智能自動運輸機器人在光伏生產中的應用

王沛康，趙愛爽，李少猛，王松，王亞琦

[摘? ? 要]介紹了智能自動運輸機器人IGV的發展現狀、在光伏生產中應用以及與自動化設備對接的運行路線，IGV系統的主要組成元件以及智能調度平臺的運行模式，提出了IGV對光伏發展的重要性以及 IGV在推廣和實際運行中發現的問題。通過多方面的優化措施，實現了IGV在光伏行業的推廣，是實現光伏智能制造的重要環節。

[關鍵詞]智能運輸;機器人;5G網絡;自動化;調度系統

[中圖分類號]TH12 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–04

Application of Intelligent Automatic Transport Robot in Photovoltaic Production

Wang Pei-kang，Zhao Ai-shuang，Li Shao-meng，Wang Song，Wang Ya-qi

[Abstract]This paper firstly introduces the development status of intelligent automatic transportation robot IGV， its application in photovoltaic production and the operation route of connecting with automation equipment， the main components of the system and the operation mode of intelligent dispatching platform， and then introduces the development of IGV to photovoltaic The importance of IGV and the problems found in the promotion and actual operation of IGV. Through various optimization measures， the promotion of IGV in the photovoltaic industry has been realized， which is an important part of realizing photovoltaic intelligent manufacturing.

[Keywords]intelligent transportation; robot; 5G network; automation; dispatching system

隨著光伏智能制造在行業內大范圍興起，也使得智能制造產業取得了飛速發展，作為智能物流核心設備之一的移動搬運機器人IGV近年來呈現了爆發式的增長。IGV主要在精度、安全性、柔性、環境適應性等方面實現了進一步提升，已成為光伏行業自動化物流體系中不可或缺的一份子。

IGV全稱是Intelligent Guided Vehicle，即智慧型引導運輸車。IGV是最近幾年提出的新概念。和傳統AGV（Automated Guided Vehicle）相比較，IGV柔性化程度更高，無需借助任何固定標記物行駛，并且路徑靈活多變，可根據實際生產需求靈活調度。IGV適用于柔性化要求更高的場合，在滿足常規搬運功能的基礎上，還可以根據客戶的工藝流程，選擇性搭載不同的功能模塊，滿足一車多用的目的。本文綜述了智能自動運輸機器人IGV的發展現狀，在光伏生產中應用以及與自動化設備對接的運行路線，系統的主要組成元件以及智能調度平臺的運行模式，然后介紹了IGV對光伏的發展的重要性以及IGV在推廣和實際運行中發現的問題。

1 設備發展現狀

硅光伏電池的生產線屬于分散式布局，設備單機擺放互不連接，在引進IGV智慧型引導運輸車之前，設備之間產品的傳遞依靠人工推車完成各工藝點間的運送，各工序各設備之間人員密集流動，容易出現跳站等影響產品質量的問題，且此方式用工量大，管理復雜繁瑣，是一種低效、密集型生產方式。在人工成本越來越高的形勢下，極大地限制了工廠效益和利潤的提高。

2019年6月，中國5G網絡的問世，在理論上會給光伏行業的設備管理提升一個層次，實現智能化、無人化工廠，引入5G網絡全覆蓋，實現了IGV的應用，引入機器人代替人工完成運輸同時利用機器人實現管理數據的上傳，進而實現工廠智能化管理。其難點是機器人調度系統的完善、與主體設備對接的精度和機器人通訊的網絡質量，5G網絡的問世給IGV智能自動運輸機器人提供了強有力的網絡支持，更好地搭建了光伏自動化設備的平臺，實現了光伏全智能車間[1]。光伏車間生產工藝流程如圖1所示。

2 IGV在光伏設備中的運行路線

IGV移動機器人帶有傳送線的載物臺，載物臺上的傳送線可以和產線的傳送線進行對接，通過兩側傳送線同向運動，可以完成生產線和機器人之間花籃的取送。而機器人本身具備自主車間內定位、導航和避障的能力，可以通過自身導航軟件自主從一個工藝點運動至另一工藝點。這樣就完成了運送和取放兩種功能。IGV對接設備圖如圖2所示。

圖2主要為IGV小車與設備對接的運行軌跡，涵蓋了車間11臺主要設備的上下料之間對接，實現了全車間以IGV為載體進行全自動傳送，同時將小車從調度中區分為幾個區域獨立循環，以提升IGV的調度效率，通過以上方式保證24h不間斷工作的同時減少車間15%～20%的人工，極大提升了產線的工作效率，同時IGV小車的推廣應用也是實現智能化工廠的重要環節。

3 IGV運輸小車的主要組成元件

不同廠家的IGV采用的電氣元件不同，一般要求使用品牌較好的一些電器元件。在使用中要保證安全防護，要求在運行中自主規劃路徑，自主避障，自主繞行，前部機械式防撞安全防護。主動避障通過多個激光或超聲波雷達感應，其中兩側輔助激光可檢測270（°）/4 m范圍內障礙物，前方主激光可以探測到220（°）/30 m范圍障礙物，后側超聲傳感器可以向后方探測60（°）/10 m范圍內近地面障礙物，調度系統同時兼容MES、MCS等[2]。IGV小車的主要構成元件如圖3所示。

IGV小車的主要元件有：操作屏 、數碼管、紅外光電開關、激光傳感器、開模版充電口、電源開關、天線、防撞條、三色燈、超聲波傳感器、對位相機、解抱閘接口等。

圖3中IGV的幾個重要原件：操作屏人機界面滿足現場人員操作控制小車，通過紅外光電的檢測由數碼管直觀顯示出來目前小車的帶料情況;對位相機的目的是保證機器人和自動化設備對接過程中傳輸軌道的一致性;激光傳感器、超聲傳感器保證小車在運行過程中對環境進行檢測配合防撞條保證機器人運動路徑的安全性;接抱閘接口保證機器人在斷電情況下處于抱死狀態防止掉電后可能的機器人重力原因移動進而造成的產品或人員傷害。

4 IGV運輸小車智能調度平臺

大規模智能調度系統，搭載硅片追溯系統可精確到單片追蹤;通過大數據分析、5G網絡的快速聯網，標準化多系列IGV，完美應對干、濕花籃，堆疊料盒承載原料片等各種產品類型;通過高靈敏激光雷達+視覺定位，滿足高精度對接要求;增加了安全特性，機械防撞裝置+激光檢測+超聲波傳感器讓復雜工況場景下的每一次搬運任務都能安全完成;可自帶FFU/HEPA，滿足高潔凈度的工藝品質要求[3-4]。

圖4為IGV小車的調度和信號的對接流程，調度和信號是保證小車正常運行的重要環節，主要分為四部分：IGV機器人自動對接車間自動化設備，自動化設備通過OPC服務器向MCS發送的用車調度請求，調度計劃最優路徑并依據此分配對應機器人任務，IGV機器人自動執行調度路徑并運行。

圖5為IGV與機臺物料智能調度的流程，詳細地說明了機臺發出物料請購后的執行情況，MCS系統為物流控制系統，在文中主要為電池片的控制運輸。機臺發出物料請購后，MCS系統把需求進行排隊，并根據IGV當前的狀態選擇最合適的IGV，發送目標機臺和IGV編號給RMS（調度自動化系統），通過RMS系統給指定的目標機臺，IGV達到指定目標機臺并與機臺建立無線通信，實現與機臺的物料傳送，對接結束后斷開通信，等待新目標機臺任務或返回最近的暫存區等待。

5 場地適用性

IGV小車在光伏的應用場景對地面有著嚴格的要求，常見的地面類型主要有環氧地坪、地板革（PVC材質）或環氧魔石。三種地面各有優勢，從價格和實用性來說一般選用環氧地坪，比較實用，對于工期要求比較緊張的公司可以選用地板革，可以使新車間快速投產;環氧磨石價格相對較高，使用的公司相對較少。3種常用地面的優缺點分析見表1。

IGV智能機器人受地面平整度影響較大，如：地面起伏會使機器人在運行過程中產生震動，將極大提高硅片在運送過程中的損壞幾率，限制運送速度的提高;在產線上下料口處地面的起伏則會使機器人和產線傳輸平面無法可靠地保證在同一水平面，限制對接花籃傳輸速度甚至造成產品掉落。概括來講，地面平整度直接影響傳輸效率和硅片碎片率。

參考國家建筑標準，IGV的使用場景對車間地面要求如下：

（1）地面抗壓≥40 MPa。

（2）平整度≤3 mm/m2，建議平整度≤2 mm/m2。

（3）強度≥60 MPa。

（4）環氧地坪厚度主要取決于素地情況及承載量，越厚整體性能越好，建議3～10 mm。

6 無線網絡要求

調度系統需要通過無線網絡對機器人運行狀態進行遠程監控，下達任務指令，機器人需要通過無線網絡接收指令并發送自身狀態。為了保證機器人與服務器和自動化設備之間的數據交互，對無線網絡要求較高。通常機器人的網絡模塊兼容主流網絡協議，支持2.4G，信號強度在-50 dB以上，基于5G網絡布局智能物料調度平臺視圖如圖6所示[5-6]。

無線網絡環境要求見表2。

從圖6、表2可見，IGV設備的運行需要搭建無線網絡接收指令并發送自身狀態，基于5G網絡的發展能更好地保障IGV對無線信號的要求，5G網絡框架的建立同時實現管理、報表以及能耗等大數據的輸出，實現光伏智能工廠數字化。

7 IGV應用中遇到的問題和注意事項

目前市場上IGV技術在光伏中的應用正處在快速發展階段，不同公司和廠家對小車調度系統會有不同的要求，需要人機互相適應達到平衡，同時由于設備自動化的要求不斷提高，IGV搬運與對接裝置密切配合才能完成。每臺工藝設備配置的自動化設備都需要預留安裝RFID（射頻識別系統）讀寫頭位置，具體安裝位置根據設計方案片盒位置確定。每組皮帶傳輸軌道必須可以緩存6個片盒以上且皮帶接口端部需要有開口導向條和過渡輪等。MCS系統由組態軟件、數據服務器、OPC接口等組成，實現了IGV的智能調度控制和狀態監控生產物料智能搬運、物料數據信息傳遞、自動化機臺生產狀態監控、工序間生產物料自動協調及管控等功能。

（1）影響小車運行的速率因素主要有：地面平整度、環境識別度、工藝時間調整、工藝路線調整、路線設計、機臺異常影響、AIGV系統異常、人員因素干擾。前期IGV匹配設備數量存在不確定性，預算時需要小車數量留有冗余空間，應對各種突發情況，便于實現工廠滿產狀態。

（2）長期運行問題：腳輪長期運行容易造成地面臟污，需要定期維護或給更換小車腳輪。

（3）電池壽命：電池壽命和老化是最大的問題，一般電池采用磷酸鐵鋰電池，要求三年內衰減≤15%，滿電續航能力不小于8 h，能夠利用零星時間淺充電。電池的充放比不低于1∶4（滿載）具備過充電、過放電、短路。反接、過載、穩定保護、異常斷電保護、無冒煙、起火、爆炸、充電對接打火等現象。

（4）軟件問題：由于需要對接不同廠家不同品牌的設備，軟件的兼容性要求較高，具備成熟的操作軟件是必不可少的，同時要避免設備切換過程中可能出現小車丟信息包，造成小車異常停機或過站錯誤。

（5）人機互動：個體調試工作較多，調試工作量較大，單機臺調試中小車誤差和自動化設備之間的誤差累積誤差增加，批量設備存在個體化差異，需要分析差異點，積累數據，持續優化調試過程。

（6）IGV與自動化設備的匹配性：因為IGV小車和自動化設備為不同廠家，需要提前確認小車的對接需求，再要求自動化廠家適應IGV對接規范，根據自動化的傳送帶允許寬度和高度范圍，確定小車傳送帶的高度和寬度。對接的信號交互規范提前制定，交互規范要有明確的硬件交互需求和通訊協議等，以滿足對接過程要求。

（7）小車硬件選型：硬件品牌要優先選用主流品牌，關鍵部件如電池品牌型號、激光元件品牌型號、電機品牌型號、驅動方式要明確規定，調度系統服務器穩定，要軟件系統成熟，具備自動切換功能，5G網絡和Wi–Fi網絡布網可切換。

（8）服務：自動化OPC服務器盡量整合在機臺內部，軟件遠程可以調試，滿足不間斷生產的要求。

（9）安全和設備兼容：IGV小車運行要設有專門的運輸通道，自主規劃路徑，自主避障，自主繞行，不同車間不同品牌的IGV要統一調度，避免雙重調度造成是IGV路徑規劃和避讓異常。

8 結論

光伏行業IGV智慧型引導運輸車屬于新興產品。在光伏智能工廠普及自動化智能化設備的同時需要不斷的更新技術，適應多品牌、多廠家的自動化設備，使設備間對接更靈活，網絡通信更快捷，通過實踐更大程度地挖掘出設備的潛力，優化新設備的隱患。智能制造工廠IGV小車的初步投入能夠減少40%以上人工工作量，極大減少了制造成本。IGV智能機器人配合MES系統最終會實現硅片WID單片跟蹤及追溯能力，搭載5G網絡使電池行業產生質的飛躍。

參考文獻

[1] 楊文華，王勇.激光導引AGV系統原理及應用[J].機器人技術與應用，2000（3）：17-19.

[2] 宋長會.移動機器人控制系統設計與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

[3] 管一兵.直線行走式智能監控小車的精準定位方法研究[D].北京：北方工業大學，2008.

[4] 葉甲秋.自動導向小車（AGV）驅動系統辨識與動態特性分析[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[5] 吳亮亮.自動導向小車（AGV）無接觸供電關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[6] 曾劍秋.5G移動通信技術發展與應用趨勢[J].電信工程技術與標準化，2017，30（2）：1-4.