智能自動運(yùn)輸機(jī)器人在光伏生產(chǎn)中的應(yīng)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(yùn)輸機(jī)器人IGV的發(fā)展現(xiàn)狀、在光伏生產(chǎn)中應(yīng)用以及與自動化設(shè)備對接的運(yùn)行路線，IGV系統(tǒng)的主要組成元件以及智能調(diào)度平臺的運(yùn)行模式，提出了IGV對光伏發(fā)展的重要性以及 IGV在推廣和實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題。通過多方面的優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)了IGV在光伏行業(yè)的推廣，是實(shí)現(xiàn)光伏智能制造的重要環(huán)節(jié)。

[關(guān)鍵詞]智能運(yùn)輸;機(jī)器人;5G網(wǎng)絡(luò);自動化;調(diào)度系統(tǒng)

[中圖分類號]TH12 [文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)內(nèi)大范圍興起，也使得智能制造產(chǎn)業(yè)取得了飛速發(fā)展，作為智能物流核心設(shè)備之一的移動搬運(yùn)機(jī)器人IGV近年來呈現(xiàn)了爆發(fā)式的增長。IGV主要在精度、安全性、柔性、環(huán)境適應(yīng)性等方面實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步提升，已成為光伏行業(yè)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(dǎo)運(yùn)輸車。IGV是最近幾年提出的新概念。和傳統(tǒng)AGV（Automated Guided Vehicle）相比較，IGV柔性化程度更高，無需借助任何固定標(biāo)記物行駛，并且路徑靈活多變，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求靈活調(diào)度。IGV適用于柔性化要求更高的場合，在滿足常規(guī)搬運(yùn)功能的基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)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(yùn)輸機(jī)器人IGV的發(fā)展現(xiàn)狀，在光伏生產(chǎn)中應(yīng)用以及與自動化設(shè)備對接的運(yùn)行路線，系統(tǒng)的主要組成元件以及智能調(diào)度平臺的運(yùn)行模式，然后介紹了IGV對光伏的發(fā)展的重要性以及IGV在推廣和實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題。

1 設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

硅光伏電池的生產(chǎn)線屬于分散式布局，設(shè)備單機(jī)擺放互不連接，在引進(jìn)IGV智慧型引導(dǎo)運(yùn)輸車之前，設(shè)備之間產(chǎn)品的傳遞依靠人工推車完成各工藝點(diǎn)間的運(yùn)送，各工序各設(shè)備之間人員密集流動，容易出現(xiàn)跳站等影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題，且此方式用工量大，管理復(fù)雜繁瑣，是一種低效、密集型生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)的問世，在理論上會給光伏行業(yè)的設(shè)備管理提升一個層次，實(shí)現(xiàn)智能化、無人化工廠，引入5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，實(shí)現(xiàn)了IGV的應(yīng)用，引入機(jī)器人代替人工完成運(yùn)輸同時(shí)利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)的上傳，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工廠智能化管理。其難點(diǎn)是機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)的完善、與主體設(shè)備對接的精度和機(jī)器人通訊的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，5G網(wǎng)絡(luò)的問世給IGV智能自動運(yùn)輸機(jī)器人提供了強(qiáng)有力的網(wǎng)絡(luò)支持，更好地搭建了光伏自動化設(shè)備的平臺，實(shí)現(xiàn)了光伏全智能車間[1]。光伏車間生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

2 IGV在光伏設(shè)備中的運(yùn)行路線

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

圖2主要為IGV小車與設(shè)備對接的運(yùn)行軌跡，涵蓋了車間11臺主要設(shè)備的上下料之間對接，實(shí)現(xiàn)了全車間以IGV為載體進(jìn)行全自動傳送，同時(shí)將小車從調(diào)度中區(qū)分為幾個區(qū)域獨(dú)立循環(huán)，以提升IGV的調(diào)度效率，通過以上方式保證24h不間斷工作的同時(shí)減少車間15%～20%的人工，極大提升了產(chǎn)線的工作效率，同時(shí)IGV小車的推廣應(yīng)用也是實(shí)現(xiàn)智能化工廠的重要環(huán)節(jié)。

3 IGV運(yùn)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(hù)，要求在運(yùn)行中自主規(guī)劃路徑，自主避障，自主繞行，前部機(jī)械式防撞安全防護(hù)。主動避障通過多個激光或超聲波雷達(dá)感應(yīng)，其中兩側(cè)輔助激光可檢測270（°）/4 m范圍內(nèi)障礙物，前方主激光可以探測到220（°）/30 m范圍障礙物，后側(cè)超聲傳感器可以向后方探測60（°）/10 m范圍內(nèi)近地面障礙物，調(diào)度系統(tǒng)同時(shí)兼容MES、MCS等[2]。IGV小車的主要構(gòu)成元件如圖3所示。

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

圖3中IGV的幾個重要原件：操作屏人機(jī)界面滿足現(xiàn)場人員操作控制小車，通過紅外光電的檢測由數(shù)碼管直觀顯示出來目前小車的帶料情況;對位相機(jī)的目的是保證機(jī)器人和自動化設(shè)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(yùn)行過程中對環(huán)境進(jìn)行檢測配合防撞條保證機(jī)器人運(yùn)動路徑的安全性;接抱閘接口保證機(jī)器人在斷電情況下處于抱死狀態(tài)防止掉電后可能的機(jī)器人重力原因移動進(jìn)而造成的產(chǎn)品或人員傷害。

4 IGV運(yùn)輸小車智能調(diào)度平臺

大規(guī)模智能調(diào)度系統(tǒng)，搭載硅片追溯系統(tǒng)可精確到單片追蹤;通過大數(shù)據(jù)分析、5G網(wǎng)絡(luò)的快速聯(lián)網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)化多系列IGV，完美應(yīng)對干、濕花籃，堆疊料盒承載原料片等各種產(chǎn)品類型;通過高靈敏激光雷達(dá)+視覺定位，滿足高精度對接要求;增加了安全特性，機(jī)械防撞裝置+激光檢測+超聲波傳感器讓復(fù)雜工況場景下的每一次搬運(yùn)任務(wù)都能安全完成;可自帶FFU/HEPA，滿足高潔凈度的工藝品質(zhì)要求[3-4]。

圖4為IGV小車的調(diào)度和信號的對接流程，調(diào)度和信號是保證小車正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，主要分為四部分：IGV機(jī)器人自動對接車間自動化設(shè)備，自動化設(shè)備通過OPC服務(wù)器向MCS發(fā)送的用車調(diào)度請求，調(diào)度計(jì)劃最優(yōu)路徑并依據(jù)此分配對應(yīng)機(jī)器人任務(wù)，IGV機(jī)器人自動執(zhí)行調(diào)度路徑并運(yùn)行。

圖5為IGV與機(jī)臺物料智能調(diào)度的流程，詳細(xì)地說明了機(jī)臺發(fā)出物料請購后的執(zhí)行情況，MCS系統(tǒng)為物流控制系統(tǒng)，在文中主要為電池片的控制運(yùn)輸。機(jī)臺發(fā)出物料請購后，MCS系統(tǒng)把需求進(jìn)行排隊(duì)，并根據(jù)IGV當(dāng)前的狀態(tài)選擇最合適的IGV，發(fā)送目標(biāo)機(jī)臺和IGV編號給RMS（調(diào)度自動化系統(tǒng)），通過RMS系統(tǒng)給指定的目標(biāo)機(jī)臺，IGV達(dá)到指定目標(biāo)機(jī)臺并與機(jī)臺建立無線通信，實(shí)現(xiàn)與機(jī)臺的物料傳送，對接結(jié)束后斷開通信，等待新目標(biāo)機(jī)臺任務(wù)或返回最近的暫存區(qū)等待。

5 場地適用性

IGV小車在光伏的應(yīng)用場景對地面有著嚴(yán)格的要求，常見的地面類型主要有環(huán)氧地坪、地板革（PVC材質(zhì)）或環(huán)氧魔石。三種地面各有優(yōu)勢，從價(jià)格和實(shí)用性來說一般選用環(huán)氧地坪，比較實(shí)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(chǎn);環(huán)氧磨石價(jià)格相對較高，使用的公司相對較少。3種常用地面的優(yōu)缺點(diǎn)分析見表1。

IGV智能機(jī)器人受地面平整度影響較大，如：地面起伏會使機(jī)器人在運(yùn)行過程中產(chǎn)生震動，將極大提高硅片在運(yùn)送過程中的損壞幾率，限制運(yùn)送速度的提高;在產(chǎn)線上下料口處地面的起伏則會使機(jī)器人和產(chǎn)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)度≥60 MPa。

（4）環(huán)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(wǎng)絡(luò)要求

調(diào)度系統(tǒng)需要通過無線網(wǎng)絡(luò)對機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，下達(dá)任務(wù)指令，機(jī)器人需要通過無線網(wǎng)絡(luò)接收指令并發(fā)送自身狀態(tài)。為了保證機(jī)器人與服務(wù)器和自動化設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，對無線網(wǎng)絡(luò)要求較高。通常機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)模塊兼容主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持2.4G，信號強(qiáng)度在-50 dB以上，基于5G網(wǎng)絡(luò)布局智能物料調(diào)度平臺視圖如圖6所示[5-6]。

無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求見表2。

從圖6、表2可見，IGV設(shè)備的運(yùn)行需要搭建無線網(wǎng)絡(luò)接收指令并發(fā)送自身狀態(tài)，基于5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展能更好地保障IGV對無線信號的要求，5G網(wǎng)絡(luò)框架的建立同時(shí)實(shí)現(xiàn)管理、報(bào)表以及能耗等大數(shù)據(jù)的輸出，實(shí)現(xiàn)光伏智能工廠數(shù)字化。

7 IGV應(yīng)用中遇到的問題和注意事項(xiàng)

目前市場上IGV技術(shù)在光伏中的應(yīng)用正處在快速發(fā)展階段，不同公司和廠家對小車調(diào)度系統(tǒng)會有不同的要求，需要人機(jī)互相適應(yīng)達(dá)到平衡，同時(shí)由于設(shè)備自動化的要求不斷提高，IGV搬運(yùn)與對接裝置密切配合才能完成。每臺工藝設(shè)備配置的自動化設(shè)備都需要預(yù)留安裝RFID（射頻識別系統(tǒng)）讀寫頭位置，具體安裝位置根據(jù)設(shè)計(jì)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(dǎo)向條和過渡輪等。MCS系統(tǒng)由組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)器、OPC接口等組成，實(shí)現(xiàn)了IGV的智能調(diào)度控制和狀態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)物料智能搬運(yùn)、物料數(shù)據(jù)信息傳遞、自動化機(jī)臺生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控、工序間生產(chǎn)物料自動協(xié)調(diào)及管控等功能。

（1）影響小車運(yùn)行的速率因素主要有：地面平整度、環(huán)境識別度、工藝時(shí)間調(diào)整、工藝路線調(diào)整、路線設(shè)計(jì)、機(jī)臺異常影響、AIGV系統(tǒng)異常、人員因素干擾。前期IGV匹配設(shè)備數(shù)量存在不確定性，預(yù)算時(shí)需要小車數(shù)量留有冗余空間，應(yīng)對各種突發(fā)情況，便于實(shí)現(xiàn)工廠滿產(chǎn)狀態(tài)。

（2）長期運(yùn)行問題：腳輪長期運(yùn)行容易造成地面臟污，需要定期維護(hù)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(nèi)衰減≤15%，滿電續(xù)航能力不小于8 h，能夠利用零星時(shí)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(wěn)定保護(hù)、異常斷電保護(hù)、無冒煙、起火、爆炸、充電對接打火等現(xiàn)象。

（4）軟件問題：由于需要對接不同廠家不同品牌的設(shè)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(shí)要避免設(shè)備切換過程中可能出現(xiàn)小車丟信息包，造成小車異常停機(jī)或過站錯誤。

（5）人機(jī)互動：個體調(diào)試工作較多，調(diào)試工作量較大，單機(jī)臺調(diào)試中小車誤差和自動化設(shè)備之間的誤差累積誤差增加，批量設(shè)備存在個體化差異，需要分析差異點(diǎn)，積累數(shù)據(jù)，持續(xù)優(yōu)化調(diào)試過程。

（6）IGV與自動化設(shè)備的匹配性：因?yàn)镮GV小車和自動化設(shè)備為不同廠家，需要提前確認(rèn)小車的對接需求，再要求自動化廠家適應(yīng)IGV對接規(guī)范，根據(jù)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(guī)范提前制定，交互規(guī)范要有明確的硬件交互需求和通訊協(xié)議等，以滿足對接過程要求。

（7）小車硬件選型：硬件品牌要優(yōu)先選用主流品牌，關(guān)鍵部件如電池品牌型號、激光元件品牌型號、電機(jī)品牌型號、驅(qū)動方式要明確規(guī)定，調(diào)度系統(tǒng)服務(wù)器穩(wěn)定，要軟件系統(tǒng)成熟，具備自動切換功能，5G網(wǎng)絡(luò)和Wi–Fi網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)可切換。

（8）服務(wù)：自動化OPC服務(wù)器盡量整合在機(jī)臺內(nèi)部，軟件遠(yuǎn)程可以調(diào)試，滿足不間斷生產(chǎn)的要求。

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

8 結(jié)論

光伏行業(yè)IGV智慧型引導(dǎo)運(yùn)輸車屬于新興產(chǎn)品。在光伏智能工廠普及自動化智能化設(shè)備的同時(shí)需要不斷的更新技術(shù)，適應(yīng)多品牌、多廠家的自動化設(shè)備，使設(shè)備間對接更靈活，網(wǎng)絡(luò)通信更快捷，通過實(shí)踐更大程度地挖掘出設(shè)備的潛力，優(yōu)化新設(shè)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(jī)器人配合MES系統(tǒng)最終會實(shí)現(xiàn)硅片WID單片跟蹤及追溯能力，搭載5G網(wǎng)絡(luò)使電池行業(yè)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

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