基于智能制造技術(shù)的智能機(jī)械制造工藝分析

洪哲成， 王亮亮

（1.浙江金貝能源科技有限公司， 浙江 杭州 311500； 2.浙江耀昇新能源有限公司， 浙江 杭州 311500）

0 引言

目前，我國連續(xù)多年光伏發(fā)電機(jī)、光伏產(chǎn)品的出貨量位居世界首位，在未來擁有巨大潛能，但同樣光伏產(chǎn)業(yè)存在很多方面的問題，如傳統(tǒng)光伏電池制造過程數(shù)字化程度較低、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量無法達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，給企業(yè)提升自身核心競(jìng)爭(zhēng)力帶來嚴(yán)重阻礙。因此，相關(guān)行業(yè)要提高對(duì)智能化技術(shù)的重視程度，合理利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造轉(zhuǎn)型，從而有效提高光伏電池產(chǎn)業(yè)的效率和質(zhì)量[1]。

1 智能制造概述

目前，在國內(nèi)還未給智能制造有統(tǒng)一定義，但政府部門提出描述性定義：智能制造是以智能技術(shù)為基礎(chǔ)，將智能技術(shù)應(yīng)用到所有制造環(huán)節(jié)，如生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、服務(wù)等，讓整個(gè)制造過程具有精準(zhǔn)控制自執(zhí)行、智慧優(yōu)化決策等，其擁有降低資源能源消耗、提高生產(chǎn)效率、縮短產(chǎn)品研究期限等優(yōu)點(diǎn)。從某方面來看，上述是通過描述智能制造的主要功能、核心技術(shù)、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)等，從不同方面來體現(xiàn)出智能制造對(duì)我國工業(yè)轉(zhuǎn)型的重要性，也能充分發(fā)揮智能制造在優(yōu)化光伏電池制造工藝方面應(yīng)有的價(jià)值[2]。

2 深度剖析光伏電池智能制造車間的總體架構(gòu)

光伏電池智能制造體系結(jié)構(gòu)主要包括生產(chǎn)管理層、過程控制層、決策支持層、系統(tǒng)集成層、智能裝備層等方面。從執(zhí)行制造、設(shè)備監(jiān)控來分析核心系統(tǒng)不同方面，合理利用智能化技術(shù)來構(gòu)建基于智能制造體系的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從底層設(shè)備到生產(chǎn)經(jīng)營的全方位管理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)日常信息溝通。

1）智能裝備層：智能化裝備作為整個(gè)智能車間的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其存在大量控制設(shè)備和通訊設(shè)備，如自動(dòng)化裝備、質(zhì)量檢測(cè)、工藝裝備等智能裝備。

2）生產(chǎn)管理層：其主要包括一種用于監(jiān)控、分析、優(yōu)化企業(yè)能源消耗的EMS 能源管理系統(tǒng)，號(hào)稱“生產(chǎn)計(jì)劃層與現(xiàn)場(chǎng)控制層連接橋梁”的MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)，以及負(fù)責(zé)企業(yè)原材料、半成品和成品的倉儲(chǔ)、運(yùn)輸與配送管理的倉儲(chǔ)物流管理系統(tǒng)。主要是對(duì)和生產(chǎn)車間有直接聯(lián)系的資源進(jìn)行管理，如人、環(huán)、料等資源。通過利用MES 技術(shù)，從不同方面來控制車間日常生產(chǎn)工作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間生產(chǎn)工作的精細(xì)化管理。

3）系統(tǒng)集成層：是以企業(yè)信息門戶平臺(tái)為核心，將企業(yè)OA 辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)、產(chǎn)品研發(fā)管理系統(tǒng)相結(jié)合，全面控制產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、財(cái)務(wù)、采購等[3]。

4）過程控制層：集中控制車間全部智能化設(shè)備，將所有設(shè)備運(yùn)行情況詳細(xì)呈現(xiàn)在工作人員面前，有利于工作人員及時(shí)處理報(bào)警事件，遠(yuǎn)程控制部分設(shè)備的日常運(yùn)行情況，確保設(shè)備運(yùn)行效率。

5）決策支持層：通過結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來構(gòu)建企業(yè)數(shù)據(jù)中心，從不同方面來分析底層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘潛在的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源，智能化質(zhì)量分析、設(shè)備分析、生產(chǎn)績(jī)效、業(yè)務(wù)職能分析、控制數(shù)據(jù)等流程，為管理層做出正確決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。

3 光伏電池智能制造車間的關(guān)鍵技術(shù)

將智能技術(shù)應(yīng)用到光伏電池制造中，讓光伏電池制造向智能化方向發(fā)展，有效提升光伏電池制造效率和質(zhì)量。以轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效為目的，通過合理利用數(shù)字化和自動(dòng)化技術(shù)，從不同方面來分析光伏電池智能制造車間建設(shè)過程中所需的關(guān)鍵技術(shù)，如車間全流程管控系統(tǒng)、車間物流自動(dòng)化、光伏裝備智能化升級(jí)等，將這些先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到光伏電池制造中，形成全新的光伏電池智能解決措施，有效提高行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力[4]。

3.1 裝備智能化升級(jí)技術(shù)

由于傳統(tǒng)制造技術(shù)在控制能力與傳感能力等方面存在一定的不足，無法完全滿足現(xiàn)代企業(yè)的實(shí)際發(fā)展需求，所以相關(guān)企業(yè)要提升對(duì)智能技術(shù)的重視程度，將智能技術(shù)和光伏電池生產(chǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光伏電池生產(chǎn)流程智能化升級(jí)。首先，提升光伏電池生產(chǎn)系統(tǒng)的信號(hào)感知能力。隨著智能技術(shù)的加入，衍生出各種傳感器，如溫濕度傳感器、位置傳感器、壓力傳感器等，能從不同方面來準(zhǔn)確感知設(shè)備運(yùn)行的基本情況，將所有數(shù)據(jù)建立成質(zhì)量檢測(cè)模型，來實(shí)時(shí)收集產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)；其次，提高光伏電池生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。通過設(shè)置自動(dòng)工藝控制系統(tǒng)和全自動(dòng)上下料系統(tǒng)，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備無人值守；最后，加強(qiáng)設(shè)備控制能力。智能技術(shù)有利于企業(yè)研究制造設(shè)備和數(shù)字系統(tǒng)集成通信連接口，通過合理利用RFID 技術(shù)來追蹤生產(chǎn)工藝，并將設(shè)備數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)組ES 系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收MES 所反饋的信息，精細(xì)化控制自身設(shè)備。

3.2 車間物流自動(dòng)化技術(shù)

目前我國使用最頻繁的是天然氣、石油、煤炭等不可再生資源。根據(jù)專業(yè)人員預(yù)測(cè)，我國現(xiàn)存石油儲(chǔ)備量只能用到本世紀(jì)中期，煤炭資源使用時(shí)間相比于其他能源而言，使用年限較長，但始終有用完那天，一旦不可再生資源消耗殆盡，會(huì)給人們?nèi)粘Ｉ顜矸浅?yán)重的影響。由于部分國企的光伏電池車間自動(dòng)化程度不足，多半采用人工物流傳輸或人工上下料等方式進(jìn)行生產(chǎn)，這種傳統(tǒng)生產(chǎn)方式根本無法確保生產(chǎn)的質(zhì)量，很容易給產(chǎn)品帶來嚴(yán)重污染，甚至?xí)绊懙疆a(chǎn)品信息數(shù)據(jù)。針對(duì)該種問題，工作人員要加強(qiáng)對(duì)智能化技術(shù)的重視程度，在車間物流流程充分融合自動(dòng)化技術(shù)，比如，將自動(dòng)化設(shè)備、AGV 小車、工業(yè)機(jī)器人和光伏電池生產(chǎn)相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)物流自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。在正常情況下，工業(yè)機(jī)器人通常應(yīng)用在復(fù)雜場(chǎng)所的上下料、設(shè)備物料信息轉(zhuǎn)換等方面；充分利用車間物流自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備，能恰到好處地滿足車間全生命周期生產(chǎn)的實(shí)時(shí)需求[5]。

3.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備之間的實(shí)時(shí)互聯(lián)與數(shù)據(jù)交換，提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度。比如，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)，降低設(shè)備故障率，提高生產(chǎn)效率。并幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的透明化，實(shí)時(shí)跟蹤原材料、半成品和成品的庫存信息、物流信息，從而優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃與庫存管理。同時(shí)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，可以及時(shí)解決供應(yīng)鏈中的問題，提高供應(yīng)鏈的整體運(yùn)行效率。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏電池生產(chǎn)過程中的能源消耗情況，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，為企業(yè)提供節(jié)能降耗的建議或方案，提高能源利用效率，從而，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的安全監(jiān)控，實(shí)時(shí)收集和分析設(shè)備、工藝、環(huán)境等方面的安全數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，保障生產(chǎn)安全。

3.4 車間全流程管控系統(tǒng)集成技術(shù)

3.4.1 車間業(yè)務(wù)流程分析

車間信息流程管控在光伏電池智能制造車間中具有至關(guān)重要的作用。管理層可通過ERP 系統(tǒng)發(fā)布生產(chǎn)訂單，包括訂單數(shù)量、產(chǎn)品規(guī)格、生產(chǎn)工藝等信息。生產(chǎn)訂單是車間生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)，為生產(chǎn)流程提供指導(dǎo)。執(zhí)行層根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)際情況，通過智能排版系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)訂單進(jìn)行優(yōu)化，自動(dòng)生成現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工單信息。實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)（如設(shè)備狀態(tài)、工藝質(zhì)量情況、能源消耗、生產(chǎn)進(jìn)度等），將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，識(shí)別生產(chǎn)過程中的異常情況，為生產(chǎn)流程提供實(shí)時(shí)的優(yōu)化建議，并對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行有效監(jiān)控與調(diào)整，確保生產(chǎn)計(jì)劃與實(shí)際生產(chǎn)情況的一致性。

3.4.2 系統(tǒng)集成接口設(shè)計(jì)

在光伏電池車間系統(tǒng)集成接口設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)了解光伏電池車間各個(gè)系統(tǒng)之間的功能需求（如數(shù)據(jù)傳輸格式、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)加密等方面的需求）。根據(jù)需求選擇合適的通信協(xié)議（如TCP/IP、HTTP、MQTT、Modbus 等），選擇通信協(xié)議時(shí)要考慮數(shù)據(jù)傳輸速度、可靠性、實(shí)時(shí)性等因素。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸格式時(shí)，應(yīng)保證數(shù)據(jù)的可讀性與可解析性，可采用JSON、XML、CSV等格式，并確保數(shù)據(jù)格式與通信協(xié)議完美兼容。由于光伏電池車間中涉及到的敏感數(shù)據(jù)和設(shè)備信息需要保護(hù)，因此在設(shè)計(jì)接口時(shí)，應(yīng)充分考慮數(shù)據(jù)加密與安全措施。比如，使用SSL/TLS 加密、數(shù)字簽名、訪問控制等方式來保護(hù)數(shù)據(jù)安全。與此同時(shí)，接口設(shè)計(jì)應(yīng)具備一定的錯(cuò)誤處理和容錯(cuò)能力，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理通信過程中的異常情況（如丟包、延遲、數(shù)據(jù)損壞等）。為了便于維護(hù)人員理解接口設(shè)計(jì)，還應(yīng)編寫詳細(xì)的接口文檔，包括接口功能、參數(shù)說明、示例代碼等。伴隨著系統(tǒng)的需求變化，也需要對(duì)接口設(shè)計(jì)進(jìn)行合理化調(diào)整，因此，可制定相關(guān)維護(hù)策略，確保接口設(shè)計(jì)要具有一定的擴(kuò)展性，能夠方便地添加新的功能。充分考慮不同系統(tǒng)間的兼容性，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫集成。故而，光伏電池車間系統(tǒng)集成接口設(shè)計(jì)需要綜合考慮需求、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸格式、數(shù)據(jù)加密與安全、錯(cuò)誤處理與容錯(cuò)機(jī)制、接口文檔與維護(hù)，以及兼容性與擴(kuò)展性等因素，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)間的高效、穩(wěn)定、安全的通信。比如，在管理系統(tǒng)當(dāng)中可充分利用Web Service接口來實(shí)現(xiàn)不同管理系統(tǒng)的信息交互、共享功能。

3.4.3 車間全流程集成管控體系

隨著智能化技術(shù)和行業(yè)不斷融合，逐漸普及到社會(huì)各領(lǐng)域，不同行業(yè)為滿足發(fā)展要求，選擇提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)力，如果仍然使用以往的方法和模式是無法滿足企業(yè)發(fā)展需求的。在信息化時(shí)代背景下，必須要引入適合企業(yè)發(fā)展的技術(shù)，以技術(shù)為基礎(chǔ)，將科技成果轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)力。伴隨行業(yè)內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)力愈演愈烈，必須要確保企業(yè)在技術(shù)上的領(lǐng)先地位，才能提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。因此，智能化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，智能化技術(shù)屬于一種綜合性較強(qiáng)的全新概念，并不是某一種單一型技術(shù)，實(shí)際上包含了控制學(xué)、管理學(xué)等方面的內(nèi)容，目前智能化技術(shù)與電氣工程自動(dòng)化控制更為密切，兩者已完成了各方面的深度融合。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，通過合理利用透明管理、全過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)基礎(chǔ)等管理方法，能對(duì)智能制造車間進(jìn)行全過程管控，使之成為一種系統(tǒng)化集成管理體系，融合多系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)互通等技術(shù)，使光伏電池智能化管控系統(tǒng)得到進(jìn)一步完善，并具備自動(dòng)化、柔性化等方面的功能優(yōu)勢(shì)，有利于收集數(shù)據(jù)資源、監(jiān)控資源、倉庫管理等方面數(shù)據(jù)，給企業(yè)智能化管理和生產(chǎn)帶來幫助，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

目前我國光伏新能源產(chǎn)業(yè)正面臨從高速發(fā)展到高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵階段，企業(yè)要合理利用智能化技術(shù)，來提升智能制造建設(shè)的效率，幫助企業(yè)推動(dòng)光伏電池智能制造建設(shè)可持續(xù)發(fā)展?；诖?，通過分析光伏電池不同方面，將轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效作為研究方向，利用自動(dòng)化技術(shù)來分析光伏電池智能制造車間建設(shè)過程中所需的關(guān)鍵技術(shù)，如車間全流程管控系統(tǒng)、車間物流自動(dòng)化、光伏裝備智能化升級(jí)等，將這些先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到光伏電池制造中，形成全新的光伏電池智能解決措施，從而提升電池生產(chǎn)效率，控制生產(chǎn)成本控制，進(jìn)而提高行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。