劉良斌，王瑤茜，趙自鵬

基于C#的光伏電池機器人排版系統(tǒng)

劉良斌，王瑤茜*，趙自鵬

（湖南工業(yè)職業(yè)技術學院 電氣工程學院，湖南 長沙 410208）

針對光伏電池串排版中需要解決光伏電池串串焊后在傳送帶上存在位置偏差、擺放至基板后光伏電池位置需要微調、傳統(tǒng)桁架式排版機故障率高、調試難度大、占用生產時間等問題，提出機器人代替桁架式排版機的解決方案。方案通過RobotStudio仿真軟件，設計了一個仿真工作站。工作站中，定位相機對傳送帶上的光伏電池串定位，引導IRB1300機器人將電池串抓放至基板；糾偏相機對基板上的電池進行定位，并通過IRB920機器人對電池進行糾偏。為了驗證機器人對存在位置偏差的電池抓放，采用IS2000-230定位光伏電池，實時更新仿真工作站中光伏電池的位置。同時，開發(fā)了基于C#開發(fā)上位機系統(tǒng)，實現(xiàn)對機器人系統(tǒng)的監(jiān)控和實時調整。該方案通過可靠性高的工業(yè)機器人實現(xiàn)電池串的排版和糾偏，能降低系統(tǒng)的整體故障率，提高可靠性。

光伏電池串；上位機；機器人；排版系統(tǒng)

為了應對全球變暖的問題，我國提出了在2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的策略。發(fā)展光伏電池產業(yè)，是實現(xiàn)碳達峰和碳中和的破局之舉。目前，電池板的搬運仍有很多是手工操作，特別是上下料的時候，工作強度很大。為了適應產業(yè)的發(fā)展，亟須對產業(yè)進行轉型升級。

工業(yè)機器人在碼垛工作站的應用上有很多經(jīng)典案例，但對于如何通過工業(yè)機器人實現(xiàn)產品排版的文獻較少[1]。因自動串焊機在焊接后，光伏電池串會出現(xiàn)位置的偏差，需通過自動排版機對光伏電池串進行排版和糾偏。一臺自動排版機可以對應兩臺自動串焊機[2]。傳統(tǒng)光伏排版解決方案一般采用桁架式排版機，該方案存在設備部件多、調試時間長、故障率高、占用生產時間等問題，工業(yè)機器人為標準產品，單機的可靠性高[3]，采用工業(yè)機器人替代桁架式排版機優(yōu)勢明顯。在設計中，可以通過RobotStudio等仿真軟件對工作站進行驗證[4]。

本文通過RobotStudio仿真軟件搭建了一個光伏電池串的搬運工作站，通過視覺引導，實現(xiàn)機器人對電池串的定位[5]，并通過工業(yè)機器人對物料的裝盤功能。開發(fā)上位機軟件，對機器人的裝盤情況進行設計。

1 系統(tǒng)構成

光伏電池在經(jīng)過焊接過程后，需要通過相機對電池串進行定位，并通過機器人抓取至電池串擺放工位的基板上。擺放過程中存在電池位置的偏差，需要通過糾偏相機實現(xiàn)對焊接后的光伏電池板進行修正。本工作站中，焊接后的電池串由兩條傳送帶輸送至機器人兩側。每條傳送帶有一臺電池串定位相機、一臺電池片糾偏相機，實現(xiàn)光伏電池串、電池片的定位功能。相機將識別到的坐標、角度信息，傳輸給可編程序控制器（Pro- grammable Logic Controller, PLC），經(jīng)計算后，PLC將抓取的坐標發(fā)送給機器人。上位機可以實時對設備運行情況進行監(jiān)控，對于異常情況可以進行實時處理。其中，PLC選用西門子公司的S7-1511- 1PN；相機采用康耐視公司的In-Sight 2000系列智能相機IS2000-230；電池串抓取機器人選用ABB公司的IRB1300；電池糾偏機器人選用ABB公司的IRB920。設備關系如圖1所示。

圖1 設備關系圖

2 機器人工作站的搭建

參照桁架式排版機，以一臺機器人搭配兩臺光伏電池串焊機為標準，搭建機器人光伏電池工作站。工作站包括光伏電池串搬運工位和視覺定位工位，光伏電池排版工位配備1臺ABB公司的IRB1300機器人，每個傳送帶配備1臺康耐視公司的IS2000-230智能相機。相機對傳送帶上的電池串進行定位，機器人通過多吸盤工具，將光伏電池串搬運至轉運板上。

圖2 機器人光伏電池串搬運工作站

電池串糾偏工位分為定位和調整兩個功能。定位功能由兩臺康耐視公司的IS2000-230智能相機對轉運板上的電池片進行定位，確定光伏電池串的坐標和角度信息。并通過兩臺SCARA機器人進行角度糾偏，其中兩臺機器人為ABB公司的IRB920機器人構成。工作站示意圖如圖2所示。

3 光伏電池串定位

3.1 視覺系統(tǒng)設計

光伏電池串在焊接后，會有位置和角度的偏差，如果不對電池串進行定位，機器人的吸盤可能會抓空，故需要通過視覺系統(tǒng)對光伏電池串進行定位。本文采用康耐視公司的智能相機實現(xiàn)，型號為IS2000-230，該相機為灰度相機，可以識別物料的位置，并能通過格式化輸出，將光伏電池板的坐標通過PLC發(fā)送至機器人仿真工作站。

一個光伏電池串由9片電池組成?？梢允褂每的鸵暪緄n-sight瀏覽器的“圖案（0－10）”工具對太陽能電池板進行定位，該工具可以對檢測到的電池分別定位，傳送帶的高度為固定值，即高度為0，旋轉角度均為圍繞電池串中心的軸旋轉，如圖3所示。定位后的坐標和角度通過profinet協(xié)議，將每個電池的坐標和偏轉的角度傳輸給PLC。例如：第一片光伏電池在沒有發(fā)生位置偏移和旋轉時的標定點，其坐標為295、坐標為272、角度為0°。經(jīng)過相機定位后（取一位小數(shù)），實際坐標為297.1、坐標為272.2、角度為0.0，如圖4所示。故機器人相對標定點的坐標為Δ=2.1、Δ=0.2、Δ=0。

圖3 相機對電池的定位的結果

圖4 單片電池定位后得到的相對坐標和角度

3.2 仿真工作站光伏電池串位置調整

本文通過真實康耐視相機，對光伏電池串進行定位，將定位后的坐標傳送至機器人仿真工作站中，以實現(xiàn)真實模擬機器人正確抓取物料的過程。

仿真工作站中的電池串根據(jù)相機的坐標和角度值，自動調整位置。為了實現(xiàn)此功能，首先通過RobotStudio仿真軟件，建立一個smart組件，添加RapidVariable、Positioner兩個smart功能模塊獲取位置和角度信息。組件通過“gets”變量使能，當該變量為1時，組件自動獲取機器人控制器得到的位置變量和角度變量。以上文中相機獲得的第一個光伏電池坐標、角度為例，smart組件的設計如圖5所示。仿真工作站中的電池串位置調整前后如圖6所示。

圖5 定位smart組件

圖6 仿真工作站中電池根據(jù)相機數(shù)據(jù)更新

4 上位機開發(fā)

上位機通過C#軟件實現(xiàn)桌面應用程序的開發(fā)。按照項目需要，需要開發(fā)實現(xiàn)對機器人軸關節(jié)數(shù)據(jù)的監(jiān)控、日志的監(jiān)控、物料擺放規(guī)劃等功能。需要開發(fā)的功能如圖7所示。

圖7 需要制作的功能模塊

4.1 啟動與監(jiān)控功能模塊設計

啟動與監(jiān)控功能模塊包含刷新獲取虛擬控制器、登出控制器、判斷機器人手/自動模式、啟動IO是否滿足、啟動位置是否安全、啟動或停止機器人、電機上電、程序指針復位、設置程序指針、設定機器人速度的功能，主要做機器人基本控制，如圖8所示。

圖8 啟動與監(jiān)控功能模塊

4.2 電池串位置微調模塊設計

功能模塊包含獲取更新目標點的pPlaceBase3的大地坐標、歐拉角坐標、wPlace工件坐標的數(shù)據(jù)，修改目標點pPlaceBase3的大地坐標、歐拉角坐標和wPlace工件坐標的數(shù)據(jù)，主要作用是方便對單串的位置進行修改，以及對版塊的整體移動更加便捷，如圖9所示。

圖9 電池串位置微調模塊

4.3 生產數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊設計

本功能模塊包含獲取機器人運行過程中的程序數(shù)據(jù)、通過程序數(shù)據(jù)對生產的過程進行監(jiān)控、顯示當前北京時間、實時查看時間對數(shù)據(jù)的影響、實時顯示機器人運行速度、顯示生產目標、顯示排版良率、實時更新產量統(tǒng)計等，如圖10所示。

圖10 生產數(shù)據(jù)監(jiān)控功能模塊

4.4 檢查記錄模塊設計

本功能模塊包含日常點檢、定期點檢、創(chuàng)建檢查報告文檔、存儲“txt”日檢報告檢查記錄文檔到電腦任意位置、記錄開機時間、定檢間隔日期。主要作用是提醒管理員、操作人員進行開機前檢查。達到預防維護提高生產效率的作用，如圖11所示。

圖11 預防維護功能模塊

4.5 機器人日志監(jiān)控模塊設計

本功能模塊包含獲取當前工作站前15條事件日志功能，并實時刷新，方便管理員在軟件上對機器人實時狀態(tài)進行監(jiān)控，如圖12所示。

圖12 事件日志功能模塊

4.6 機器人信息監(jiān)控模塊設計

如圖13所示，本功能模塊包含：

圖13 機器人信息監(jiān)控模塊設計

1）獲取機器人選項功能，可以更加直觀地查看機器人具有哪些選項、缺少哪些選項、機器人運行過程中使用的語言、還有機器人的具體型號、載重和工作范圍。

2）獲取機器人運行時長信息功能，可以查看機器人的使用時間，上次服務后的生產時間，可以直觀地看到機器人的生產時間從而達到防止機器人過度使用。上次開機時間可以查看本次生產的時間，顯示主機中央處理器溫度，可以預防溫度過高，并及時采取降溫措施。

4.7 光伏電池串排版模塊設計

根據(jù)產線上生成的光伏串長寬尺寸，自動匹配模板庫中電池串的擺放方式，自動生成新的RAPID程序目標點位，新的排版順序，實現(xiàn)自動排版功能，如圖14所示。

圖14 光伏電池串排版模塊

5 設備之間的通信

設備之間的通信方式，采用SOCKET通信實現(xiàn)。在通信配置中，PLC作為服務器，上位機、機器人、相機均作為客戶端。下面以PLC與機器人通信為例，說明通信方法。

5.1 PLC端程序的編寫

PLC需要通過TSEND_C和TRCV_C兩個功能模塊實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。示例程序如圖15所示。

5.2 機器人端程序的編寫

機器人需要開通616-1 PC Interface（通信功能）[6]和623-1 Multitasking（多任務）這兩個功能模塊才能實現(xiàn)通信。配置機器人的系統(tǒng)功能，設置機器人的IP。機器人端的程序示例如下：

6 總結

光伏電池焊接成電池串后，在傳送帶上，會與預期位置存在一定的位置偏差，為了保證機器人擺放位置的準確性，使用康耐視公司的IS2000- 230智能相機對光伏電池串進行定位。采用IRB 1300機器人對電池串進行排版，IRB920機器人對電池串進行糾偏。同時，針對項目需求，開發(fā)了上位機，并能通過上位機對光伏電池串搬運情況進行實時監(jiān)控?？梢詫崿F(xiàn)光伏電池串的自動擺放與排版功能。將機器人代替自動排版機，能夠大大降低光伏電池串在生產過程中設備的故障率，提高設備的可靠性。

[1] 嵇朋朋,竇艷艷.基于ABB機器人工作站芯片產品排序實現(xiàn)方法研究[J].焦作大學學報,2019,33(2):80-83, 93.

[2] 鐘青山.臺達機電產品在太陽能電池串自動排版機上的應用[J].電器工業(yè),2016(1):74-76.

[3] 席云飛,吳雙,徐健,等.基于多垛型位置算法的碼垛系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化,2020,42(3):63-67.

[4] 蔣慶磊,聶永濤,郇新.基于RobotStudio的工業(yè)機器人自動化生產線仿真的研究[J].汽車實用技術,2019, 44(18):177-179,198.

[5] 姜利.基于機器視覺的光伏電池片位置誤差檢測系統(tǒng)[J].機械制造與自動化,2021,50(3):197-199.

[6] 蘇宇,劉海燕,李國勇.基于PC-Interface的機器人平面作業(yè)點快速定位系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化,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

劉良斌（1988－），男，碩士，講師，研究方向為路徑規(guī)劃、工業(yè)機器人，E-mail:liuliangbin@126.com。

王瑤茜（1983－），女，碩士，講師，研究方向為軟件工程，E-mail:14200100@qq.com

湖南省自然科學基金（2022JJ60035）。