光伏玻璃在線檢測技術(shù)與應(yīng)用

2021-06-07

光伏玻璃又稱“太陽能光伏玻璃”或“超白光伏玻璃”，主要應(yīng)用于單多晶硅太陽能電池組件、光伏系統(tǒng)、薄膜太陽能組件、太陽能熱水器等領(lǐng)域，是太陽能模組中的關(guān)鍵部件。光伏玻璃的生產(chǎn)過程包含壓延、裁切、磨邊、鍍膜、鋼化等工藝段，常見缺陷可分為原料缺陷（氣泡、結(jié)石、析晶等）和加工缺陷（崩邊、崩角、劃傷、潔度），為了保證透光率、強度、安全性等要求，光伏玻璃在出廠前需要進行缺陷檢測，防止不良品流入組件生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成資源損失。

光伏玻璃出廠檢驗方式可分為人工檢驗和設(shè)備檢驗兩類。目前大部分生產(chǎn)廠家的采用人工檢驗方式，隨著人工成本的逐年增加，同時人工操作不能保證判定規(guī)則的一致性和長期工作的穩(wěn)定性，越來越多的生產(chǎn)商開始嘗試設(shè)備檢測方案；

在實際使用中，評價檢測設(shè)備的主要性能指標(biāo)包含漏檢率、誤檢率和工作穩(wěn)定性三方面，其中漏檢率指標(biāo)主要控制不良品流入后道工序的比例，常見的設(shè)備漏檢率指標(biāo)應(yīng)達到1%；誤檢率指標(biāo)主要控制合格品判定成不良品回收的比例，常見的設(shè)備誤檢率指標(biāo)應(yīng)達到1%。工作穩(wěn)定性主要指標(biāo)包含穩(wěn)定工作時間和故障恢復(fù)時間，為了滿足生產(chǎn)需求，設(shè)備穩(wěn)定工作時間應(yīng)達到2000h以上，平均故障恢復(fù)時間應(yīng)小于2h。

光伏玻璃在檢測設(shè)備主要采用機器視覺技術(shù)，通過分析玻璃運行中拍攝到的圖像，判斷和識別缺陷的類型、尺寸等信息。本文主要介紹兩種常用的光伏玻璃在線檢測技術(shù)，結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗提出一些有待改進的問題和未來技術(shù)發(fā)展方向。

1. 邊角檢測設(shè)備工作原理

光伏玻璃在線邊角檢測設(shè)備能夠檢測玻璃磨邊區(qū)域的崩邊、崩角、漏底、焦邊、直角等缺陷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，主要包含以下幾部分：

(1) 支撐結(jié)構(gòu)：包括底部支架、橫向運動模組、護罩和指示燈，主要功能是支撐、保護檢測模組，橫向運動模組允許玻璃寬度變化時將檢測模組進行橫向位置調(diào)整，指示燈用于提示設(shè)備工作狀態(tài)和產(chǎn)品檢測結(jié)果；

(2) 檢測模組：包括相機、鏡頭、光源，相機常用配置為工業(yè)用黑白面陣130萬像素分辨率，能夠支持成像像素精度高于0.05mm/Pixel，光源常用配置為白色條形光。檢測模組主要功能是對玻璃邊角位置成像，相機掃描玻璃邊部位置并將圖像上傳至工控機；

(3) 電控柜：包括工控機、電源控制模塊、UPS和顯示器，主要功能是控制檢測模組工作狀態(tài)，分析處理圖像并顯示結(jié)果。

圖1.1 光伏玻璃在線邊角檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)

檢測模組是在線邊角檢測設(shè)備的關(guān)鍵部件，為了滿足成像質(zhì)量要求，內(nèi)部光源和相機需要按照固定方式安裝，如圖1.2所示，由于正常的磨邊區(qū)域是粗糙面，部分光線經(jīng)過漫反射能夠被相機接收，當(dāng)磨邊區(qū)域出現(xiàn)崩邊、崩角、漏底等缺陷時，會改變該區(qū)域的反射系數(shù)，相機接收到的光線變化導(dǎo)致圖像對應(yīng)區(qū)域灰度值變化，效果如圖1.3所示，通過分析灰度即可判斷該區(qū)域是否存在缺陷。

圖1.2 邊角檢測模組結(jié)構(gòu)

圖1.3 邊角檢測模組成像效果

2. 表面檢測設(shè)備工作原理

光伏玻璃在線表面檢測設(shè)備能夠檢測玻璃表面區(qū)域的氣泡（開口、閉口）、結(jié)石、雜物、劃傷、潔度等缺陷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，主要包含以下幾部分：

(1) 支撐結(jié)構(gòu)：包括兩側(cè)立柱、上部橫梁、下部支撐梁和指示燈，主要功能是支撐、保護光源和相機，指示燈用于提示設(shè)備工作狀態(tài)和產(chǎn)品檢測結(jié)果；

(2) 相機模組：包括相機、鏡頭和調(diào)節(jié)機構(gòu)，相機常用配置為工業(yè)用黑白線陣4k或8k分辨率，能夠支持成像像素精度高于0.1mm/Pixel；

(3) 光源模組：包括透射光源、反射光源和調(diào)節(jié)機構(gòu)，光源常用配置為白色頻閃條形光，能夠支持高于30KHz的切換頻率；

(4) 電控柜：包括工控機、電源控制模塊、UPS和顯示器，主要功能是控制相機、光源模組工作狀態(tài)，分析處理圖像并顯示結(jié)果。

圖2.1 光伏玻璃在線表面檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)

在線表面檢測設(shè)備的關(guān)鍵部件是相機和光源模組，透射光源主要用于檢測氣泡、結(jié)石、劃傷等缺陷，主要成像原理如圖2.2所示，透射光源發(fā)出的光線可以通過玻璃表面正常區(qū)域被相機接收，當(dāng)表面出現(xiàn)結(jié)石等瑕疵時，光線被遮擋不能通過，從而在圖像中出現(xiàn)低灰度區(qū)域，效果如圖2.3所示；反射光源主要用于檢測上表面缺陷，如開口泡、上表面劃傷等，主要成像原理如圖2.4所示，反射光源發(fā)出的光線在玻璃上表面正常區(qū)域通過鏡面反射被相機接收，當(dāng)上表面出現(xiàn)破損時，光線被散射，從而在圖像中出現(xiàn)灰度變化，效果如圖2.5所示，通過分析灰度即可判斷該區(qū)域是否存在缺陷。

圖2.2 表面透射光源成像原理

圖2.3 表面透射光源成像效果

圖2.4 表面反射光源成像原理

圖2.5 表面反射光源成像效果

3. 光伏玻璃檢測設(shè)備常見問題及改進方向

3.1 設(shè)備對于生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性

由于光伏玻璃生產(chǎn)車間大部分工藝段對環(huán)境灰塵、溫度、濕度、腐蝕性氣體、玻璃定位要求不高，應(yīng)用檢測設(shè)備后，玻璃邊緣的掛水和表面的吸附物容易造成誤檢，腐蝕性氣體、玻璃偏斜更是會損壞檢測器件。該問題一方面需要設(shè)備開發(fā)商提高對于環(huán)境的抗干擾能力，通過圖像處理方法降低誤檢率；另一方面也需要玻璃生產(chǎn)商對設(shè)備進行必要保護，如加裝定位靠筒，將設(shè)備安裝在檢測房等。

3.2 缺陷檢測自主學(xué)習(xí)功能

光伏玻璃的缺陷類型多樣、形態(tài)復(fù)雜，很難用簡單的規(guī)則實現(xiàn)類型的判定，現(xiàn)有設(shè)備通常使用基于數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練的方式制定分類規(guī)則，該方法需要的樣本量大，數(shù)據(jù)庫建立時間也較長，而且當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中不存在的缺陷形態(tài)時，判斷正確率很低。如何提高設(shè)備自主學(xué)習(xí)能力，減少訓(xùn)練過程中的人工干預(yù)，真正實現(xiàn)自動化檢測，也是設(shè)備開發(fā)商需要思考和解決的問題。

3.3 基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的質(zhì)量管理系統(tǒng)

隨著檢測設(shè)備的不斷推廣，更多的缺陷信息（時間、類型、位置、尺寸、形態(tài)）將匯總成大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量管理的閉環(huán)，通過物聯(lián)網(wǎng)和手機終端實時監(jiān)控生產(chǎn)質(zhì)量，能夠時間發(fā)現(xiàn)、處理質(zhì)量問題，大數(shù)據(jù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將成為智能化車間的發(fā)展趨勢。

4. 結(jié)論

在光伏玻璃生產(chǎn)中，使用在線檢測設(shè)備替代人工是智能化生產(chǎn)的必然發(fā)展趨勢。現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)解決了在線檢測的關(guān)鍵問題，后續(xù)在提高適應(yīng)能力、自主學(xué)習(xí)能力、大數(shù)據(jù)處理能力、物聯(lián)網(wǎng)接入能力的基礎(chǔ)上，檢測設(shè)備能夠給生產(chǎn)帶來更高的價值。

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