基于C#的光伏电池机器人排版系统

刘良斌，王瑶茜，赵自鹏

基于C#的光伏电池机器人排版系统

刘良斌，王瑶茜*，赵自鹏

（湖南工业职业技术学院 电气工程学院，湖南 长沙 410208）

针对光伏电池串排版中需要解决光伏电池串串焊后在传送带上存在位置偏差、摆放至基板后光伏电池位置需要微调、传统桁架式排版机故障率高、调试难度大、占用生产时间等问题，提出机器人代替桁架式排版机的解决方案。方案通过RobotStudio仿真软件，设计了一个仿真工作站。工作站中，定位相机对传送带上的光伏电池串定位，引导IRB1300机器人将电池串抓放至基板；纠偏相机对基板上的电池进行定位，并通过IRB920机器人对电池进行纠偏。为了验证机器人对存在位置偏差的电池抓放，采用IS2000-230定位光伏电池，实时更新仿真工作站中光伏电池的位置。同时，开发了基于C#开发上位机系统，实现对机器人系统的监控和实时调整。该方案通过可靠性高的工业机器人实现电池串的排版和纠偏，能降低系统的整体故障率，提高可靠性。

光伏电池串；上位机；机器人；排版系统

为了应对全球变暖的问题，我国提出了在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的策略。发展光伏电池产业，是实现碳达峰和碳中和的破局之举。目前，电池板的搬运仍有很多是手工操作，特别是上下料的时候，工作强度很大。为了适应产业的发展，亟须对产业进行转型升级。

工业机器人在码垛工作站的应用上有很多经典案例，但对于如何通过工业机器人实现产品排版的文献较少[1]。因自动串焊机在焊接后，光伏电池串会出现位置的偏差，需通过自动排版机对光伏电池串进行排版和纠偏。一台自动排版机可以对应两台自动串焊机[2]。传统光伏排版解决方案一般采用桁架式排版机，该方案存在设备部件多、调试时间长、故障率高、占用生产时间等问题，工业机器人为标准产品，单机的可靠性高[3]，采用工业机器人替代桁架式排版机优势明显。在设计中，可以通过RobotStudio等仿真软件对工作站进行验证[4]。

本文通过RobotStudio仿真软件搭建了一个光伏电池串的搬运工作站，通过视觉引导，实现机器人对电池串的定位[5]，并通过工业机器人对物料的装盘功能。开发上位机软件，对机器人的装盘情况进行设计。

1 系统构成

光伏电池在经过焊接过程后，需要通过相机对电池串进行定位，并通过机器人抓取至电池串摆放工位的基板上。摆放过程中存在电池位置的偏差，需要通过纠偏相机实现对焊接后的光伏电池板进行修正。本工作站中，焊接后的电池串由两条传送带输送至机器人两侧。每条传送带有一台电池串定位相机、一台电池片纠偏相机，实现光伏电池串、电池片的定位功能。相机将识别到的坐标、角度信息，传输给可编程序控制器（Pro- grammable Logic Controller, PLC），经计算后，PLC将抓取的坐标发送给机器人。上位机可以实时对设备运行情况进行监控，对于异常情况可以进行实时处理。其中，PLC选用西门子公司的S7-1511- 1PN；相机采用康耐视公司的In-Sight 2000系列智能相机IS2000-230；电池串抓取机器人选用ABB公司的IRB1300；电池纠偏机器人选用ABB公司的IRB920。设备关系如图1所示。

图1 设备关系图

2 机器人工作站的搭建

参照桁架式排版机，以一台机器人搭配两台光伏电池串焊机为标准，搭建机器人光伏电池工作站。工作站包括光伏电池串搬运工位和视觉定位工位，光伏电池排版工位配备1台ABB公司的IRB1300机器人，每个传送带配备1台康耐视公司的IS2000-230智能相机。相机对传送带上的电池串进行定位，机器人通过多吸盘工具，将光伏电池串搬运至转运板上。

图2 机器人光伏电池串搬运工作站

电池串纠偏工位分为定位和调整两个功能。定位功能由两台康耐视公司的IS2000-230智能相机对转运板上的电池片进行定位，确定光伏电池串的坐标和角度信息。并通过两台SCARA机器人进行角度纠偏，其中两台机器人为ABB公司的IRB920机器人构成。工作站示意图如图2所示。

3 光伏电池串定位

3.1 视觉系统设计

光伏电池串在焊接后，会有位置和角度的偏差，如果不对电池串进行定位，机器人的吸盘可能会抓空，故需要通过视觉系统对光伏电池串进行定位。本文采用康耐视公司的智能相机实现，型号为IS2000-230，该相机为灰度相机，可以识别物料的位置，并能通过格式化输出，将光伏电池板的坐标通过PLC发送至机器人仿真工作站。

一个光伏电池串由9片电池组成。可以使用康耐视公司in-sight浏览器的“图案（0－10）”工具对太阳能电池板进行定位，该工具可以对检测到的电池分别定位，传送带的高度为固定值，即高度为0，旋转角度均为围绕电池串中心的轴旋转，如图3所示。定位后的坐标和角度通过profinet协议，将每个电池的坐标和偏转的角度传输给PLC。例如：第一片光伏电池在没有发生位置偏移和旋转时的标定点，其坐标为295、坐标为272、角度为0°。经过相机定位后（取一位小数），实际坐标为297.1、坐标为272.2、角度为0.0，如图4所示。故机器人相对标定点的坐标为Δ=2.1、Δ=0.2、Δ=0。

图3 相机对电池的定位的结果

图4 单片电池定位后得到的相对坐标和角度

3.2 仿真工作站光伏电池串位置调整

本文通过真实康耐视相机，对光伏电池串进行定位，将定位后的坐标传送至机器人仿真工作站中，以实现真实模拟机器人正确抓取物料的过程。

仿真工作站中的电池串根据相机的坐标和角度值，自动调整位置。为了实现此功能，首先通过RobotStudio仿真软件，建立一个smart组件，添加RapidVariable、Positioner两个smart功能模块获取位置和角度信息。组件通过“gets”变量使能，当该变量为1时，组件自动获取机器人控制器得到的位置变量和角度变量。以上文中相机获得的第一个光伏电池坐标、角度为例，smart组件的设计如图5所示。仿真工作站中的电池串位置调整前后如图6所示。

图5 定位smart组件

图6 仿真工作站中电池根据相机数据更新

4 上位机开发

上位机通过C#软件实现桌面应用程序的开发。按照项目需要，需要开发实现对机器人轴关节数据的监控、日志的监控、物料摆放规划等功能。需要开发的功能如图7所示。

图7 需要制作的功能模块

4.1 启动与监控功能模块设计

启动与监控功能模块包含刷新获取虚拟控制器、登出控制器、判断机器人手/自动模式、启动IO是否满足、启动位置是否安全、启动或停止机器人、电机上电、程序指针复位、设置程序指针、设定机器人速度的功能，主要做机器人基本控制，如图8所示。

图8 启动与监控功能模块

4.2 电池串位置微调模块设计

功能模块包含获取更新目标点的pPlaceBase3的大地坐标、欧拉角坐标、wPlace工件坐标的数据，修改目标点pPlaceBase3的大地坐标、欧拉角坐标和wPlace工件坐标的数据，主要作用是方便对单串的位置进行修改，以及对版块的整体移动更加便捷，如图9所示。

图9 电池串位置微调模块

4.3 生产数据监控模块设计

本功能模块包含获取机器人运行过程中的程序数据、通过程序数据对生产的过程进行监控、显示当前北京时间、实时查看时间对数据的影响、实时显示机器人运行速度、显示生产目标、显示排版良率、实时更新产量统计等，如图10所示。

图10 生产数据监控功能模块

4.4 检查记录模块设计

本功能模块包含日常点检、定期点检、创建检查报告文档、存储“txt”日检报告检查记录文档到电脑任意位置、记录开机时间、定检间隔日期。主要作用是提醒管理员、操作人员进行开机前检查。达到预防维护提高生产效率的作用，如图11所示。

图11 预防维护功能模块

4.5 机器人日志监控模块设计

本功能模块包含获取当前工作站前15条事件日志功能，并实时刷新，方便管理员在软件上对机器人实时状态进行监控，如图12所示。

图12 事件日志功能模块

4.6 机器人信息监控模块设计

如图13所示，本功能模块包含：

图13 机器人信息监控模块设计

1）获取机器人选项功能，可以更加直观地查看机器人具有哪些选项、缺少哪些选项、机器人运行过程中使用的语言、还有机器人的具体型号、载重和工作范围。

2）获取机器人运行时长信息功能，可以查看机器人的使用时间，上次服务后的生产时间，可以直观地看到机器人的生产时间从而达到防止机器人过度使用。上次开机时间可以查看本次生产的时间，显示主机中央处理器温度，可以预防温度过高，并及时采取降温措施。

4.7 光伏电池串排版模块设计

根据产线上生成的光伏串长宽尺寸，自动匹配模板库中电池串的摆放方式，自动生成新的RAPID程序目标点位，新的排版顺序，实现自动排版功能，如图14所示。

图14 光伏电池串排版模块

5 设备之间的通信

设备之间的通信方式，采用SOCKET通信实现。在通信配置中，PLC作为服务器，上位机、机器人、相机均作为客户端。下面以PLC与机器人通信为例，说明通信方法。

5.1 PLC端程序的编写

PLC需要通过TSEND_C和TRCV_C两个功能模块实现发送和接收数据。示例程序如图15所示。

5.2 机器人端程序的编写

机器人需要开通616-1 PC Interface（通信功能）[6]和623-1 Multitasking（多任务）这两个功能模块才能实现通信。配置机器人的系统功能，设置机器人的IP。机器人端的程序示例如下：

6 总结

光伏电池焊接成电池串后，在传送带上，会与预期位置存在一定的位置偏差，为了保证机器人摆放位置的准确性，使用康耐视公司的IS2000- 230智能相机对光伏电池串进行定位。采用IRB 1300机器人对电池串进行排版，IRB920机器人对电池串进行纠偏。同时，针对项目需求，开发了上位机，并能通过上位机对光伏电池串搬运情况进行实时监控。可以实现光伏电池串的自动摆放与排版功能。将机器人代替自动排版机，能够大大降低光伏电池串在生产过程中设备的故障率，提高设备的可靠性。

[1] 嵇朋朋,窦艳艳.基于ABB机器人工作站芯片产品排序实现方法研究[J].焦作大学学报,2019,33(2):80-83, 93.

[2] 钟青山.台达机电产品在太阳能电池串自动排版机上的应用[J].电器工业,2016(1):74-76.

[3] 席云飞,吴双,徐健,等.基于多垛型位置算法的码垛系统设计[J].制造业自动化,2020,42(3):63-67.

[4] 蒋庆磊,聂永涛,郇新.基于RobotStudio的工业机器人自动化生产线仿真的研究[J].汽车实用技术,2019, 44(18):177-179,198.

[5] 姜利.基于机器视觉的光伏电池片位置误差检测系统[J].机械制造与自动化,2021,50(3):197-199.

[6] 苏宇,刘海燕,李国勇.基于PC-Interface的机器人平面作业点快速定位系统研究[J].制造业自动化,2023, 45(3):179-182.

A Photovoltaic Cell Robot Typesetting System Based on C#

LIU Liangbin, WANG Yaoxi*, ZHAO Zipeng

( Department of Electrical Engineering, Hunan Industry Polytechnic, Changsha 410208, China)

In order to solve the problems in the series typesetting of photovoltaic cells, such as the position deviation of photovoltaic cells on the conveyor belt after series welding, the position of photovoltaic cells after placing on the substrate needs to be fine-tuned, the high failure rate of traditional truss typesetting machine, the difficulty of debugging, and the occupation of production time. This paper proposes the solution of robot replacing truss typesetting machine. RobotStudio simulation software is used to design a simulation workstation. In the workstation, the positioning camera positioned the photovoltaic cell string on the conveyor belt, and guided the IRB1300 robot to grab the battery string and put it on the substrate; The correction camera locates the battery on the substrate, and the IRB920 robot corrects the battery. In order to verify the robot's grasp and release of batteries with position deviation, IS2000-230 is used to locate photovoltaic cells and update the position of photovoltaic cells in the simulation workstation in real time. At the same time, the upper computer system based on C# is developed to realize the monitoring and real-time adjustment of the robot system. The scheme realizes the typesetting and correcting of battery string by the industrial robot with high reliability, which can reduce the overall failure rate and improve the reliability of the system.

Photovoltaic cell string; Upper computer; Robot;Typesetting system

TP24

A

1671-7988(2023)21-120-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.025

刘良斌（1988－），男，硕士，讲师，研究方向为路径规划、工业机器人，E-mail:liuliangbin@126.com。

王瑶茜（1983－），女，硕士，讲师，研究方向为软件工程，E-mail:14200100@qq.com

湖南省自然科学基金（2022JJ60035）。