高效光伏电池智能制造车间关键技术研究

　　摘要：在全球能源转型的背景下，光伏产业迎来了由高速发展向高质量发展的转型期。本文以光伏电池提质增效、转型升级为目标，以光伏电池制造车间为载体，聚焦高效光伏电池车间自动化和数字化两大领域，对光伏电池智能制造车间建设所需的关键技术进行研究和梳理，重点研究光伏装备智能化升级、车间物流自动化、工业互联网网络建设、车间全流程管控系统等技术，形成可复制推广的高效光伏电池智能制造解决方案，提升车间生产效率、降低生产运营成本。从而促进光伏产业快速转型升级，提升行业整体竞争力，助力国家能源结构性改革和碳中和目标。

　　关键词：光伏电池;智能制造;数字化

　　0引言

　　随着全球能源短缺和环境问题日益突出，能源转型升级已成必然趋势。目前，全球已有超过120多个国家设立了“碳中和”时间节点，逐步实现有化石能源向可再生能源过渡，预计到2030年，可再生能源在全球发电量中占比将达到57%，其中光伏和风能将占主导地位，全球三分之一的电力将来自光伏发电和风能。光伏发电作为主要的可再生能源之一迎来了高速的发展机遇。2020年，我国光伏新增装机量约48.2GW，累计装机规模超过253GW，光伏电池产量更是接近135GW。我国光伏产品出货量、光伏发电新增装机及累计装机容量均连续多年蝉联世界第一，未来市场前景巨大。然而，光伏产业也面临着不少挑战。

　　目前，传统的光伏电池制造过程的自动化、数字化程度不高，产品质量和良率有待提升，设备和能源利用率低等因素导致生产运营成本高、利润率不高，影响了企业竞争力和行业健康发展。以自动化、数字化、网络化、智能化为抓手，进行智能制造转型升级，已成为了光伏电池产业提质增效的必然趋势。本文以高效光伏电池智能制造转型为目标，以光伏电池制造车间为载体，聚焦车间自动化和数字化两大关键领域，对光伏电池智能制造车间建设所需的关键技术进行研究和梳理，促进光伏产业转型升级，助力国家3060目标。

　　1智能制造简介

　　为了更好的研究智能制造车间，我们首先研究智能制造的含义。目前，国际和国内尚且没有关于智能制造的准确定义，但工信部给出了一个比较全面的描述性定义：智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。具有以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征，可有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量、降低资源能源消耗。这实际上指出了智能制造的核心技术、管理要求、主要功能和经济目标，体现了智能制造对于我国工业转型升级和国民经济持续发展的重要作用，也可以看出智能制造必将对光伏电池制造转型升级带来显著效益。

　　2高效光伏电池智能制造车间总体架构研究

　　结合国家发布的智能制造体系架构标准，面向高效光伏电池生产车间的智能制造系统从系统层级角度可以划分为智能装备层、过程控制层、生产管理层、系统集成层和决策支持层五个层次。着重开展涵盖从设备监控、优化控制、执行制造及优化分析为核心的系统建设，依靠工业互联网等新一代信息技术，打造基于智能制造体系的工业软件平台，实现从底层设备到生产经营管理的互联互通和信息融合。

　　①智能装备层：智能化装备是智能车间的基础，是具备通讯与控制的硬件设施，包括工艺装备、自动化装备、智能物流和质量检测等核心智能装备。②过程控制层：实现对车间所有底层智能化装备的集中监测与控制，采集底层智能化装备的核心运转数据，如设备运行数据、质量检测数据、工艺加工数据等，实现对所有设备运行情况可视化、报警实时提示与处理等，并实现部分设备的远程操作与控制。

　　③生产管理层：建设MES制造执行系统，EMS能源管理系统、WMS仓储物流管理等数字化系统。本层主要是对与生产车间紧密关联的“人、机、料、法、环”等资源进行全面的管理。以MES为核心，全面监控与指导车间的生产管理，实现车间生产的透明化、精益化。④系统集成层：基于企业信息门户平台，集成企业的产品研发管理、ERP系统、CRM客户关系管理系统、OA办公自动化等系统，实现对产品设计、采购、销售及财务等业务的信息化管理与协同。⑤决策支持层：建立企业级数据中心，基于工业互联网等技术，对底层业务数据挖掘分析，实现看板监控、质量分析、工艺优化指导、设备分析、远程运维支持、生产绩效、业务智能分析，辅助公司经营决策。

　　3高效光伏电池智能制造车间关键技术研究

　　针对高效光伏电池智能制造车间总体架构，结合光伏电池车间现状，本文主要针对高效光伏电池车间的装备智能化升级、车间物流自动化、工业互联网网络建设、车间全流程管控系统集成等技术进行研究和梳理，形成高效光伏电池智能制造解决方案。

　　3.1装备智能化升级技术

　　传统制造装备由于缺乏相应的感知传感和控制能力，无法满足智能制造车间建设需求，需要对装备进行智能化升级。主要分为三个方面：第一，加强相应的信号感知能力。比如压力、位置、流量、温湿度等传感器，对设备运行状态进行更为精准的深度感知，集成相关的质量检测模组，实时采集产品质量数据;第二，提升自动化水平。增加全自动上下料系统和自动工艺控制系统，实现设备无人值守;第三，提升设备通讯和控制能力。开发设备与MES等数字化系统集成通讯接口，利用RFID等技术实现对产品和工装夹具的跟踪追溯，将设备数据上传MES，并接受MES反馈信号，对设备自身进行精准执行控制。

　　3.2车间物流自动化技术

　　车间自动化是车间智能化的必要条件，目前光伏电池车间主要依靠人工进行物料上下料和物流传输，容易造成产品污染，且影响产品信息追溯，需要通过车间物流自动化技术对车间进行自动化升级。本文通过多种方式对比研究发现，采用工业机器人、AGV小车和自动化设备等相结合的方式是光伏电池车间实现物流自动化的关键途径。工业机器人用于设备物料的姿态转换和复杂场景的上下料，AGV小车负责物料的传输，并通过车间物流自动化调度系统和车间的上下料设备进行通讯和协作，确保物料按时按需的送达正确的设备机台，满足车间柔性生产需要，并对产品生产过程进行全生命周期的数据追溯。

　　3.3工业互联网网络技术

　　工业互联网是互联网和新一代信息技术与工业系统全方位融合形成的产业和应用生态，是工业智能化发展的关键综合信息基础设施。工业互联网建设重点从“网络”、“数据”、“安全”三方面着手，其中网络是工业全系统互联互通的基础，数据是实现设备弹性生产、运营管理优化核心，安全是光伏电池智能制造的保障。对光伏电池生产工业网络由现场级、工厂级、企业级三层组成，包括总线网络、以太网、无线网络，通过专线连接外部网络。

　　同时，建设企业级数据管理与计算平台，采集生产加工设备、物流设备、检测设备、生产过程等数据，集中归档存储，通过数据统计、数据挖掘等分析方法，远程诊断设备运行状况，指导设备维护，分析产品质量数据，对影响质量的关键问题进行辨识，为质量改进提供决策支持。车间工业互联网络架构主要分为OT网络和IT网络两个层级，OT主要针对工业设备，如光伏电池智能制造设备、控制器、传感器和执行器，IT则围绕端到端的业务流程，其中包括ERP和OA系统，供应链管理、物流、人力资 源和财务管理。OT层级以现场总线、工业以太网及无线网络为主，IT网络主要是由IP网络构成，并通过网关或防火墙设备实现与互联网和OT网络互连和安全隔离。

　　3.4车间全流程管控系统集成技术

　　3.4.1车间业务流程梳理

　　车间信息流程管控是智能制造车间的核心内容，车间业务流程清晰是全流程管控的前提，通过研究梳理，高效光伏电池智能制造车间业务流程如下：管理层下达生产订单给执行层后，执行层结合生产线设备情况及排产策略，进行智能排程，生成指导现场生产的工单信息;同时通过对生产现场各生产设备的全面数据采集，归集生产制造过程中的生产进度、设备状态、工艺质量情况、原辅料和能源消耗等各类生产信息，提升光伏电池生产数字化管控水平。

　　3.4.2系统集成接口设计

　　各系统之间的集成接口是光伏电池车间各系统互联互通的重要基础，是车间全流程管控的关键所在。系统集成可分为应用集成和数据集成两种，数据集成利用通信技术和接口技术，在共享通用信息模型的支持下，实现不同装备之间的信息共享，实现在正确的时间将正确的信息以正确的方式传递给正确的对象。应用集成实现异构设备在车间网络环境下不同系统之间的交互操作，提供应用网络中不同节点应用对共享数据的访问接口。

　　为了实现互联互通和协议互操作，智能装备应提供分布处理环节、应用编程接口和标准数据交换格式。系统集成接口设计应考虑以下几项内容：依据系统接口数据清单，明确数据来源，避免重复开发，减少系统间耦合度，确保相关独立业务功能在所选系统中实现逻辑的完整性。在工业控制网络集成中可应用OPCUA统一架构，以对象为管理单元，提供设备互操作支持，将光伏电池车间的多种异构设备接入，数据处理，数据转发，实现光伏电池车间智能设备联网。在管理系统集成中优先使用WebService接口，实现各管理系统的数据交互。

　　3.4.3车间全流程管控系统集成体系通过上述研究，以全过程生产数据为基础，以透明管理为目标，以系统集成和过程智能管理为方法，构建了智能制造车间全流程管控系统集成体系。车间全流程管控系统集成体系应用异构网络系统互联互通、多系统数据实时联动、工业互联网网络安全等关键技术，形成了一套完整的光伏电池智能化管控系统，集自动化、柔性化、智能化特征于一体，集成数据采集监控、MES、能源管理、仓库管理、ERP各系统信息，满足智能生产、智能管理与企业决策支持等需求。

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　　4结论

　　中国光伏新能源产业正处于高速发展向高质量发展的转型期，以自动化、数字化、网络化、智能化为抓手，着手推进光伏电池智能制造建设已成为产业高质量发展的不二选择。本文通过对光伏电池智能制造车间的关键技术进行了探索和研究，初步提供了光伏电池智能制造车间建设的解决方案，通过车间智能化升级可实现光伏电池生产的集约化和管理的精益化，实现提质、降本、增效目的。希望借此抛砖引玉，促进光伏产业智能制造技术的普及和发展，提升我国光伏产业整体竞争力，助力早日实现碳中和目标。

　　参考文献：

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　　[2]江华，金艳梅，叶幸，等.中国光伏产业2019年回顾与2020年展望[J].太阳能，2020(3)：14-23.

　　[3]岳永杰.光伏电池数字化车间设计[J].山西电子技术，2018(03)：38-40.

　　作者：谢振勇;周子琼;曾湘峰

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