太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的搭建研究

周子瓊，張 宇，劉 杰

(湖南紅太陽光電科技有限公司，長沙 410013)

0 引言

在新型冠狀病毒肺炎(下文簡稱“新冠肺炎”)疫情和線上教學(xué)飛速發(fā)展的雙重背景下，為加大制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展，太陽電池行業(yè)數(shù)字化車間領(lǐng)軍企業(yè)聯(lián)合各相關(guān)專業(yè)院校開展了線上培訓(xùn)課程，搭建了集教學(xué)、培訓(xùn)、設(shè)計(jì)、研發(fā)及實(shí)踐為一體的智能制造類“新工科”人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)——太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，旨在通過線上培訓(xùn)的方式擴(kuò)大行業(yè)影響力，吸引相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生及想要深造的從業(yè)人員進(jìn)行線上實(shí)訓(xùn)，為行業(yè)吸引并培養(yǎng)更多具備專業(yè)知識(shí)和素養(yǎng)的人才，同時(shí)也為人才對(duì)接市場和企業(yè)開辟實(shí)訓(xùn)通道，進(jìn)一步深化產(chǎn)學(xué)研融合、協(xié)同育人的概念，支持國內(nèi)智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文以智能制造相關(guān)理論為主體，對(duì)太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案及搭建進(jìn)行了介紹和研究，并通過真實(shí)案例的現(xiàn)場模擬實(shí)習(xí)對(duì)該太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以智能制造的相關(guān)理論為主體，探索智能制造實(shí)訓(xùn)的人才培養(yǎng)體系。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容主要圍繞高效PERC太陽電池的生產(chǎn)工藝、智能設(shè)備、自動(dòng)化設(shè)備、通信技術(shù)、信息技術(shù)及其相關(guān)知識(shí)展開，培養(yǎng)實(shí)訓(xùn)人員的太陽電池智能設(shè)備及相關(guān)軟件的操作能力、智能制造車間及相關(guān)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)能力，以及生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)踐能力。太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案Fig. 1 Design scheme of talent training platform for solar cell intelligent manufacturing

從圖1可以看出，整個(gè)太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)分為3個(gè)階段，分別為理論階段、實(shí)訓(xùn)階段和實(shí)習(xí)階段。

1)理論階段。該階段采用在線教育平臺(tái)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，主要是為實(shí)訓(xùn)人員提供學(xué)習(xí)高效PERC太陽電池的生產(chǎn)工藝、智能制造的理論知識(shí)。該平臺(tái)包括知識(shí)資源池、在線培訓(xùn)、人才素質(zhì)評(píng)估，以及針對(duì)太陽電池行業(yè)的人才監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等模塊。

2)實(shí)訓(xùn)階段。該階段采用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，主要是通過對(duì)智能設(shè)備、自動(dòng)引導(dǎo)車(Automated Guided Vehicle，下文簡稱“AGV小車”)和機(jī)器人等自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)操及調(diào)試，達(dá)到理論與實(shí)踐結(jié)合的效果。

3)實(shí)習(xí)階段。該階段為現(xiàn)場模擬實(shí)習(xí)，主要是通過對(duì)高效PERC太陽電池智能制造的真實(shí)場景或項(xiàng)目的模擬實(shí)訓(xùn)操作，將理論性的人才培養(yǎng)成理論與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的雙向型人才，為向行業(yè)輸出人才做好儲(chǔ)備。該階段模擬實(shí)訓(xùn)的具體內(nèi)容包括整體方案、虛擬仿真、自動(dòng)化應(yīng)用、數(shù)字化應(yīng)用、流水線安全。

2 在線教育平臺(tái)建的搭研究

在線教育平臺(tái)將依托現(xiàn)有的高效PERC太陽電池智能制造車間，根據(jù)車間對(duì)工藝、自動(dòng)化、互聯(lián)網(wǎng)、信息化、人工智能等人才實(shí)踐訓(xùn)練時(shí)的要求及車間產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)需求進(jìn)行搭建，主要圍繞工藝流程、智能制造理論等開展在線教育。

高效PERC太陽電池智能制造車間主要是用于高效PERC太陽電池的生產(chǎn)，該類電池的生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。圖中，綠色框代表工藝設(shè)備；黃色框代表自動(dòng)化環(huán)節(jié)；白色方形框代表在線檢測(cè)系統(tǒng)；白色菱形框表示在線檢測(cè)設(shè)備對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的工藝值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)不合格產(chǎn)品截留，進(jìn)行返工或向另一個(gè)通道放行進(jìn)行單獨(dú)處理。

圖2 高效PERC太陽電池的生產(chǎn)工藝流程Fig. 2 Production process flow of high efficiency PERC solar cell

通過將經(jīng)典的智能制造知識(shí)與企業(yè)的實(shí)踐操作相結(jié)合，構(gòu)建知識(shí)資源池。可根據(jù)崗位技能、專業(yè)特點(diǎn)等提供豐富的教學(xué)資源，如提供數(shù)字化建模、自動(dòng)化設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制、三維仿真、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、維護(hù)信息安全、軟件開發(fā)平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)庫軟件操作等內(nèi)容，教學(xué)方式包括教學(xué)視頻資料、實(shí)訓(xùn)手冊(cè)、引導(dǎo)式教學(xué)材料和相應(yīng)案例庫等內(nèi)容，同時(shí)提供在線培訓(xùn)、過程考核、科目考試、答疑互動(dòng)等。另外，在線教育平臺(tái)基于產(chǎn)業(yè)技術(shù)架構(gòu)及企業(yè)的實(shí)際用人需求，針對(duì)重點(diǎn)崗位建立人才評(píng)估模型，從綜合能力、專業(yè)知識(shí)、技能能力、工程實(shí)踐能力等4個(gè)方面對(duì)人才素質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。

3 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的搭建研究

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的搭建主要包括4個(gè)方面，分別為智能設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)字化系統(tǒng)，以及進(jìn)行平臺(tái)實(shí)訓(xùn)。

3.1 智能設(shè)備

以高效PERC太陽電池生產(chǎn)制造過程中最具代表性的工藝設(shè)備—— 管式PECVD設(shè)備為例。通過設(shè)備內(nèi)的多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)自我感知、實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備內(nèi)部的各項(xiàng)參數(shù)，并提供預(yù)警提示，可將報(bào)警信號(hào)傳輸至生產(chǎn)制造執(zhí)行(MES)系統(tǒng)中。同時(shí)，車間內(nèi)與工藝設(shè)備對(duì)接的自動(dòng)化設(shè)備需要進(jìn)行自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，突破解決上、下料機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信網(wǎng)路銜接，以及與擴(kuò)散軟件系統(tǒng)銜接等主要關(guān)鍵問題。工藝設(shè)備采用集中式數(shù)字控制系統(tǒng)，通過平板工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組合下位PLC模式來實(shí)現(xiàn)對(duì)單管系統(tǒng)工藝參數(shù)的控制，包括對(duì)電機(jī)、溫度傳感器、質(zhì)量流量計(jì)和電磁閥等進(jìn)行組合邏輯控制，使設(shè)備安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

3.2 自動(dòng)化系統(tǒng)

自動(dòng)化系統(tǒng)綜合運(yùn)用六軸工業(yè)機(jī)器人、桁架機(jī)械手對(duì)花籃進(jìn)行工序上、下料搬運(yùn)，配合AGV小車保障生產(chǎn)節(jié)拍。工序間共有2種花籃作為生產(chǎn)流片的傳輸載體，花籃與工藝設(shè)備通過載具映射關(guān)系轉(zhuǎn)換每個(gè)加工硅片的信息，便于工藝流程的監(jiān)控和可追溯性。機(jī)械手通過定制化的夾具夾取花籃傳送到工藝設(shè)備的上、下料口，為保證上、下料的準(zhǔn)確性，需要加裝多個(gè)位置信號(hào)傳感器。

整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)通過調(diào)度系統(tǒng)管控，AGV小車后臺(tái)的智能調(diào)度(RCS)系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)AGV小車的平衡調(diào)度，并以此銜接各工序工作站的物料。RCS系統(tǒng)通過AGV小車內(nèi)置設(shè)備獲取小車的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，同時(shí)可對(duì)AGV小車進(jìn)行控制。

3.3 數(shù)字化系統(tǒng)

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括平臺(tái)無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)。

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)無線網(wǎng)絡(luò)需要配置無線AP接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)、人員等在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的設(shè)計(jì)。

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)針對(duì)高效PERC太陽電池的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)、設(shè)備、工藝、質(zhì)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集，并通過Webservice實(shí)時(shí)傳遞至MES系統(tǒng)；同時(shí)MES系統(tǒng)反饋生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行情況、設(shè)備參數(shù)等信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)績效的及時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間計(jì)劃、生產(chǎn)流程、設(shè)備運(yùn)行、物料消耗、能源消耗、產(chǎn)品質(zhì)量的信息化統(tǒng)一管控。

3.4 進(jìn)行平臺(tái)實(shí)訓(xùn)

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)方式包括情景教學(xué)、案例教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)等；同時(shí)，根據(jù)實(shí)訓(xùn)對(duì)象及層次的不同，設(shè)置不同的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容如表1所示。

表1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容Table 1 Training content of training platform

4 現(xiàn)場模擬實(shí)習(xí)的建設(shè)研究

運(yùn)用PERC太陽電池生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有的高效PERC太陽電池智能制造車間，為實(shí)訓(xùn)人員提供接觸真實(shí)生產(chǎn)場景的條件，進(jìn)一步增加對(duì)智能制造車間的布局、機(jī)器人系統(tǒng)的集成應(yīng)用、AGV小車的調(diào)度等自動(dòng)化技術(shù)及信息化技術(shù)的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐。

現(xiàn)場模擬實(shí)習(xí)主要包括以下5個(gè)方面的內(nèi)容：

1)智能制造車間的整體方案規(guī)劃設(shè)計(jì)及仿真。參考高效PERC太陽電池智能制造車間的規(guī)劃，要求實(shí)訓(xùn)人員以車間總體產(chǎn)能要求、工藝設(shè)備及自動(dòng)化設(shè)備的產(chǎn)能等作為設(shè)計(jì)的輸入條件，進(jìn)行工裝夾具設(shè)計(jì)、工藝生產(chǎn)節(jié)拍的設(shè)計(jì)，并對(duì)AGV小車、自動(dòng)化設(shè)備等進(jìn)行選型，以滿足車間對(duì)工藝路線、生產(chǎn)節(jié)拍、產(chǎn)能等的要求。

2)初步掌握軟件虛擬仿真技術(shù)。運(yùn)用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，對(duì)智能制造車間的設(shè)備、生產(chǎn)節(jié)拍、自動(dòng)化方式、物流傳輸?shù)冗M(jìn)行系統(tǒng)仿真和優(yōu)化，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

3)AGV小車的認(rèn)知及應(yīng)用。通過智能制造車間的總體布局和AGV小車及物料傳輸系統(tǒng)的基本組成，學(xué)會(huì)根據(jù)產(chǎn)能要求及工藝設(shè)備的布局來合理設(shè)計(jì)AGV小車的數(shù)量、規(guī)劃運(yùn)行路徑及網(wǎng)絡(luò)。

4)數(shù)字化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)。通過實(shí)習(xí)的方式，參與SCADA、MES、能源管理系統(tǒng)(EMS)、廠務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)(FMCS)、綜合可視化系統(tǒng)等的調(diào)研、設(shè)計(jì)、開發(fā)及實(shí)施，學(xué)習(xí)智能制造生產(chǎn)相關(guān)的計(jì)劃、質(zhì)量、設(shè)備、人力、物流、成本等業(yè)務(wù)對(duì)象，掌握數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理、信息安全防護(hù)體系的構(gòu)建。

5)掌握流水線安全設(shè)計(jì)的基本方法。作為流水線的核心部分，智能物流傳輸系統(tǒng)涉及到機(jī)器人、AGV小車及各種物料傳輸線等部件，由于部件的運(yùn)動(dòng)速度快、動(dòng)作復(fù)雜，安全設(shè)計(jì)必須從硬件和軟件等方面考慮，一旦出現(xiàn)安全事故，流水線應(yīng)能夠立刻切斷電源。

5 結(jié)論

本文介紹了綜合應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)和仿真技術(shù)等設(shè)計(jì)的太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)共包括3個(gè)階段：第1階段通過在線教育平臺(tái)構(gòu)建知識(shí)資源池，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)訓(xùn)人員的在線教育、人才分析和素質(zhì)評(píng)估；第2階段通過實(shí)訓(xùn)平臺(tái)對(duì)實(shí)訓(xùn)人員進(jìn)行智能設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)字化系統(tǒng)等實(shí)訓(xùn)，提高實(shí)訓(xùn)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、綜合技能和實(shí)踐能力；第3階段為現(xiàn)場模擬實(shí)習(xí)，通過現(xiàn)場模擬實(shí)習(xí)深化了解車間的真實(shí)運(yùn)作模式，培養(yǎng)了實(shí)訓(xùn)人員解決實(shí)際問題的能力。通過太陽電池智能制造人才實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)，可以有效解決行業(yè)人才短缺的問題，為整個(gè)行業(yè)的智能化發(fā)展提前儲(chǔ)備人才隊(duì)伍，培養(yǎng)真正適應(yīng)智能制造背景的高素質(zhì)、高實(shí)力、高技能的實(shí)用型前沿人才。