基于EtherCAT的光伏組件生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)

■ 石磊 陳立東 曹盼盼 趙新月 閆曉偉

（1.河北科技師范學院；2.秦皇島博碩光電設備股份有限公司）

0 引言

雖然光伏組件生產(chǎn)蘊藏著巨大的行業(yè)產(chǎn)能，但人工成本越來越高，使光伏組件單品加工費劇增，因此，大幅提高設備工作效率，提高生產(chǎn)設備的自動化、信息化已成為設備制造商亟需解決的問題。以太網(wǎng)控制自動化技術(EtherCAT)是以以太網(wǎng)為基礎的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其以高實時響應、分布式控制、一網(wǎng)到底的系統(tǒng)架構優(yōu)勢成為工業(yè)控制系統(tǒng)設計的發(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)，設計出一套適用于光伏組件生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)整條組件生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的自動采集，實時獲取車間生產(chǎn)計劃、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，實現(xiàn)了產(chǎn)品信息的可追溯。

1 智能控制系統(tǒng)的總體設計

本文設計的光伏組件生產(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生產(chǎn)環(huán)節(jié)連接起來，主要由光伏組件串焊機、排版機、匯流條焊接機、層壓機、組框機、測試儀等14個功能單元構成。由于層壓機的存在，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立，每部分都設置有可獨立控制的主站；除層壓機外，其他13個功能單元作為從站可以實現(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的A2-E系列。用戶通過觸摸屏設置相關參數(shù)，PLC讀取到這些參數(shù)后按照設定好的程序運行，并通過I/O模塊和伺服驅動器來控制電磁閥、伺服電機、變頻器等設備的運行。系統(tǒng)中的所有通信均基于以太網(wǎng)，反應速度極快[2-3]。

圖1 智能控制系統(tǒng)的架構圖

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構，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)庫作為上位機位于監(jiān)控室內(nèi)；子系統(tǒng)的下位機終端監(jiān)控器以PLC為核心，實現(xiàn)對各功能單元的控制；下位機終端以層壓機為中心對3個子系統(tǒng)實現(xiàn)獨立控制，完成各功能單元的信息采集、記錄和指令下達，并且將生產(chǎn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品質量信息實時上傳至中央數(shù)據(jù)庫。

智能控制系統(tǒng)中的各個功能模塊不僅相互獨立，同時也可以通過以太網(wǎng)將生產(chǎn)信息實時上傳至上位機，分布式控制和高實時響應的架構特點顯著提高了生產(chǎn)線的工作效率。該系統(tǒng)可及時反映生產(chǎn)現(xiàn)場的產(chǎn)品質量情況，通過對現(xiàn)場產(chǎn)品質量數(shù)據(jù)的匯總和分析，可實現(xiàn)制造過程中的質量監(jiān)控和質量追溯，并對關鍵質量參數(shù)進行統(tǒng)計過程控制，為管理決策提供支持，滿足企業(yè)對產(chǎn)品質量的要求。

3 軟件運行結果

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)為例進行說明。

系統(tǒng)正常啟動后，會自動進入系統(tǒng)開機界面，如圖2所示；用戶登錄后可點擊進入主控制界面，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個分區(qū)，每個分區(qū)的每個單元均分配了代碼，如A7、A8等，在報警信息、參數(shù)設置等界面中，主要以此代碼來區(qū)分單元的參數(shù)、報警信息、監(jiān)控信息等。操作人員可以設置流水線對接哪臺層壓機，例如按下“一號層壓機選擇”按鈕，組件將從流水線進入一號層壓機。主控制界面右側顯示的各分區(qū)可實現(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設置等功能。

圖2 開機界面

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)在進行全自動封裝時穩(wěn)定性高，高于同行業(yè)平均水平，正常情況下的上線時間(UPTime)高于95%以上，最高時可以達到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個人即可完成操作，可以實現(xiàn)從太陽電池到光伏組件生產(chǎn)全過程的自動化，對于改進現(xiàn)有組件封裝方式、降低組件生產(chǎn)過程中的時間成本及人工成本、提高組件生產(chǎn)質量的穩(wěn)定性方面具有重要作用。

4 結論

本文在光伏組件生產(chǎn)工藝流程的基礎上，設計了基于EtherCAT的光伏組件生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)，其高實時響應、分布式控制、一網(wǎng)到底的系統(tǒng)架構設計大幅提高了設備的工作效率，降低了組件的生產(chǎn)成本。實踐表明，該系統(tǒng)運行平穩(wěn)、可靠，可實時采集組件生產(chǎn)全生命周期的質量數(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。