分布式層壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 亮，李樹珍，石 磊,2，馬淑英，陳立東，李國昉，鄭立新

（1.河北科技師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，秦皇島 066600；2.秦皇島新禹機(jī)械設(shè)備有限公司，秦皇島 066600）

0 引言

太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為可再生能源領(lǐng)域中繼風(fēng)力發(fā)電之后產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快、最大的領(lǐng)域。與此同時(shí)，蓬勃發(fā)展的行業(yè)形勢(shì)給太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)帶來了大量商機(jī)，但太陽電池廠封裝機(jī)技術(shù)水平低[1]，太陽能電池組件生產(chǎn)設(shè)備已成為我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，迫切需要研制出適應(yīng)專業(yè)化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)的太陽能組件相關(guān)的制造設(shè)備，以提高現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)裝備水平和產(chǎn)能。

本文結(jié)合太陽電池的封裝層壓工藝過程，研制出一種與太陽能電池組件封裝新工藝相適合的控制系統(tǒng)，通過專用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的工藝過程監(jiān)控，以適應(yīng)太陽能電池組件的封裝作業(yè)。

1 太陽電池組件層壓機(jī)結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)太陽電池組件層壓機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示，該設(shè)備由進(jìn)料系統(tǒng)、層壓主機(jī)、出料及冷卻系統(tǒng)三級(jí)結(jié)構(gòu)組成。

圖2 全自動(dòng)太陽電池組件層壓機(jī)實(shí)物

該設(shè)備工作過程為：太陽電池組件由入料系統(tǒng)送至層壓主機(jī)，加熱系統(tǒng)通過不銹鋼導(dǎo)熱板傳導(dǎo)熱量對(duì)組件進(jìn)行預(yù)熱，組件預(yù)熱后采用真空熱壓法及先進(jìn)的分階段封裝工藝進(jìn)行層壓操作，完成層壓和固化操作，最后成品由出料系統(tǒng)送出。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式全自動(dòng)太陽電池組件封裝層壓機(jī)控制模式為上下位控制方式。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。本系統(tǒng)采用總線型結(jié)構(gòu)構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，由位于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的下位機(jī)終端監(jiān)控器和位于監(jiān)控室的上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，兩者之間通過MPI協(xié)議總線連接。下位機(jī)終端監(jiān)控器是以PLC為核心的系統(tǒng)，完成對(duì)層壓機(jī)的溫度、真空度等信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備；PLC與變頻器間通過PROFIBUS連接，并遵循PROFIBUS-DP協(xié)議。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要完成參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、顯示和查詢等功能。

圖3 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 控制系統(tǒng)的硬件選型

為保證設(shè)備的硬件可靠性，上位機(jī)采用西門子RACK工控機(jī)。該工控機(jī)采用最新一代的處理器，計(jì)算能力強(qiáng)大，尤其適用于過程組態(tài)設(shè)計(jì)或工業(yè)圖像處理的高速、大容量數(shù)據(jù)處理工作，具備極高的系統(tǒng)可用性和數(shù)據(jù)安全性，適合用作工業(yè)工作站或控制室和設(shè)計(jì)中心內(nèi)的服務(wù)器。

下位機(jī)采用西門子S7-300 PLC及輸入輸出模塊等，溫度/壓力傳感器以及強(qiáng)電執(zhí)行部分等組成?？刂破鳒囟葴y(cè)量傳感器選用了Pt100鉑電阻，通過Pt100電阻溫度變送器把電阻值變成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度的控制和顯示。設(shè)備的真空度檢測(cè)單元選用基恩士AP-C30C系列數(shù)字壓力傳感器對(duì)真空壓力檢測(cè)，能夠顯示以預(yù)先設(shè)定好的基準(zhǔn)壓為中心的±20% 范圍內(nèi)的壓力，分辨率達(dá)到同級(jí)產(chǎn)品中最佳的0.01kPa。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，分為下位機(jī)和上位機(jī)軟件兩大部分，采用模塊化思想對(duì)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，分為若干功能塊，即傳感器采樣模塊、控制設(shè)備輸出模塊、人機(jī)交互模塊和通信模塊。

2.2.1 系統(tǒng)主流程

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)太陽電池組件封裝層壓機(jī)集真空控制技術(shù)、氣壓傳動(dòng)技術(shù)及專家PID溫度控制技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程，系統(tǒng)主流程圖如圖5所示。

2.2.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)監(jiān)控軟件在WINDOWS平臺(tái)下選用WinCC 6.0開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過此軟件編程，實(shí)現(xiàn)控制模式選擇、設(shè)備各個(gè)參數(shù)值顯示、報(bào)警顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及對(duì)下位機(jī)參數(shù)設(shè)定的功能。

2.2.3 上下位機(jī)通信

WinCC組態(tài)軟件與S7-300系列PLC的通信SIMATIC WinCC是采用了最新的32位技術(shù)的過程監(jiān)控軟件，具有良好的開放性和靈活性。WinCC與S7-300系列PLC的通信，可以采用MPI和PROFIBUS兩種通信協(xié)議之一進(jìn)行。本系統(tǒng)的WinCC與PLC是通過MPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信的。該方法優(yōu)點(diǎn)是連接簡(jiǎn)單，硬件投資少、可以讀寫S7-300系PLC中所有存儲(chǔ)區(qū)域[2]。

圖5 主流程圖

2.2.4 PLC和變頻器通信

在CPU進(jìn)行硬件配置時(shí)，對(duì)掛在總線PROFIBUS的站點(diǎn)都分配了物理地址，PLC與變頻器進(jìn)行通訊也有相應(yīng)的物理地址，CPU內(nèi)部有專用通訊功能塊，使用內(nèi)部的寄存器DB塊存放數(shù)據(jù)，當(dāng)PLC對(duì)變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀出時(shí)，依據(jù)PLC和變頻器定義的相關(guān)功能的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀出，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制。

2.3 程序運(yùn)行結(jié)果

圖6為開啟界面顯示，通過右邊的各個(gè)按鈕可以進(jìn)入想要的畫面。通過圖7界面設(shè)置層壓各過程的參數(shù)值，同時(shí)顯示參數(shù)的剩余值。在圖7中密碼輸入框輸入密碼后，按“密碼確認(rèn)”鈕，此時(shí)設(shè)置參數(shù)才會(huì)有效。操作員根據(jù)層壓工藝將各個(gè)參數(shù)設(shè)置好，然后按下圖7左上角的“參數(shù)設(shè)置確認(rèn)”鈕，參數(shù)生效。操作員根據(jù)需要可選擇自動(dòng)模式或手動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，層壓機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，無需人工操作，窗口監(jiān)視層壓過程的各個(gè)步驟，各個(gè)指示燈會(huì)指示運(yùn)行過程。在手動(dòng)模式下，操作者根據(jù)層壓工藝步驟和要求，通過各個(gè)按鈕來實(shí)施操作。

圖6 主界面

圖7 參數(shù)設(shè)置顯示界面圖

3 結(jié)束語

分布式層壓機(jī)控制系統(tǒng)采用人性化操作界面設(shè)計(jì)，滿足太陽能電池組件的封裝工藝要求。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠，生產(chǎn)參數(shù)實(shí)時(shí)采集、生產(chǎn)異常及時(shí)報(bào)警，消除了安全隱患，極大改善了安全生產(chǎn)狀況，系統(tǒng)控制精度高，確保了工藝設(shè)備高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

[1] 石磊,陳立東,馬淑英,等.太陽能電池組件層壓機(jī)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].河北科技師范學(xué)院學(xué)報(bào),2009,23(4):32-35.

[2] 毛聯(lián)杰.S7-300系列PLC與組態(tài)軟件WinCC實(shí)現(xiàn)通信的方法[J].電氣時(shí)代,2006(9):106-107.