基于AGV系統(tǒng)的光伏電池自動化車間

（湖南紅太陽光電科技有限公司，長沙 410205）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展的今天，能源和環(huán)境問題凸顯，越來越受到人們的關(guān)注。作為清潔能源之一的太陽能，因其具有普遍存在、永不枯竭和無污染等特點(diǎn)，是解決人類能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效途徑[1]。晶體硅太陽能電池作為一種高效低成本的光伏電池技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，在相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)主宰整個(gè)光伏發(fā)電市場[2]。晶體硅太陽能電池生產(chǎn)線的技術(shù)水平直接影響太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)成本，是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)競爭力的集中體現(xiàn)[3]。目前，整個(gè)光伏行業(yè)的自動化水平并不高，仍然處于半自動化狀態(tài)，人工干預(yù)較多，造成碎片率高，電池片污染嚴(yán)重，產(chǎn)品一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性差等系列問題，為有效解決這些問題，全自動化生產(chǎn)線是光伏電池發(fā)展的必然趨勢。

AGV是一種裝備有電磁或光學(xué)等自動引導(dǎo)裝置，能夠沿著規(guī)定的路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸小車[4]。AGV對使用環(huán)境要求不高，活動區(qū)域受場地、道路、空間影響較小。在自動化物流系統(tǒng)能充分體現(xiàn)其自動性和柔性，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的無人化生產(chǎn)。將AGV系統(tǒng)應(yīng)用于光伏太陽能電池生產(chǎn)車間，完成工序內(nèi)和工序間的物料傳遞，可以進(jìn)一步提高車間自動化程度，最終實(shí)現(xiàn)全自動、無人化生產(chǎn)。

1 AGV系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目采用的AGV系統(tǒng)基于SLAM技術(shù)進(jìn)行柔性無軌導(dǎo)航，無需鋪設(shè)二維碼、磁條、反光板、架設(shè)簡單，對場地要求相對較低，配合上位機(jī)調(diào)度系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控所有車輛信息，按照各項(xiàng)業(yè)務(wù)訴求，兼顧綜合效率最高的原則，執(zhí)行分配的調(diào)度任務(wù)，既提高了現(xiàn)場系統(tǒng)運(yùn)行的柔性，又提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。

1.1 小車結(jié)構(gòu)

小車針對光伏行業(yè)太陽能電池片生產(chǎn)工況設(shè)計(jì)，適用于光伏行業(yè)電池片的搬運(yùn)，可以直接與自動化設(shè)備對接，實(shí)現(xiàn)車間物料的自動流轉(zhuǎn)。在結(jié)構(gòu)上小車整體由下層底盤和上層車載構(gòu)成（如圖1所示），車載又分為上下2層，其單層具有兩列皮帶線，每列皮帶線具備5個(gè)花籃的傳輸能力，另外小車配置有前后導(dǎo)航雷達(dá)，超聲波，側(cè)面防撞雷達(dá)等裝置，使其具備前后雙向?qū)樱?D立體防撞和預(yù)警等功能，其次小車還具有維修簡單，電池更換方便等特點(diǎn)。

圖1 AGV小車結(jié)構(gòu)圖

1.2 導(dǎo)航定位系統(tǒng)

常用的導(dǎo)航方式有電磁感應(yīng)導(dǎo)引、光發(fā)射導(dǎo)引、慣性導(dǎo)引、視覺導(dǎo)引、激光導(dǎo)引和磁導(dǎo)引[5～7]。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的AGV采用激光SLAM作為主一次定位方式，這種基于激光的環(huán)境自然導(dǎo)航，應(yīng)用SLAM（simultaneous localization and mapping）即同步定位與建圖技術(shù)，在運(yùn)動過程中通過編碼器結(jié)合IMU計(jì)算得到里程計(jì)信息，運(yùn)用機(jī)器人的運(yùn)動模型得到機(jī)器人的位姿初估計(jì)，然后通過機(jī)器人車載的激光測距雷達(dá)傳感器獲取的激光數(shù)據(jù)結(jié)合觀測模型（激光的掃描匹配）對機(jī)器人位姿進(jìn)行精確修正，得到機(jī)器人的精確定位，最后在精確定位的基礎(chǔ)上，將激光數(shù)據(jù)添加到柵格地圖中，反復(fù)如此，機(jī)器人在環(huán)境中運(yùn)動，最終完成整個(gè)場景地圖的構(gòu)建。這種類型AGV有如下優(yōu)勢：

1）基于環(huán)境自然導(dǎo)航，無需對客戶現(xiàn)場環(huán)境做任何的改造。

2）一次定位精度滿足絕大部分物料搬運(yùn)需求，同時(shí)結(jié)合輔助二次定位精度可達(dá)+/-5mm。

3）對環(huán)境變化存在一定的容忍度，系統(tǒng)魯棒性好。

4）變更使用場景簡單，滿足客戶實(shí)際生產(chǎn)存在變化的需求，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)柔性。

為滿足現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用需求，在一次定位的基礎(chǔ)上采用（激光反射信標(biāo)+測距光電）的方式，作為二次輔助高精度定位，保證AGV小車準(zhǔn)確對接，激光反射信標(biāo)主要用于導(dǎo)引小車進(jìn)入對接位，測距光電主要用精確位姿調(diào)整，保證車輛對接到工站正前方。車輛在激光信標(biāo)反射導(dǎo)引過程采用雙三角差分控制算法，可以保證車體快速收斂進(jìn)入對接裝置前方，經(jīng)過對射光電測距可以保證系統(tǒng)精確進(jìn)入對接位，滿足實(shí)際對接精度于要求

1.3 調(diào)度系統(tǒng)

調(diào)度系統(tǒng)以劃區(qū)域工作為主，減少車輛交互時(shí)間，根據(jù)電量低于設(shè)定值完成職能對調(diào)（假如某臺車電量低于設(shè)定值，充好電的機(jī)動車將來替換該車），十字路口采用交通管制，避免車輛相遇，充分利用緩沖區(qū)域提升調(diào)度系統(tǒng)的效率。采用出料最優(yōu)，進(jìn)料次之的服務(wù)原則。

調(diào)度系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)AGV小車物料搬運(yùn)與配送，生產(chǎn)線MES/PLC與調(diào)度主站通過網(wǎng)線以profinet協(xié)議或者標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，工藝控制流程由調(diào)度系統(tǒng)形成。系統(tǒng)特征如下：

1）采用調(diào)度內(nèi)核+服務(wù)形式分布式軟件框架，方便用于移動端監(jiān)控。

2）獨(dú)立的業(yè)務(wù)邏輯層，便于業(yè)務(wù)邏輯開發(fā)與定制，支持Web service等協(xié)議的外部服務(wù)對接。

3）多區(qū)域協(xié)作。

4）良好的扁平化UI界面。

5）用戶分級管理：不同成員權(quán)限/功能開放/關(guān)心數(shù)據(jù)/分級管理。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與記錄：支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)輸出及部分運(yùn)行狀態(tài)回放。

圖2為調(diào)度系統(tǒng)框架圖。

圖2 調(diào)度系統(tǒng)框架圖

AGV系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備的通訊方式，基于OPC通信技術(shù)的WCS服務(wù)層應(yīng)用與現(xiàn)場設(shè)備通訊，讀取設(shè)備端PLC各個(gè)傳輸通到的信息，WCS可以配置策略，根據(jù)生產(chǎn)工藝、節(jié)拍以及站臺花籃數(shù)量、工作信號等進(jìn)行動態(tài)分析，產(chǎn)生搬運(yùn)任務(wù)。判斷設(shè)備缺料程度，在上料站臺沒有要料的情況下提前進(jìn)行物料輸送。同理在下料站臺還沒有出滿的時(shí)候提前做好準(zhǔn)備，在合適的時(shí)機(jī)到達(dá)出料口等待出料。圖3和圖4分別為取料和卸料狀態(tài)時(shí)的信號交互圖。

圖3 取料信號交互圖

1.4 網(wǎng)絡(luò)搭建

AGV小車與調(diào)度系統(tǒng)之間通過工業(yè)級無線AP局域網(wǎng)進(jìn)行通訊，無線AP采用壁掛方式安裝于車間墻壁高處，搭建出覆蓋面積大、信號強(qiáng)度好、傳輸穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)，各區(qū)域調(diào)度站與AGV小車采用客戶端和服務(wù)器的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳送，調(diào)度站與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器通過局域網(wǎng)通信。

圖4 卸料信號交互圖

調(diào)度系統(tǒng)與車間生產(chǎn)設(shè)備PLC及MES系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行有線連接，調(diào)度系統(tǒng)WCS層以O(shè)PC通訊協(xié)議讀取各設(shè)備PLC花籃數(shù)量、工作狀態(tài)和傳輸信號等。生產(chǎn)設(shè)備PLC需要配置到同一網(wǎng)段內(nèi)不同IP地址上，預(yù)留相應(yīng)的網(wǎng)口到調(diào)度站上作?，F(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)的具體要求如下：

1）漫游切換<1s。

2）采用5G頻道技術(shù)，IGV要保留專用信道。

3）網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度<-60dbm。

4）網(wǎng)絡(luò)通訊延遲<1s（取決于通訊內(nèi)容）。

1.5 系統(tǒng)性能參數(shù)

根據(jù)使用環(huán)境、場地、產(chǎn)能要求、對接接口等設(shè)計(jì)AGV系統(tǒng)的性能參數(shù)（如表1所示）。

表1 AGV系統(tǒng)參數(shù)表

2 AGV路徑規(guī)劃

2.1 工藝路線

對于常規(guī)的晶硅太陽能電池生產(chǎn)線，從原始硅片到電池片一般需要經(jīng)過導(dǎo)片、制絨、擴(kuò)散、激光SE、刻蝕、退火、背面鈍化、正面鍍膜、激光開槽、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、測試分選多道工序。從激光開槽到測試分選工序目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動連接，所以AGV系統(tǒng)的工作是實(shí)現(xiàn)從導(dǎo)片到激光開槽工序間的硅片流轉(zhuǎn)。圖5所示為工藝路線圖。

圖5 工藝路線圖

2.2 工作流程

AGV工作任務(wù)是完成硅片在工序間的流轉(zhuǎn)，將前道工序的硅片傳遞到后道工序，運(yùn)輸?shù)膶ο笫枪杵d具（花籃盒）。前道工藝完成后，裝滿硅片的花籃盒從自動化設(shè)備傳輸線傳出，AGV小車接到任務(wù)后，與自動化設(shè)備對接，將花籃盒接收到小車內(nèi)，然后將花籃盒運(yùn)送到后道工藝的自動化設(shè)備前，與之對接，將花籃盒經(jīng)傳輸線傳入到自動化設(shè)備里。圖6所示為AGV對接示意圖。

圖6 AGV對接示意圖

2.3 路徑方案對比

對于AGV路徑規(guī)劃，有兩種方案，一種是點(diǎn)對點(diǎn)模式，一種是區(qū)域循環(huán)模式，兩種方案如圖7所示。點(diǎn)對點(diǎn)模式是前后道工序設(shè)備一一對應(yīng)，一臺AGV小車只在兩臺設(shè)備之間工作；區(qū)域循環(huán)模式是指AGV小車在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的多臺設(shè)備間循環(huán)工作，AGV小車沒有固定的工作對象，哪里有任務(wù)就往哪里去。

點(diǎn)對點(diǎn)模式任務(wù)簡單，對調(diào)度系統(tǒng)要求低，AGV的數(shù)量需求量大，固定的工作路徑，如果某臺設(shè)備出現(xiàn)故障，整條線就會出現(xiàn)斷點(diǎn)，造成整條線停機(jī)。區(qū)域循環(huán)模式任務(wù)復(fù)雜，對調(diào)度系統(tǒng)要求較高，AGV需求量相對點(diǎn)對點(diǎn)模式要小很多，個(gè)別設(shè)備故障不會對整線造成太大影響，適合柔性生產(chǎn)。綜合考慮，區(qū)域循環(huán)模式更加符合太陽能電池生產(chǎn)車間，所以選擇該方案為本項(xiàng)目做路徑規(guī)劃。

圖7 路徑方案對比圖

2.4 車間布局

本項(xiàng)目是針對某光伏企業(yè)500MW的太陽能電池生產(chǎn)車間，根據(jù)其車間大小、產(chǎn)能需求、設(shè)備配置等做出整廠全自動化方案。方案布局圖如圖8所示，為配合工藝流程，相應(yīng)的也將AGV路徑劃分為兩個(gè)區(qū)域，AGV前道工藝循環(huán)和AGV后道工藝循環(huán)，前道工序循環(huán)的AGV小車負(fù)責(zé)工序一到工序四上料端的花籃盒流轉(zhuǎn)；后道工序循環(huán)的AGV小車負(fù)責(zé)工序四下料端到工序八之間的花籃盒流轉(zhuǎn)。

圖8 車間布局圖

3 AGV數(shù)量計(jì)算

整個(gè)車間AGV數(shù)量的計(jì)算非常關(guān)鍵，如果計(jì)算出來的數(shù)量高于項(xiàng)目實(shí)際所需，就會增加項(xiàng)目成本，如果低于實(shí)際所需，就會影響到實(shí)施效果，甚至導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的失敗。AGV數(shù)量的計(jì)算目前沒有可靠的軟件，一定程度上是依靠經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)橛绊懶≤嚁?shù)量的因素非常多，如車間產(chǎn)能、工藝流程、設(shè)備配置、空間大小、緩存需求、小車容量、對接方式等等。

該車間的產(chǎn)能為500MW，平均每小時(shí)16000片，花籃盒的容量為100片/盒，AGV小車容量為10盒/車，傳輸線體長度1.2米，傳輸線體傳輸速度0.1米/秒，AGV的平均行駛速度、AGV一次對接時(shí)間、會車避障時(shí)間、會車避障概率根據(jù)以往AGV項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，分別設(shè)為0.3米/秒、100秒/次、20秒/次、1次/10米。

1）AGV需求數(shù)量=工序間產(chǎn)能÷每小時(shí)運(yùn)輸花籃盒數(shù)量。

2）每小時(shí)運(yùn)輸花籃盒數(shù)量=每小時(shí)循環(huán)次數(shù)×AGV小車容量。

3）每小時(shí)循環(huán)次數(shù)=3600÷總時(shí)間。

4）總時(shí)間=AGV行駛時(shí)間+AGV對接時(shí)間+花籃盒傳輸時(shí)間+會車避障時(shí)間。

5）AGV行駛時(shí)間=路徑距離÷AGV平均行駛速度。

6）AGV對接時(shí)間=對接次數(shù)×AGV一次對接時(shí)間。

7）花籃盒傳輸時(shí)間=傳輸線體長度÷傳輸線體傳輸速度。

8）會車避障次數(shù)=路徑距離×?xí)嚤苷细怕省?/p>

9）會車避障時(shí)間=會車避障次數(shù)×?xí)嚤苷蠒r(shí)間。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，由表可知，AGV前道工序循環(huán)正常流轉(zhuǎn)需要AGV小車數(shù)量為10臺，AGV后道工序循環(huán)正常流轉(zhuǎn)需要AGV小車數(shù)量為12臺。由于在實(shí)際工作中，AGV小車在工作一定時(shí)間后需要進(jìn)行充電，所以在計(jì)算AGV小車數(shù)量的時(shí)候還要考慮充電備用量，一般是五備一，故前道備用數(shù)量為2臺，后道備用數(shù)量為3臺。前道工序循環(huán)總共需要12臺AGV小車，后道工序循環(huán)總共需要15臺AGV小車，整個(gè)車間合計(jì)27臺AGV小車。

表2 AGV小車計(jì)算表

4 結(jié)語

AGV系統(tǒng)在汽車、物流等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，但是在光伏行業(yè)中的應(yīng)用才剛剛開始。以500MW太陽能電池生產(chǎn)車間為例，結(jié)合AGV系統(tǒng)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，對其進(jìn)行了AGV系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括小車結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)搭建、路徑規(guī)劃、車間布局、小車數(shù)量計(jì)算，為太陽能電池生產(chǎn)車間的全自動化建設(shè)提供了參考。

AGV的自動化和柔性化特性非常適合光伏行業(yè)，在光伏太陽能電池生產(chǎn)過程中引入AGV系統(tǒng)，打造全自動、無人化的生產(chǎn)車間，一方面可以極大的提高車間的自動化水平，減輕勞動強(qiáng)度，另一方面可以改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，是行業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢。