光伏設(shè)備控制軟件現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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(dòng)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(dòng)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(jí)，不斷往高集成、高性能和高自動(dòng)化等方向發(fā)展，對(duì)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(shí)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(gè)設(shè)備的“大腦”，可以對(duì)設(shè)備各個(gè)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(jì)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(duì)設(shè)備提出了更高的要求，也對(duì)設(shè)備控制軟件提出了更高的要求。總的來說，光伏設(shè)備控制軟件的設(shè)計(jì)都主要遵從以下設(shè)計(jì)原則。

（1）可靠性

控制軟件作為設(shè)備的“大腦”，負(fù)責(zé)整臺(tái)設(shè)備所有運(yùn)行動(dòng)作的執(zhí)行，尤其是光伏行業(yè)這種高自動(dòng)化的生產(chǎn)行業(yè)，設(shè)備上同一個(gè)動(dòng)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?？刂栖浖目煽啃?，在程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，對(duì)一些重要執(zhí)行信號(hào)或邏輯，要有反饋機(jī)制。比如發(fā)送方傳送出一個(gè)運(yùn)行信號(hào)，接收方需要反饋一個(gè)接收成功的信號(hào)，確保信號(hào)接收成功，否則要認(rèn)為發(fā)送失敗進(jìn)行重發(fā)或報(bào)錯(cuò)等處理。

（2）實(shí)時(shí)性

高產(chǎn)能、高自動(dòng)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(dòng)運(yùn)行，設(shè)備的各個(gè)動(dòng)作信號(hào)、檢測信號(hào)都在快速地變化，這就要求監(jiān)控軟件應(yīng)具備很高的實(shí)時(shí)性。

為了確?？刂栖浖膶?shí)時(shí)性，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，要對(duì)控制對(duì)象和控制方式有一個(gè)全面的評(píng)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(duì)設(shè)備的大部分控制操作都是通過控制軟件來實(shí)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(jì)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(jì)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(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)、歷史記錄和報(bào)警信息等進(jìn)行一個(gè)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(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境。這些軟件實(shí)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(dòng)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(jià)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(hào) PECVD 設(shè)備上位機(jī)程序界面如圖1所示。

圖 1 某型號(hào) 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(shí)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(shí)現(xiàn)，實(shí)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(jì)。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(shí)、計(jì)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(gè) PLC 控制器組成，控制一個(gè)或多個(gè)被控設(shè)備，各個(gè)被控對(duì)象僅與PLC 的 IO 或拓展模塊連接，各被控對(duì)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(duì)象所處位置集中且相互之間動(dòng)作有一定聯(lián)系的場合。優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性好、成本低，缺點(diǎn)是應(yīng)用于較大較長的設(shè)備時(shí)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(duì)象主要是軌道的多個(gè)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(tái)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(jià)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(hào)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(shí)還適用于對(duì)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(tái)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(duì)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(shí)會(huì)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(shí)會(huì)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(gè)高自動(dòng)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?duì)設(shè)備的監(jiān)控過程中，對(duì)各種可能造成安全事故的操作或動(dòng)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(duì)全球氣候不斷惡化，我國確立了2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的目標(biāo)和2060年實(shí)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(shí)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(jià)值。光伏行業(yè)是一個(gè)穩(wěn)步向前發(fā)展的行業(yè)，在數(shù)字信息化時(shí)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(gè)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(shí)間、地點(diǎn)，使用不同的IT設(shè)備互相連接，實(shí)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(shí)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(jià)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(duì)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(duì)清潔可再生能源的關(guān)注到達(dá)一個(gè)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(duì)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。