太阳电池智能制造人才实训平台的搭建研究

周子琼，张 宇，刘 杰

(湖南红太阳光电科技有限公司，长沙 410013)

0 引言

在新型冠状病毒肺炎(下文简称“新冠肺炎”)疫情和线上教学飞速发展的双重背景下，为加大制造业与互联网的融合发展，太阳电池行业数字化车间领军企业联合各相关专业院校开展了线上培训课程，搭建了集教学、培训、设计、研发及实践为一体的智能制造类“新工科”人才实训平台——太阳电池智能制造人才实训平台，旨在通过线上培训的方式扩大行业影响力，吸引相关专业的在校学生及想要深造的从业人员进行线上实训，为行业吸引并培养更多具备专业知识和素养的人才，同时也为人才对接市场和企业开辟实训通道，进一步深化产学研融合、协同育人的概念，支持国内智能制造产业的发展。本文以智能制造相关理论为主体，对太阳电池智能制造人才实训平台的设计方案及搭建进行了介绍和研究，并通过真实案例的现场模拟实习对该太阳电池智能制造人才实训平台的效果进行了验证。

1 太阳电池智能制造人才实训平台的设计方案

太阳电池智能制造人才实训平台以智能制造的相关理论为主体，探索智能制造实训的人才培养体系。实训内容主要围绕高效PERC太阳电池的生产工艺、智能设备、自动化设备、通信技术、信息技术及其相关知识展开，培养实训人员的太阳电池智能设备及相关软件的操作能力、智能制造车间及相关软件系统的设计开发能力，以及生产现场的实践能力。太阳电池智能制造人才实训平台的设计方案如图1所示。

图1 太阳电池智能制造人才实训平台的设计方案Fig. 1 Design scheme of talent training platform for solar cell intelligent manufacturing

从图1可以看出，整个太阳电池智能制造人才实训平台分为3个阶段，分别为理论阶段、实训阶段和实习阶段。

1)理论阶段。该阶段采用在线教育平台进行实训，主要是为实训人员提供学习高效PERC太阳电池的生产工艺、智能制造的理论知识。该平台包括知识资源池、在线培训、人才素质评估，以及针对太阳电池行业的人才监测数据等模块。

2)实训阶段。该阶段采用实训平台，主要是通过对智能设备、自动引导车(Automated Guided Vehicle，下文简称“AGV小车”)和机器人等自动化系统、数字化系统的实操及调试，达到理论与实践结合的效果。

3)实习阶段。该阶段为现场模拟实习，主要是通过对高效PERC太阳电池智能制造的真实场景或项目的模拟实训操作，将理论性的人才培养成理论与实践应用相结合的双向型人才，为向行业输出人才做好储备。该阶段模拟实训的具体内容包括整体方案、虚拟仿真、自动化应用、数字化应用、流水线安全。

2 在线教育平台建的搭研究

在线教育平台将依托现有的高效PERC太阳电池智能制造车间，根据车间对工艺、自动化、互联网、信息化、人工智能等人才实践训练时的要求及车间产品的设计、研发需求进行搭建，主要围绕工艺流程、智能制造理论等开展在线教育。

高效PERC太阳电池智能制造车间主要是用于高效PERC太阳电池的生产，该类电池的生产工艺流程如图2所示。图中，绿色框代表工艺设备；黄色框代表自动化环节；白色方形框代表在线检测系统；白色菱形框表示在线检测设备对产品生产过程中的工艺值进行实时监控，并对不合格产品截留，进行返工或向另一个通道放行进行单独处理。

图2 高效PERC太阳电池的生产工艺流程Fig. 2 Production process flow of high efficiency PERC solar cell

通过将经典的智能制造知识与企业的实践操作相结合，构建知识资源池。可根据岗位技能、专业特点等提供丰富的教学资源，如提供数字化建模、自动化设计、机器人控制、三维仿真、网络规划设计、维护信息安全、软件开发平台搭建、数据库软件操作等内容，教学方式包括教学视频资料、实训手册、引导式教学材料和相应案例库等内容，同时提供在线培训、过程考核、科目考试、答疑互动等。另外，在线教育平台基于产业技术架构及企业的实际用人需求，针对重点岗位建立人才评估模型，从综合能力、专业知识、技能能力、工程实践能力等4个方面对人才素质进行评估。

3 实训平台的搭建研究

实训平台的搭建主要包括4个方面，分别为智能设备、自动化系统、数字化系统，以及进行平台实训。

3.1 智能设备

以高效PERC太阳电池生产制造过程中最具代表性的工艺设备—— 管式PECVD设备为例。通过设备内的多种传感器，可实现自我感知、实时监控设备内部的各项参数，并提供预警提示，可将报警信号传输至生产制造执行(MES)系统中。同时，车间内与工艺设备对接的自动化设备需要进行自动上下料控制系统的开发与应用，突破解决上、下料机械手的总体方案设计、结构设计、通信网路衔接，以及与扩散软件系统衔接等主要关键问题。工艺设备采用集中式数字控制系统，通过平板工业控制计算机组合下位PLC模式来实现对单管系统工艺参数的控制，包括对电机、温度传感器、质量流量计和电磁阀等进行组合逻辑控制，使设备安全、稳定、高效地运行。

3.2 自动化系统

自动化系统综合运用六轴工业机器人、桁架机械手对花篮进行工序上、下料搬运，配合AGV小车保障生产节拍。工序间共有2种花篮作为生产流片的传输载体，花篮与工艺设备通过载具映射关系转换每个加工硅片的信息，便于工艺流程的监控和可追溯性。机械手通过定制化的夹具夹取花篮传送到工艺设备的上、下料口，为保证上、下料的准确性，需要加装多个位置信号传感器。

整个自动化系统通过调度系统管控，AGV小车后台的智能调度(RCS)系统负责整个AGV小车的平衡调度，并以此衔接各工序工作站的物料。RCS系统通过AGV小车内置设备获取小车的运行状态及故障信息，同时可对AGV小车进行控制。

3.3 数字化系统

实训平台的数字化系统设计主要包括平台无线网络、数据采集与监控(SCADA)系统、MES系统等的设计。

实训平台无线网络需要配置无线AP接入点，实现对设备、自动化系统、人员等在内的网络全覆盖的设计。

实训平台针对高效PERC太阳电池的生产工艺特点，对生产车间的生产、设备、工艺、质量等数据进行集中采集，并通过Webservice实时传递至MES系统；同时MES系统反馈生产任务执行情况、设备参数等信息，实现生产进度、生产绩效的及时更新，实现对车间计划、生产流程、设备运行、物料消耗、能源消耗、产品质量的信息化统一管控。

3.4 进行平台实训

实训平台的实训方式包括情景教学、案例教学、项目教学等；同时，根据实训对象及层次的不同，设置不同的实训内容。实训平台的实训内容如表1所示。

表1 实训平台的实训内容Table 1 Training content of training platform

4 现场模拟实习的建设研究

运用PERC太阳电池生产企业现有的高效PERC太阳电池智能制造车间，为实训人员提供接触真实生产场景的条件，进一步增加对智能制造车间的布局、机器人系统的集成应用、AGV小车的调度等自动化技术及信息化技术的认识和实践。

现场模拟实习主要包括以下5个方面的内容：

1)智能制造车间的整体方案规划设计及仿真。参考高效PERC太阳电池智能制造车间的规划，要求实训人员以车间总体产能要求、工艺设备及自动化设备的产能等作为设计的输入条件，进行工装夹具设计、工艺生产节拍的设计，并对AGV小车、自动化设备等进行选型，以满足车间对工艺路线、生产节拍、产能等的要求。

2)初步掌握软件虚拟仿真技术。运用先进的虚拟仿真技术，对智能制造车间的设备、生产节拍、自动化方式、物流传输等进行系统仿真和优化，进一步验证设计方案的可行性。

3)AGV小车的认知及应用。通过智能制造车间的总体布局和AGV小车及物料传输系统的基本组成，学会根据产能要求及工艺设备的布局来合理设计AGV小车的数量、规划运行路径及网络。

4)数字化系统的设计及开发。通过实习的方式，参与SCADA、MES、能源管理系统(EMS)、厂务监控系统(FMCS)、综合可视化系统等的调研、设计、开发及实施，学习智能制造生产相关的计划、质量、设备、人力、物流、成本等业务对象，掌握数据的存储与处理、信息安全防护体系的构建。

5)掌握流水线安全设计的基本方法。作为流水线的核心部分，智能物流传输系统涉及到机器人、AGV小车及各种物料传输线等部件，由于部件的运动速度快、动作复杂，安全设计必须从硬件和软件等方面考虑，一旦出现安全事故，流水线应能够立刻切断电源。

5 结论

本文介绍了综合应用自动化技术、信息技术、通信技术和仿真技术等设计的太阳电池智能制造人才实训平台。太阳电池智能制造人才实训平台共包括3个阶段：第1阶段通过在线教育平台构建知识资源池，实现了对实训人员的在线教育、人才分析和素质评估；第2阶段通过实训平台对实训人员进行智能设备、自动化系统、数字化系统等实训，提高实训人员的经验知识、综合技能和实践能力；第3阶段为现场模拟实习，通过现场模拟实习深化了解车间的真实运作模式，培养了实训人员解决实际问题的能力。通过太阳电池智能制造人才实训平台的建设，可以有效解决行业人才短缺的问题，为整个行业的智能化发展提前储备人才队伍，培养真正适应智能制造背景的高素质、高实力、高技能的实用型前沿人才。