■ 石磊 陳立東 曹盼盼 趙新月 閆曉偉

（1.河北科技師范學(xué)院；2.秦皇島博碩光電設(shè)備股份有限公司）

0 引言

雖然光伏組件生產(chǎn)蘊(yùn)藏著巨大的行業(yè)產(chǎn)能，但人工成本越來越高，使光伏組件單品加工費(fèi)劇增，因此，大幅提高設(shè)備工作效率，提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化、信息化已成為設(shè)備制造商亟需解決的問題。以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)(EtherCAT)是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其以高實(shí)時(shí)響應(yīng)、分布式控制、一網(wǎng)到底的系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)勢成為工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢[1]。本文以EtherCAT對接企業(yè)生產(chǎn)過程中的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)，設(shè)計(jì)出一套適用于光伏組件生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)整條組件生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的自動采集，實(shí)時(shí)獲取車間生產(chǎn)計(jì)劃、物料信息等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，大幅提高了整條生產(chǎn)線的自動化程度，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品信息的可追溯。

1 智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光伏組件生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)通過全自動傳輸線將組件封裝的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)連接起來，主要由光伏組件串焊機(jī)、排版機(jī)、匯流條焊接機(jī)、層壓機(jī)、組框機(jī)、測試儀等14個(gè)功能單元構(gòu)成。由于層壓機(jī)的存在，光伏組件生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)被分成了層前區(qū)、層后區(qū)和測試區(qū)3部分，三者的空間位置及功能相互獨(dú)立，每部分都設(shè)置有可獨(dú)立控制的主站；除層壓機(jī)外，其他13個(gè)功能單元作為從站可以實(shí)現(xiàn)與主站的信息交互。

基于EtherCAT的光伏組件生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)的可編程控制器(PLC)采用德國倍福的CX2020、CX9020、CX8090這3種型號，觸摸屏采用昆侖通態(tài)的TPC1162Ti，伺服控制器采用臺達(dá)的A2-E系列。用戶通過觸摸屏設(shè)置相關(guān)參數(shù)，PLC讀取到這些參數(shù)后按照設(shè)定好的程序運(yùn)行，并通過I/O模塊和伺服驅(qū)動器來控制電磁閥、伺服電機(jī)、變頻器等設(shè)備的運(yùn)行。系統(tǒng)中的所有通信均基于以太網(wǎng)，反應(yīng)速度極快[2-3]。

圖1 智能控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖

2 智能控制系統(tǒng)組成

基于EtherCAT的光伏組件生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)采用總線型分布式控制結(jié)構(gòu)，由中央數(shù)據(jù)庫、層前控制子系統(tǒng)、層后控制子系統(tǒng)、測試控制子系統(tǒng)組成。中央數(shù)據(jù)庫作為上位機(jī)位于監(jiān)控室內(nèi)；子系統(tǒng)的下位機(jī)終端監(jiān)控器以PLC為核心，實(shí)現(xiàn)對各功能單元的控制；下位機(jī)終端以層壓機(jī)為中心對3個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，完成各功能單元的信息采集、記錄和指令下達(dá)，并且將生產(chǎn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品質(zhì)量信息實(shí)時(shí)上傳至中央數(shù)據(jù)庫。

智能控制系統(tǒng)中的各個(gè)功能模塊不僅相互獨(dú)立，同時(shí)也可以通過以太網(wǎng)將生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)，分布式控制和高實(shí)時(shí)響應(yīng)的架構(gòu)特點(diǎn)顯著提高了生產(chǎn)線的工作效率。該系統(tǒng)可及時(shí)反映生產(chǎn)現(xiàn)場的產(chǎn)品質(zhì)量情況，通過對現(xiàn)場產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)的匯總和分析，可實(shí)現(xiàn)制造過程中的質(zhì)量監(jiān)控和質(zhì)量追溯，并對關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制，為管理決策提供支持，滿足企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

3 軟件運(yùn)行結(jié)果

以光伏組件生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)中的層前控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

系統(tǒng)正常啟動后，會自動進(jìn)入系統(tǒng)開機(jī)界面，如圖2所示；用戶登錄后可點(diǎn)擊進(jìn)入主控制界面，如圖3所示，為方便控制與管理，系統(tǒng)層前流水線分為A、B、C、D 4個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)的每個(gè)單元均分配了代碼，如A7、A8等，在報(bào)警信息、參數(shù)設(shè)置等界面中，主要以此代碼來區(qū)分單元的參數(shù)、報(bào)警信息、監(jiān)控信息等。操作人員可以設(shè)置流水線對接哪臺層壓機(jī)，例如按下“一號層壓機(jī)選擇”按鈕，組件將從流水線進(jìn)入一號層壓機(jī)。主控制界面右側(cè)顯示的各分區(qū)可實(shí)現(xiàn)本區(qū)的手動與自動控制的切換、各生產(chǎn)線單元傳感器狀態(tài)的監(jiān)控、各單元與前后單元對接信號監(jiān)控、各單元的上料停止延時(shí)設(shè)置等功能。

圖2 開機(jī)界面

圖3 主控制界面

基于EtherCAT的光伏組件生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)在進(jìn)行全自動封裝時(shí)穩(wěn)定性高，高于同行業(yè)平均水平，正常情況下的上線時(shí)間(UPTime)高于95%以上，最高時(shí)可以達(dá)到98%。該系統(tǒng)提高了光伏組件生產(chǎn)線的自動化和智能化程度，整條組件生產(chǎn)線僅需18個(gè)人即可完成操作，可以實(shí)現(xiàn)從太陽電池到光伏組件生產(chǎn)全過程的自動化，對于改進(jìn)現(xiàn)有組件封裝方式、降低組件生產(chǎn)過程中的時(shí)間成本及人工成本、提高組件生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性方面具有重要作用。

4 結(jié)論

本文在光伏組件生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于EtherCAT的光伏組件生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)，其高實(shí)時(shí)響應(yīng)、分布式控制、一網(wǎng)到底的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)大幅提高了設(shè)備的工作效率，降低了組件的生產(chǎn)成本。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，可實(shí)時(shí)采集組件生產(chǎn)全生命周期的質(zhì)量數(shù)據(jù)及生產(chǎn)參數(shù)，極大提高了組件的良品率，并提高了組件的自動化生產(chǎn)水平。