论文部分内容阅读
摘要：基于光伏电池制造数字化、网络化、智能化的需求，开展5G通讯技术的应用。介绍了5G智能化应用的总体架构，5G的网络架构，并且基于5G网络进行数据采集系统、AGV通讯和控制、高清视频监控、机器视觉质检、AR远程指导等智能化应用，解决传输速率慢、覆盖范围小、采集频率低、数据高延时等问题。实际应用效果表明，5G将进一步提高光伏电池制造的智能化和管理精细化，并且能够极大限度地降低企业的生产成本，提高光电的转换效率，实现提质、降本、增效的目标，可以推广到全球范围的光伏行业中。
关键词：光伏电池;5G;AGV;智能化应用
中图分类号：TM914.4+3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0222-02
0 引言
随着“智慧”理念的不断深入，光伏行业逐步与“大云物移”等新一代科学技术紧密地联系起来。在通讯技术的推动和支持下，我国的光伏发电产业将走向智能化时代。5G作为一种最新的通讯技术，在满足多元化智能车间的需求上，具有绝对优势。随着世界各国对5G的大力发展推动，未来五年将是全球光伏行业5G应用的重要转型期，也将成为我国光伏行业发展的历史性机遇期。光伏电池市场即将经历优胜劣汰，尤其是以“高效电池+5G+制造服务”为主的高端产品制造商，将逐渐淘汰规模小、不具备市场竞争力的中小生产制造商。与此同时，电池生产企业将对生产效率、残品率提出更高的要求，5G在光伏电池制造中的智能化应用需求将越来越广，是制造业向智造业的转变的一大助力。同时，5G对于数据采集的普及、大数据分析的发展、光伏电池片成本的降低都有极大的促进作用。
1 5G智能化应用总体架构
以光伏电池生产过程要素数据全程抓取为底层基础，以过程智能管理为处理手段，以透明化管理为最终目标，从而构建整体的5G智能化应用的业务体系。该体系的确立，从根本上把握5G的应用方向，该智能化应用所采用的总体架构如图1所示。
在该架构中，采用了两个支撑：5G网络支撑和大数据技术支撑，2个支撑有机结合，贯彻整个项目建设的始终。
1.1 5G网络应用
5G具有高宽带、高速度、广覆盖、低功耗、低延时、高可靠性等特征，能够为工业互联网提供网络基础。
利用5G网络的优势，光伏电池制造车间中的生产设备、AGV、传感器等将实现无缝连接，进一步打通生产制造环节，实现5G与智能制造的深度融合。
1.2 大数据分析技术应用
通过对生产过程中沉淀的信息资源进行搜集、整合、深度挖掘与应用，借助大数据分析技术，洞察光伏电池制造过程中存在的隐患和问题，并依据工艺数据、质量数据等总结内在发生规律，达到辅助生产优化决策的效果。利用大数据分析技术对机器视觉质检结果进行分析、设备故障原因分析、AGV调度算法优化等，从而实现光伏电池制造质量可预判处理、设备AR远程指导、AGV自学习等，从而达到整个车间生产制造过程的5G智能化应用。
大数据技术应用过程如图2所示。
2 5G网络架构
光伏电池制造车间的5G网络架构如图3所示。公司以外是运营商的核心网，公司基站的信令面接入到核心网，信令面指无线通信的SIM卡认证和鉴权等。
公司范围内包括三个部分：公司数据中心、车间内5G微基站、车间外的5G宏基站。5G微基站和宏基站用来实现5G信号的覆盖。
由于光伏电池制造车间数据的保密性，AGV将由本机控制，服务器也是本地化，无线网络主要用于调度系统对AGV的任务下达及AGV任务完成情况的反馈。时延要求在100ms左右，带宽5M，可靠性要求99.9%及以上。
3 数据采集系统
在光伏电池制造过程中，车间内的生产数据、质量数据、工艺数据、设备数据等信息量非常庞大，但又极其重要，能为电池的生产起到实时监控、及时运维、辅助决策等作用。5G在工业数据采集与监控中有着绝对优势，无论是传输速率、数据量，还是采集频率、采集实时性，都能满足对生产管理精细化的要求。
以500MW光伏电池车间为例，每天的产能约为30万片，每片电池在每台设备中的生产参数、检测数据、各类文件都需实时采集、分析和反馈，这样才能避免出现大批量的质量问题，也能为工艺参数的优化提供數据支撑。目前看来，只有5G网络能够满足这个要求。大连接、低时延的5G网络可以将车间内大量的工艺设备、检测设备、自动化设备、AGV、各类传感器等进行互联，在极短时间内将生产过程、检测信息等数据通过5G网络进行采集，并把采集的数据通过WebService接口传输至了MES、EMS等系统，实现数据的跨系统、全流程贯通，并为大数据分析提供数据基础。5G高速网络不仅能够提升生产数据采集的及时性，同时也为生产流程优化、能耗管理提供网络支撑。数据采集系统通过使用PFC-HK6系列工业采集网关，作为生产车间数字化的基础建设。系统整体采用自顶向下的设计，实现了对数据模型和业务模型的抽象。系统提供基于OPC、Modbus、Profinet工业标准协议的实时数据接口。该数据采集方式统一了各工业控制系统的底层接口，简化接口的复杂度，提高数据采集系统的灵活性和可扩充性。
4 AGV通讯和控制 在大多数光伏电池车间中，AGV主要与调度系统进行通讯，由于调度系统决策需要时间，可能造成大塞车，尤其是车间规模越大，投入AGV越多，塞车几率越高。另外，由于AGV在持续移动中，如果正跨越车间内两个或多个无线AP的交叉频段区域，会存在信号不稳定或通讯时间较长的情况，严重的话可能会导致AGV失联，影响人机合作的安全性和数据的完整性。在5G应用场景下，5G网络将充分发挥广覆盖、高带宽、低延时、高可靠性的优点，使得AGV网络无缝全覆盖，满足AGV之间的实时对话需求，实现车车协同，降低调度系统决策时延，减少信号的丢失率，提高通讯和调度效率。
在硬件方面，通过对AGV进行5G化研发设计，比如集成5G模组，支持快速更换5G模块，包括免拆卸、免定制、空间设计合理等，另外还要兼容多5G终端类型。
在软件方面，围绕AGV与服务器的整个通信时序进行分解，验证其每个子过程在5G网络下的表现是否有恢复机制。AGV与服务器的通信时序包括注册、信息校验、心跳实时数据、任务下发、交管申请、重定位、重连等。
5 高清视频监控
通过搭建车间5G网络，实现车间内5G网络全覆盖，根据环境条件、监控对象、维护保养以及监控方式等因素统筹考虑，主要监控生产工艺段人工操作以及机器人衔接部分。5G网络能保障海量视频图像的高分辨率、流畅稳定，并实时传输到数据中心和监控室，这样既保证了视频的实时性，又保证了无死角督导的安全性，为车间的实时监控和精细化管理提供支持。
6 机器视觉质检
在电池生产制造过程中，为了保证电池片质量，需要时刻监控，每道工序每个环节都会产生大量的生产数据需要处理，传统的生产模式中这些工作都是由操作员工来完成的。例如，由于测试分选机上的GP、HALM等数据量大，并且还包含很多图像信息，以500MW车间计算，每天至少有30万张图像，图像的利用价值不高，只能采用人工分选的方式。对人工的依赖性很高，准确率和分选效率也无法保证。通过部署5G网络，实时采集传输高清图像数据，通过大数据分析、自适应学习等技术手段进行质检，将结果反馈车间现场指导生产。同时，基于大量数据进行深度挖掘、质量缺陷分析，及时洞察生产过程中存在的隐患和问题，并总结业务过程內在发生规律，实现光伏电池制造质量可预判处理、工艺自决策优化。同时，车间节约的空间可进行更多工艺设备的布局，更进一步提升整个车间的产能。
7 结语
通过在光伏电池制造中应用5G网络，有效地解决了传输速率慢、覆盖范围小、采集频率低、数据高延时等问题;提高了光伏电池制造的智能化和管理精细化，提高了光电的转换效率，实现提质、降本、增效的目标。
参考文献：
[1]陆平，李建华，赵维铎.5G在垂直行业中的应用[J].中兴通讯技术，2019，25（01）：67-74.
[2]张云勇.5G将全面使能工业互联网[J].电信科学，2019，35（01）：1-8.
[3]陈亮，余少华.5G端到端应用场景的评估和预测[J].光通信研究，2019（03）：1-7.
[4]卢文辉.AI+5G视域下智适应学习平台的内涵、功能与实现路径——基于智能化无缝式学习环境理念的构建[J].远程教育杂志，2019，37（03）：38-46.
关键词：光伏电池;5G;AGV;智能化应用
中图分类号：TM914.4+3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0222-02
0 引言
随着“智慧”理念的不断深入，光伏行业逐步与“大云物移”等新一代科学技术紧密地联系起来。在通讯技术的推动和支持下，我国的光伏发电产业将走向智能化时代。5G作为一种最新的通讯技术，在满足多元化智能车间的需求上，具有绝对优势。随着世界各国对5G的大力发展推动，未来五年将是全球光伏行业5G应用的重要转型期，也将成为我国光伏行业发展的历史性机遇期。光伏电池市场即将经历优胜劣汰，尤其是以“高效电池+5G+制造服务”为主的高端产品制造商，将逐渐淘汰规模小、不具备市场竞争力的中小生产制造商。与此同时，电池生产企业将对生产效率、残品率提出更高的要求，5G在光伏电池制造中的智能化应用需求将越来越广，是制造业向智造业的转变的一大助力。同时，5G对于数据采集的普及、大数据分析的发展、光伏电池片成本的降低都有极大的促进作用。
1 5G智能化应用总体架构
以光伏电池生产过程要素数据全程抓取为底层基础，以过程智能管理为处理手段，以透明化管理为最终目标，从而构建整体的5G智能化应用的业务体系。该体系的确立，从根本上把握5G的应用方向，该智能化应用所采用的总体架构如图1所示。
在该架构中，采用了两个支撑：5G网络支撑和大数据技术支撑，2个支撑有机结合，贯彻整个项目建设的始终。
1.1 5G网络应用
5G具有高宽带、高速度、广覆盖、低功耗、低延时、高可靠性等特征，能够为工业互联网提供网络基础。
利用5G网络的优势，光伏电池制造车间中的生产设备、AGV、传感器等将实现无缝连接，进一步打通生产制造环节，实现5G与智能制造的深度融合。
1.2 大数据分析技术应用
通过对生产过程中沉淀的信息资源进行搜集、整合、深度挖掘与应用，借助大数据分析技术，洞察光伏电池制造过程中存在的隐患和问题，并依据工艺数据、质量数据等总结内在发生规律，达到辅助生产优化决策的效果。利用大数据分析技术对机器视觉质检结果进行分析、设备故障原因分析、AGV调度算法优化等，从而实现光伏电池制造质量可预判处理、设备AR远程指导、AGV自学习等，从而达到整个车间生产制造过程的5G智能化应用。
大数据技术应用过程如图2所示。
2 5G网络架构
光伏电池制造车间的5G网络架构如图3所示。公司以外是运营商的核心网，公司基站的信令面接入到核心网，信令面指无线通信的SIM卡认证和鉴权等。
公司范围内包括三个部分：公司数据中心、车间内5G微基站、车间外的5G宏基站。5G微基站和宏基站用来实现5G信号的覆盖。
由于光伏电池制造车间数据的保密性，AGV将由本机控制，服务器也是本地化，无线网络主要用于调度系统对AGV的任务下达及AGV任务完成情况的反馈。时延要求在100ms左右，带宽5M，可靠性要求99.9%及以上。
3 数据采集系统
在光伏电池制造过程中，车间内的生产数据、质量数据、工艺数据、设备数据等信息量非常庞大，但又极其重要，能为电池的生产起到实时监控、及时运维、辅助决策等作用。5G在工业数据采集与监控中有着绝对优势，无论是传输速率、数据量，还是采集频率、采集实时性，都能满足对生产管理精细化的要求。
以500MW光伏电池车间为例，每天的产能约为30万片，每片电池在每台设备中的生产参数、检测数据、各类文件都需实时采集、分析和反馈，这样才能避免出现大批量的质量问题，也能为工艺参数的优化提供數据支撑。目前看来，只有5G网络能够满足这个要求。大连接、低时延的5G网络可以将车间内大量的工艺设备、检测设备、自动化设备、AGV、各类传感器等进行互联，在极短时间内将生产过程、检测信息等数据通过5G网络进行采集，并把采集的数据通过WebService接口传输至了MES、EMS等系统，实现数据的跨系统、全流程贯通，并为大数据分析提供数据基础。5G高速网络不仅能够提升生产数据采集的及时性，同时也为生产流程优化、能耗管理提供网络支撑。数据采集系统通过使用PFC-HK6系列工业采集网关，作为生产车间数字化的基础建设。系统整体采用自顶向下的设计，实现了对数据模型和业务模型的抽象。系统提供基于OPC、Modbus、Profinet工业标准协议的实时数据接口。该数据采集方式统一了各工业控制系统的底层接口，简化接口的复杂度，提高数据采集系统的灵活性和可扩充性。
4 AGV通讯和控制 在大多数光伏电池车间中，AGV主要与调度系统进行通讯，由于调度系统决策需要时间，可能造成大塞车，尤其是车间规模越大，投入AGV越多，塞车几率越高。另外，由于AGV在持续移动中，如果正跨越车间内两个或多个无线AP的交叉频段区域，会存在信号不稳定或通讯时间较长的情况，严重的话可能会导致AGV失联，影响人机合作的安全性和数据的完整性。在5G应用场景下，5G网络将充分发挥广覆盖、高带宽、低延时、高可靠性的优点，使得AGV网络无缝全覆盖，满足AGV之间的实时对话需求，实现车车协同，降低调度系统决策时延，减少信号的丢失率，提高通讯和调度效率。
在硬件方面，通过对AGV进行5G化研发设计，比如集成5G模组，支持快速更换5G模块，包括免拆卸、免定制、空间设计合理等，另外还要兼容多5G终端类型。
在软件方面，围绕AGV与服务器的整个通信时序进行分解，验证其每个子过程在5G网络下的表现是否有恢复机制。AGV与服务器的通信时序包括注册、信息校验、心跳实时数据、任务下发、交管申请、重定位、重连等。
5 高清视频监控
通过搭建车间5G网络，实现车间内5G网络全覆盖，根据环境条件、监控对象、维护保养以及监控方式等因素统筹考虑，主要监控生产工艺段人工操作以及机器人衔接部分。5G网络能保障海量视频图像的高分辨率、流畅稳定，并实时传输到数据中心和监控室，这样既保证了视频的实时性，又保证了无死角督导的安全性，为车间的实时监控和精细化管理提供支持。
6 机器视觉质检
在电池生产制造过程中，为了保证电池片质量，需要时刻监控，每道工序每个环节都会产生大量的生产数据需要处理，传统的生产模式中这些工作都是由操作员工来完成的。例如，由于测试分选机上的GP、HALM等数据量大，并且还包含很多图像信息，以500MW车间计算，每天至少有30万张图像，图像的利用价值不高，只能采用人工分选的方式。对人工的依赖性很高，准确率和分选效率也无法保证。通过部署5G网络，实时采集传输高清图像数据，通过大数据分析、自适应学习等技术手段进行质检，将结果反馈车间现场指导生产。同时，基于大量数据进行深度挖掘、质量缺陷分析，及时洞察生产过程中存在的隐患和问题，并总结业务过程內在发生规律，实现光伏电池制造质量可预判处理、工艺自决策优化。同时，车间节约的空间可进行更多工艺设备的布局，更进一步提升整个车间的产能。
7 结语
通过在光伏电池制造中应用5G网络，有效地解决了传输速率慢、覆盖范围小、采集频率低、数据高延时等问题;提高了光伏电池制造的智能化和管理精细化，提高了光电的转换效率，实现提质、降本、增效的目标。
参考文献：
[1]陆平，李建华，赵维铎.5G在垂直行业中的应用[J].中兴通讯技术，2019，25（01）：67-74.
[2]张云勇.5G将全面使能工业互联网[J].电信科学，2019，35（01）：1-8.
[3]陈亮，余少华.5G端到端应用场景的评估和预测[J].光通信研究，2019（03）：1-7.
[4]卢文辉.AI+5G视域下智适应学习平台的内涵、功能与实现路径——基于智能化无缝式学习环境理念的构建[J].远程教育杂志，2019，37（03）：38-46.