光伏自动化生产系统规划与建设

作者：段亚杰 曾祥森

广东舜储智能装备有限公司

能源是人类社会生存和发展的重要基础，对经济、社会发展起着不可或缺的重要推动作用。随着能源需求与消耗增加、传统能源资源日益减少，包括太阳能、风能等在内的各类新能源受到越来越多地重视。太阳能具有无污染、普遍存在以及永不枯竭等优点，众多国家都在扶持开展太阳能的开发与利用项目，其中太阳能光伏发电被视为解决人类能源危机及环境问题的有效途径，也是最具前景的新能源技术之一。

近年来，我国的太阳能光伏行业迅速发展，为满足企业高效、准确、低成本的仓储物流需求，自动化生产线系统应运而生并得到越来越多的应用。本文将结合实际项目，对光伏自动化生产系统的布局设计、工艺流程以及AGV、机械手等自动化设备的应用等进行介绍与分析。

以硅棒切方为例，在目前毛棒被加工成晶棒的过程中，需要将毛棒进行切断、切方以及抛光等工序处理。在现有技术中，大多依靠人工搬运方式在各个工序间转运物料，从而导致晶棒的生产效率低，人工成本高，甚至在人工转运物料时容易造成安全事故。

光伏自动化生产区域由截断区、缓存区、开方区、平磨区、清擦打包区组成，可实现对硅棒从截断、氧碳、开方、平磨、清擦打包等过程的自动化、信息化管理，方案布局如图1和图2所示，本项目的光伏自动化生产区域内设有6台环形线九工位截断机、7台双刀头截断机、30台开方机、62台平磨机、20架上下料桁架机械手和17台AGV运输车。

图1 截断区域布局图

图2 方案布局图

光伏自动化生产系统的工艺流程，由截断工序、开方工序、平磨工序、清擦打包工序及软件系统组成，整体工艺流程如图3所示，整体方案3D效果如图4所示。

图3 整体工艺流程图

图4 整体方案3D图

1.截断工序工艺流程

在本项目中，6台环形线九工位截断机和7台双刀头截断机均设有两组上下料桁架机械手，用于毛棒上下料，1台环形线九工位截断机的工作效率是22根/H，1台双刀头截断机的工作效率是6根/H，按照1天22H计算，6台环形线九工位截断机和7台双刀头截断机一天的日产能是（6×24+7×6）×22=4092根，截断的具体流程包括：

（1）毛棒被扫码后，毛棒信息与毛棒运输车绑定并上传至MES系统 ，自动化系统根据毛棒库位及机台加工需求，将送料需求发送至MES系统。

（2）MES系统发送送料需求后，截断上料位的上下料桁架机械手执行上料动作或缓存毛棒，并将毛棒信息传递至截断机和MES系统，如图5所示。

图5 截断区示意图

（3）MES系统根据毛棒信息自动进行分段并将分段信息传输至截断机，截断机根据分段信息自动调整刀位，截断完成后，截断机将截断后毛棒传送到截断机下料台，下料台按顺序将毛棒传输至桁架取料台，上下料桁架机械手从取料台抓取分段后的毛棒至输送线上，如图6和图7所示。

图6 毛棒截断前示意图

图7 毛棒截断后示意图

（4）输送线上的自动化长度检测装置对毛棒进行长度检测，检测完成后将数据上传到上位机数据库进行比对，比对正确后的毛棒经加热后流转到打码工位打码，如图8所示。

图8 毛棒检测刻码示意图

（5）经系统判断是否需要进行电性能检测，经判别后选择直出或流转至氧碳库进行检测，电性能检测后，合格的毛棒进入碳氧库等待氧碳检测结果。

其中，氧碳库配置150个库位，用于毛棒的缓存，并配备设置有2套Y轴的龙门桁架，实现毛棒的入库、出库功能，如图9所示。

图9 氧碳库示意图

（6）待氧碳数据上传结果给出后进行开方配棒，配棒完成后通过上下料桁架机械手将毛棒抓取到缓存架上，如图10所示。

图10 氧碳库示意图

（7）粘棒功能：当两根较短的毛棒粘接起来能够形成某一规格的毛棒，即将两根较短的毛棒运输至粘棒工位粘棒，粘棒完成后通过粘棒小车再上线进入开方配棒环节，提高开方效率。

2.开方、平磨工序工艺流程

（1）每个缓存架放置2根配好的毛棒，根据产能节拍，需要用5台AGV运输车将缓存架运输至开方区，并将毛棒信息传递至开方区内的5组上下料桁架机械手，上下料桁架机械手将缓存架上的毛棒抓取至开方机进行开方，上下料桁架机械手如图11所示。

图11 上下料桁架机械手示意图

（2）毛棒开方完后，经上下料桁架机械手抓取至下料工位，再由6台AGV运输车转运至平磨区，平磨区的6组上下料桁架机械手将缓存架上的方棒抓取至平磨机进行平磨，开方区和平磨区如图12所示。

图12 开方平磨区示意图

3.清擦打包工序工艺流程

（1）平磨后的成品方棒由6台AGV运输车转运到清擦打包工位，上下料桁架机械手将成品毛棒抓取至输送线托盘上，经输送线输送至上下料桁架机械手，共需擦拭4个面，擦拭完后再由上下料桁架机械手进行抓取至输送线的托盘上进行流转，输送至成品缓存库进行缓存或直接经输送线流出打包，成品缓存库出入库均带托盘，擦拭完成的成品方棒直接进入入库输送线，堆垛机叉取托盘入到系统指定的货位缓存，接到出库信息，WCS系统控制堆垛机到指定的货位叉取托盘至出库打包，清擦打包区和成品缓存库如图13所示。

图13 清擦打包区示意图

（2）立库库为单层线体，出库为双层线体，下层走空盘。

4.AGV运输车搬运

AGV运输车负责截断区、开方区、平磨区和擦拭区的晶棒搬运，串联各自动化设备的衔接工作，AGV运输车示意图和取放料流程，如图14～16所示。 

图14 AGV运输车示意图

图15 AGV取料动作流程

图16 AGV放料动作流程

5.软件系统

整套软件系统采用星型连接和全模块化结构，方便系统的优化与扩展，且具有极大的灵活性，车间整体运行过程当中，实现与工艺环节设备之间的信息交互，软件系统如图17所示。

图17 软件系统构成

该软件系统利用集成智能化技术，通过入库业务、出库业务、仓库调拨、库存调拨和虚仓管理等功能，综合批次管理、物料对应、库存盘点、质检管理、虚仓管理和即时库存管理等功能综合运用的管理系统，可有效控制并跟踪仓库业务的物流和成本管理全过程，并可与ERP、MES、WCS、RCS等多种软件系统对接，使硅棒加工从源头开始被实施跟踪与管理。

其中，RCS调度系统对多个AGV运输车进行任务调度和协调，通过对大量生产数据的分析以及AGV运输车及其他自动化设备的实时监控，根据不同订单，自动从中识别出最佳调度策略和执行计划，并通过各种传感技术、地图生成算法、路径规划算法等技术，使AGV运输车能够自主导航和避障，提高生产效率，RCS调度系统如图18所示。

图18 RCS调度系统示意图

6.安全运行保障

（1）上下料桁架机器手

①上下料桁架机械手的活动库区设置防护网，库区高度与截断机上料台高度一致。

②每台截断机上料台之间设置2m高防护，并配置上料台检修空间。

③每台机单独配置防护门，当防护门打开，上下料桁架机械手禁止进入此机台区域，而人员按正常操作流程进入防护内进行维修操作时，机械手能够停止移动，既保证人身安全，又不影响其他机台运转。

④当上下料桁架机械手移动时，抓手上有警示灯进行声光警告提示。

⑤桁架操纵台配置安全急停开关，且每台设备附近有急停拉手，保证任何情况先急停。

⑥上下料桁架机械手的抓手电机带抱闸，确保断电或急停电机抱紧不会掉棒。

（2）其他安全措施

①所有设备HMI上均设置safetymap页面，用于实时显示安全机构安全部件的功能状态。安全门禁、安全光栅、防护门实际位置与safetymap页面点位一一对应，触发位置在safetymap中高亮显示。

②设备水、电、气安全可靠，所有高温高压水、电、运动部件等危险源设有危险警告标识、颜色标识、声色报警等安全装置。

③设备安全标识齐备，安全防护系统防护完善无缺口，所有自动化部分设置安全防护网，人机交互区域设置光栅及安全防呆措施，触发后相应区域自动化设备停止运行；人员活动区域设置急停开关，在 操作工位2m范围内设有一个急停按钮，急停按钮距地安装范围达0.8～1.6m。

④防护网孔隙直径不超过20mm；防护网间、防护网与设备间缝隙不大于100mm，传输线防护网高度不低于1.5m，上下料桁架机械手防护不低于2m，使人员不易翻越、防护网外头手无法伸入，以及高空物体不掉落网外。

⑤设置区域隔离网，在保证安全的前提下减少区域间干涉，提升生产效率。

⑥安全门配备安全插销、操作盒（包含但不限于急停按钮、带灯请求进入按钮、带灯启动按钮，复位按钮）。人员进入安全门区域需先点击请求进入按钮，对于联动工位，需待此次联动完成后，设备处于安全工位或停机之后，人员方可进入；人员出安全门，点击复位按钮确认启动后才能再次运行设备。

⑦所有自动化设备在急停装置按下后切断安全回路，停止所有动作并保持停止状态；机器人、机械臂与安全门禁、安全光栅、防护门系统保持联动状态，安全区域内部所有自动化设备在安全门开启状态下必须立即停止，设备设置刹车延时0ms，并保持停止状态。