彭 浩

（湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙 410221）

1 引言

隨著國家大力發(fā)展綠色清潔能源，太陽能得到了越來越多的關(guān)注，也推動了光伏市場的發(fā)展，光伏企業(yè)紛紛加大產(chǎn)業(yè)布局，推動新技術(shù)的落地。光伏設(shè)備作為光伏產(chǎn)業(yè)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，隨著光伏技術(shù)的不斷突破而迭代升級，不斷往高集成、高性能和高自動化等方向發(fā)展，對設(shè)備功能性、操作性和安全性等方面的要求也越來越高?？刂栖浖鳛樵O(shè)備的核心組成部分，也得到了飛速的發(fā)展。

控制軟件的作用在于讓使用者能夠?qū)υO(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面的監(jiān)測和控制，作為人機(jī)交互的接口，不僅可以方便直觀地知悉設(shè)備工作狀況，而且可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障進(jìn)行維修，提高工作效率，更重要的是作為整個設(shè)備的“大腦”，可以對設(shè)備各個部件進(jìn)行操控，保障設(shè)備按照既定規(guī)則有條不紊地運(yùn)行。

2 光伏設(shè)備控制軟件現(xiàn)狀

2.1 設(shè)計原則

光伏行業(yè)的技術(shù)路線迭代比較快，屬于商業(yè)性應(yīng)用研發(fā)，這對設(shè)備提出了更高的要求，也對設(shè)備控制軟件提出了更高的要求?？偟膩碚f，光伏設(shè)備控制軟件的設(shè)計都主要遵從以下設(shè)計原則。

（1）可靠性

控制軟件作為設(shè)備的“大腦”，負(fù)責(zé)整臺設(shè)備所有運(yùn)行動作的執(zhí)行，尤其是光伏行業(yè)這種高自動化的生產(chǎn)行業(yè)，設(shè)備上同一個動作每天可能重復(fù)上百次，一旦可靠性出現(xiàn)問題，產(chǎn)品質(zhì)量甚至人身安全都可能面臨威脅。

為了確保控制軟件的可靠性，在程序的設(shè)計實現(xiàn)過程中，對一些重要執(zhí)行信號或邏輯，要有反饋機(jī)制。比如發(fā)送方傳送出一個運(yùn)行信號，接收方需要反饋一個接收成功的信號，確保信號接收成功，否則要認(rèn)為發(fā)送失敗進(jìn)行重發(fā)或報錯等處理。

（2）實時性

高產(chǎn)能、高自動化也是光伏設(shè)備的特點(diǎn)，這意味著設(shè)備在生產(chǎn)過程中高速地全自動運(yùn)行，設(shè)備的各個動作信號、檢測信號都在快速地變化，這就要求監(jiān)控軟件應(yīng)具備很高的實時性。

為了確?？刂栖浖膶崟r性，在控制系統(tǒng)設(shè)計初期，要對控制對象和控制方式有一個全面的評估，根據(jù)控制需求選擇性能最優(yōu)的控制器，留足控制余量；在軟件編寫過程中，要簡化控制邏輯，減少資源的浪費(fèi)，提高代碼執(zhí)行效率。

（3）可操作性

控制軟件作為人機(jī)交互的接口，除了需要把設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)呈現(xiàn)給操作人員監(jiān)視之外，更重要的是操作人員對設(shè)備的大部分控制操作都是通過控制軟件來實現(xiàn)的。

為了確保控制軟件的可操作性，人機(jī)交互界面需符合操作者使用習(xí)慣，界面布局規(guī)劃合理，功能完善，方便直觀。

2.2 設(shè)計模式

目前光伏設(shè)備的控制軟件采用的是上位機(jī)軟件＋下位機(jī)軟件的設(shè)計模式。

（1）上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件一般安裝在工控機(jī)上，提供友好直觀的人機(jī)交互界面，操作人員可通過操作菜單對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)、歷史記錄和報警信息等進(jìn)行一個全方位的監(jiān)視，并且可以通過相關(guān)操作直接發(fā)出操控指令。常見的上位機(jī)軟件主要有兩種：

1）組態(tài)軟件。組態(tài)軟件又稱組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是指數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，也指在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境。這些軟件實際上也是一種通過靈活的組態(tài)方式（不是編程方式），為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)難度小，開發(fā)周期短；缺點(diǎn)是不靈活，價格成本高。常用的組態(tài)軟件有亞控組態(tài)王、力控和杰控等。常見應(yīng)用設(shè)備如插片機(jī)、清洗機(jī)等。

某型號 PECVD 設(shè)備上位機(jī)程序界面如圖1所示。

圖 1 某型號 PECVD 設(shè)備上位機(jī)程序界面

圖 2 分選設(shè)備的控制系統(tǒng)示意圖

2）自行開發(fā)軟件。自行開發(fā)軟件是指程序人員為了實現(xiàn)設(shè)備功能，在編程開發(fā)工具的基礎(chǔ)上通過編寫程序生成的軟件。優(yōu)點(diǎn)是靈活可定制化開發(fā)，功能豐富，免費(fèi)；缺點(diǎn)是開發(fā)周期長、難度大，需要較強(qiáng)的軟件編程能力。常用的開發(fā)工具有 VB.NET、C# 等。常見應(yīng)用設(shè)備如PECVD、低壓擴(kuò)散爐等。

（2）下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件一般通過 PLC 實現(xiàn)，實現(xiàn)直接控制設(shè)備，獲取設(shè)備狀況的功能。PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。一般來說PLC 控制根據(jù)應(yīng)用場景可分為兩種類型。

1）集中式控制系統(tǒng)。集中式控制系統(tǒng)是由1個 PLC 控制器組成，控制一個或多個被控設(shè)備，各個被控對象僅與PLC 的 IO 或拓展模塊連接，各被控對象之間不需要額外的通信線路。主要應(yīng)用于輸入輸出點(diǎn)位少、各被控對象所處位置集中且相互之間動作有一定聯(lián)系的場合。優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡單、實時性好、成本低，缺點(diǎn)是應(yīng)用于較大較長的設(shè)備時電氣接線麻煩復(fù)雜。集中式控制系統(tǒng)常用的 PLC 有三菱公司生產(chǎn)的 FX5U 系列 PLC 和西門子公司生產(chǎn)的 S7-200系列 PLC 等。常見應(yīng)用設(shè)備如離線式分選機(jī)、方阻檢測儀等。某型號離線式雙軌太陽能電池片分選設(shè)備的控制系統(tǒng)如圖2所示。太陽能電池片測試分選設(shè)備是太陽能電池生產(chǎn)的七種關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，可自動測試電池片的效率、串并聯(lián)電阻和漏電流等各種電參數(shù)，并根據(jù)電池片參數(shù)進(jìn)行自動分類。下位機(jī)系統(tǒng)主要使用 PLC 控制器（基恩士KV3000系列），控制對象主要是軌道的多個傳感器、氣缸、電機(jī)等元器件構(gòu)成的上料部分、測試部分和下料部分。

2）分布式控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)多用于有多臺被控設(shè)備、系統(tǒng)裝置分布范圍比較分散且設(shè)備之間有數(shù)據(jù)信息傳送的場合。PLC 通過通信電纜與被控設(shè)備進(jìn)行信息傳遞。特點(diǎn)是系統(tǒng)靈活性強(qiáng)、控制范圍大但價格偏高。分布式控制系統(tǒng)常用的 PLC 有倍福公司生產(chǎn)的 CX 系列PLC 和三菱公司生產(chǎn)的 Q 系列 PLC 等。常見應(yīng)用設(shè)備如PECVD、低壓退火爐等。某型號低壓退火爐的控制系統(tǒng)如圖3所示。退火爐主要用于硅片太陽能器件制造中的氧化、退火工藝；也可用于半導(dǎo)體器件制造中的氧化、退火及合金工藝，同時還適用于對其他材料的特殊溫度處理。下位機(jī)系統(tǒng)由三段 PLC 構(gòu)成，PLC 1 為主控制器（倍福CX9020）控制凈化臺部分推舟系統(tǒng)，PLC 2 和 PLC 3 分布在設(shè)備的爐體柜和氣源柜，分別控制這兩部分的溫控系統(tǒng)、流量系統(tǒng)和壓力系統(tǒng)。

圖 3 低壓擴(kuò)散爐的控制系統(tǒng)示意圖

3 行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注問題

3.1 穩(wěn)定性

光伏行業(yè)是高強(qiáng)度生產(chǎn)型行業(yè)，設(shè)備除了定期的停機(jī)維護(hù)外，一般都是全天候的不間斷生產(chǎn)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高，一旦設(shè)備控制軟件出現(xiàn)不穩(wěn)定問題，有時會導(dǎo)致設(shè)備工藝異常停止，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不合格需要返工，有時會導(dǎo)致設(shè)備硬件損壞需要暫停生產(chǎn)修復(fù)故障。所以設(shè)備控制軟件的穩(wěn)定性直接關(guān)系到設(shè)備產(chǎn)能、企業(yè)效益。

3.2 安全性

光伏生產(chǎn)是一個高自動化程度的生產(chǎn)過程，設(shè)備控制軟件的安全性也是行業(yè)備受關(guān)注的重點(diǎn)?？刂栖浖陌踩灾饕侵冈趯υO(shè)備的監(jiān)控過程中，對各種可能造成安全事故的操作或動作要提前在程序中做出全面合理的規(guī)避和保護(hù)的邏輯。

3.3 易用性

設(shè)備控制軟件的靈活性、簡單性和易用性可以使用戶快速熟悉設(shè)備操作，降低誤操作概率和減少誤操作可能帶來的損失，這也是用戶關(guān)注的重要部分。

4 光伏設(shè)備控制軟件發(fā)展趨勢

4.1 低能耗

為應(yīng)對全球氣候不斷惡化，我國確立了2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰的目標(biāo)和2060年實現(xiàn)碳中和的愿景，在這樣的戰(zhàn)略背景下，以光伏為代表的新能源發(fā)電和新能源汽車的制造運(yùn)用展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景。為響應(yīng)國家十四五規(guī)劃“碳達(dá)峰”“碳中和”的要求，也從企業(yè)自身經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)備的能耗是廠家日益重視的問題?？刂栖浖赏ㄟ^在線監(jiān)控設(shè)備能耗的情況、智能化的調(diào)控設(shè)備加熱功率，實現(xiàn)用能的精細(xì)化處理，不僅有利于企業(yè)根據(jù)自身情況合理利用能源降低成本，也為國家碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

4.2 萬物互聯(lián)

萬物互聯(lián)是將人和相關(guān)的數(shù)據(jù)、事物系統(tǒng)的結(jié)合，利用大數(shù)據(jù)分析的方法使得這些東西更加相關(guān)，更有價值。光伏行業(yè)是一個穩(wěn)步向前發(fā)展的行業(yè)，在數(shù)字信息化時代要擺脫傳統(tǒng)制造業(yè)的方式，往智能工廠的方向發(fā)展。光伏企業(yè)工廠涉及到多個廠家多種設(shè)備協(xié)同生產(chǎn)，通過互聯(lián)技術(shù)將這些設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，統(tǒng)一分析管理，有利于提高設(shè)備的利用率，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

4.3 云服務(wù)

云服務(wù)可以將企業(yè)所需的軟硬件、資料都放到網(wǎng)絡(luò)上，在任何時間、地點(diǎn)，使用不同的IT設(shè)備互相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取、運(yùn)算等目的。將設(shè)備信息上傳到云服務(wù)器，然后共享到終端，如手機(jī)、筆記本等，可以讓使用者隨時隨地了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；此外還可以通過云端內(nèi)上傳的前后端、上下游的設(shè)備信息、原料供應(yīng)和市場價格等大數(shù)據(jù)，來幫助公司決策層做出科學(xué)合理的分析和判斷。

4.4 兼容性高

隨著國內(nèi)外研發(fā)能力的進(jìn)步、微電子技術(shù)的發(fā)展，各種智能芯片和智能傳感器不斷出現(xiàn)，設(shè)備上使用的元器件類型也越來越多。為了適應(yīng)不同廠家對不同品牌元器件的需求，這就需要設(shè)備軟件兼容各種類型的元器件。

5 結(jié)束語

隨著環(huán)境問題及能源問題日益嚴(yán)峻，人類對清潔可再生能源的關(guān)注到達(dá)一個新的高度，太陽能作為最具潛力的可再生能源之一越來越得到重視。光伏設(shè)備是太陽能產(chǎn)業(yè)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，而控制軟件又是設(shè)備的核心部分。通過對光伏設(shè)備控制軟件現(xiàn)狀的研究和行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注問題的分析，提出了控制軟件在未來幾年的發(fā)展趨勢和拓展方向。