HALM等數(shù)據(jù)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(zhǔn)確率和分選效率也無法保證。通過部署5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時采集傳輸高清圖像數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等技術(shù)手段進(jìn)行質(zhì)檢，將結(jié)果反饋車間現(xiàn)場指導(dǎo)生產(chǎn)。同時，基于大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、質(zhì)量缺陷分析，及時洞察生產(chǎn)過程中存在的隱患和問題，并總結(jié)業(yè)務(wù)過程內(nèi)在發(fā)生規(guī)律，實(shí)現(xiàn)光伏電池制造質(zhì)量可預(yù)判處理、工藝自決策優(yōu)化。同時，車間節(jié)約的空間可進(jìn)行更多工藝設(shè)備的布局，更進(jìn)一步提升整個車間的產(chǎn)能。

7? 結(jié)語

通過在光伏電池制造中應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)，有效地解決了傳輸速率慢、覆蓋范圍小、采集頻率低、數(shù)據(jù)高延時等問題;提高了光伏電池制造的智能化和管理精細(xì)化，提高了光電的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、降本、增效的目標(biāo)。

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