一種雙軌式全自動太陽電池測試分選設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

彭 浩，郭 立，吳易龍，龍 輝

(湖南紅太陽光電科技有限公司，長沙 410000)

0 引言

太陽能作為最具潛力的可再生能源之一成為產(chǎn)業(yè)投資和市場關(guān)注的重點(diǎn)，這也推動了太陽電池技術(shù)的日趨成熟和不斷發(fā)展。太陽電池測試分選設(shè)備是太陽電池生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，通過模擬太陽光譜光源，可自動測試太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率、串并聯(lián)電阻、漏電流等相關(guān)的電性能參數(shù)，并根據(jù)測試結(jié)果對太陽電池進(jìn)行自動分類[1]。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展和日益激烈的市場競爭環(huán)境對太陽電池測試分選設(shè)備的產(chǎn)能提出了更高要求，本文設(shè)計了一種應(yīng)用于雙軌式全自動太陽電池測試分選設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)安裝在工控機(jī)上，一方面可通過鼠標(biāo)、鍵盤、顯示屏等輸入單元與操作人員進(jìn)行交互；另一方面可通過與可編程邏輯控制器(PLC)及光源的通信分別完成與設(shè)備和光源的信息交互和監(jiān)控。

1 本監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 雙軌式全自動太陽電池測試分選設(shè)備結(jié)構(gòu)

雙軌式全自動太陽電池測試分選設(shè)備有左右2條軌道，2條軌道的結(jié)構(gòu)相同，均由上料部分、測試部分和下料部分組成，具體如圖1所示。與傳統(tǒng)的單軌設(shè)備相比，雙軌式設(shè)備的集成度更高，產(chǎn)能也更高。

圖1 雙軌式全自動太陽電池測試分選設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of double-track automatic solar cell testing and sorting equipment

1)上料部分由上料盒、升降機(jī)構(gòu)、上料機(jī)械手、傳動機(jī)構(gòu)及相關(guān)傳感器等組成。上料部分的工作流程為：將裝載有太陽電池的上料盒放至上料位置固定，然后升降機(jī)構(gòu)將上料盒內(nèi)的太陽電池頂升；通過傳感器檢測上料盒中是否還有太陽電池，若有，則上料機(jī)械手通過其裝配的吸盤將太陽電池抓取至傳動機(jī)構(gòu)上，通過傳動機(jī)構(gòu)，將太陽電池傳送至測試部分；若無，則升降機(jī)構(gòu)回到原點(diǎn)，回收上料盒后重新裝料。上料部分的工作流程如圖2所示。

圖2 上料部分的工作流程圖Fig. 2 Process flow chart of loading system

上料部分每條導(dǎo)軌配備2個上料盒，單邊軌道可同時抓取2片太陽電池，有利于產(chǎn)能的提升；另外，上料部分采用離線式設(shè)計，手動上料，使用場景更加靈活，可以為對太陽電池測試分選設(shè)備產(chǎn)能補(bǔ)充有需求或?qū)Ｗ⑻栯姵販y試分選用途的設(shè)備生產(chǎn)公司提供解決方案。

2)測試部分由定位機(jī)構(gòu)、探針機(jī)構(gòu)、光源模擬器、傳動機(jī)構(gòu)及相關(guān)傳感器等組成。測試部分的工作流程為：從上料部分傳送過來的太陽電池通過定位機(jī)構(gòu)固定后，探針機(jī)構(gòu)的上下探針排壓住太陽電池上的柵線，此時光源模擬器閃光，若能測得太陽電池的電性能參數(shù)，則探針機(jī)構(gòu)和定位機(jī)構(gòu)松開回到初始位置，通過傳動機(jī)構(gòu)將此太陽電池送至下料部分；若不能，則光源模擬器重新閃光，繼續(xù)檢測太陽電池的電性能參數(shù)。測試部分的工作流程如圖3所示。

圖3 測試部分的工作流程圖Fig. 3 Process flow chart of testing system

3)下料部分由下料盒、傳動機(jī)構(gòu)、相關(guān)傳感器及下料機(jī)械手組等組成。下料部分的工作流程為：對于從測試部分傳送過來的太陽電池，利用計算機(jī)對測得的太陽電池電性能參數(shù)進(jìn)行處理，之后得到分檔信息，由8個機(jī)械手組成的下料機(jī)械手組通過其裝配的吸盤將太陽電池抓取并放至對應(yīng)檔位的下料盒中，而無法識別電性能的太陽電池將被流入設(shè)備尾部的廢料盒中。若盛放某個太陽電池檔位的下料盒已裝滿，則取走太陽電池，清空下料盒；若通過傳感器檢測到廢料盒內(nèi)有太陽電池，則取走廢片，清空廢料盒。下料部分的工作流程如圖4所示。

圖4 下料部分的工作流程圖Fig. 4 Process flow chart of unloading system

下料部分的2條軌道共用一個下料機(jī)械手組，通過控制邏輯協(xié)調(diào)工作，降低了成本，提高了分選效率。

1.2 本監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)通過工控機(jī)上的RS232串口總線與基恩士(中國)有限公司生產(chǎn)的控制器單元進(jìn)行通信，再通過下一級的PLC控制模塊對設(shè)備驅(qū)動器、電機(jī)和傳感器等進(jìn)行控制；同時，通過2路RS232串口總線與德國Halm公司生產(chǎn)的2臺光源模擬器進(jìn)行通信，獲取測試結(jié)果等信息。

本監(jiān)控系統(tǒng)分為3個功能模塊：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視模塊、通信模塊和PLC控制模塊。監(jiān)控系統(tǒng)控制原理圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)控制原理圖Fig. 5 Control schematic diagram of monitoring system

2 本監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視模塊

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視模塊主要是指安裝在工控機(jī)上的上位機(jī)軟件。該軟件通過Visual Basic編程實(shí)現(xiàn)，提供友好、直觀的人機(jī)交互界面，提供全中文化操作菜單，操作人員可以通過菜單進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、設(shè)備歷史信息的查看、界面左右手操作模式的切換、用戶名及密碼的更改等操作。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視模塊的運(yùn)行界面，如圖6所示，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工單號、下料盒中太陽電池的數(shù)量等通過顯示屏呈現(xiàn)，方便操作人員對太陽電池測試分選設(shè)備的監(jiān)視。

圖6 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視模塊的運(yùn)行界面Fig. 6 Operation interface of equipment status monitoring module

2.2 通信模塊

本監(jiān)控系統(tǒng)的通信模塊包括兩部分：監(jiān)控系統(tǒng)與PLC通信的通信模塊和監(jiān)控系統(tǒng)與光源模擬器通信的通信模塊。

2.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)與PLC通信的通信模塊

PLC采用的是日本基恩士公司生產(chǎn)的KV-3000系列控制器，可通過專用的連接電纜和D-Sub9針連接器與工控機(jī)連接，采用RS232串口總線通信協(xié)議。由工控機(jī)向控制器發(fā)送指令，控制器接收到指令后向工控機(jī)給出響應(yīng)數(shù)據(jù)。以RDS指令為例，該指令用于連續(xù)讀取指定個數(shù)的軟元件數(shù)據(jù)。工控機(jī)向控制器發(fā)送指令的格式如圖7所示，控制器接收到指令后給出的響應(yīng)數(shù)據(jù)格式如圖8所示。

圖7 工控機(jī)發(fā)送的RDS指令格式Fig. 7 RDS command format sent by industrial computer

圖8 控制器接收到指令后給出的響應(yīng)數(shù)據(jù)格式Fig. 8 Response data format given by the controller after receiving the command

比如：當(dāng)操作人員需要從繼電器的編號100開始讀取4個寄存器值時，工控機(jī)向控制器發(fā)送RDS指令，以讀取繼電器數(shù)據(jù)，RDS指令讀取繼電器數(shù)據(jù)時的格式如圖9所示，控制器給出的響應(yīng)數(shù)據(jù)的格式如圖10所示。從控制器響應(yīng)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，R100的值為“1”，R101的值為“0”，R102的值為“1”，R103的值為“0”。

圖9 RDS指令讀取繼電器數(shù)據(jù)格式Fig. 9 Format of RDS command when reading relay data

圖10 控制器給出的響應(yīng)數(shù)據(jù)格式Fig. 10 Response data format given by the controller

通過上述通信方式，工控機(jī)可從控制器讀取各個寄存器的當(dāng)前值，也可將數(shù)據(jù)寫入控制器的各個寄存器中。

2.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)與光源模擬器通信的通信模塊

雙軌式全自動太陽電池測試分選設(shè)備采用雙光源模擬器模式。監(jiān)控系統(tǒng)通過RS232串口總線通信協(xié)議與2臺光源模擬器建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。太陽電池的電性能測試完成后，光源模擬器會將測得的電性能參數(shù)進(jìn)行邏輯處理，然后將處理結(jié)果通過輸出指令的方式傳輸?shù)焦た貦C(jī)。比如，當(dāng)工控機(jī)接收到的指令為“123”；00；10；”時，則代表ID為“123”的太陽電池的電性能測試結(jié)果為“無錯誤”，等級為“10”。

通過上述通信方式，工控機(jī)可以獲得太陽電池的測試結(jié)果，并計算出分檔信息。

2.3 PLC控制模塊

PLC控制模塊主要通過日本基恩士公司開發(fā)的KV STUDIO軟件進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)對雙軌式全自動太陽電池測試分選設(shè)備電機(jī)、傳感器、氣缸、真空開關(guān)等元件的控制，編程方式以梯形圖為主。KV STUDIO軟件內(nèi)集成了梯形圖語言的各種指令，比如MOV指令，具體如圖11所示。圖中：S為傳送源數(shù)據(jù)或存儲該數(shù)據(jù)的軟元件，D為存儲數(shù)據(jù)的軟元件，當(dāng)執(zhí)行條件為“ON”時，會將S中的數(shù)據(jù)存儲到D中。

圖11 MOV指令梯形圖Fig. 11 MOV command ladder

例如：將常數(shù)“12345”存儲至軟元件DM100中，則MOV指令梯形圖示例如圖12所示。

圖12 MOV指令梯形圖示例Fig. 12 Example of MOV command ladder

通過利用梯形圖進(jìn)行編程，既可以實(shí)現(xiàn)整個設(shè)備的運(yùn)行邏輯，又可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)、氣缸等運(yùn)動元件和傳感器、儀表等檢測元件進(jìn)行狀態(tài)的監(jiān)視和控制。

3 本監(jiān)控系統(tǒng)的其他功能

3.1 數(shù)據(jù)存儲功能

本監(jiān)控系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)自動存儲和分類功能，將系統(tǒng)獲取的設(shè)備運(yùn)行記錄、報警記錄等數(shù)據(jù)自動保存至Office Access數(shù)據(jù)庫，方便后續(xù)的追蹤和管理。數(shù)據(jù)庫中的保存數(shù)據(jù)示例如圖13所示。

圖13 數(shù)據(jù)庫中的保存數(shù)據(jù)示例Fig. 13 Example of saved data in database

3.2 打印機(jī)功能

通常，太陽電池在分檔完成后需要進(jìn)行打包，然后將此太陽電池的工單號、類型、線別和光電轉(zhuǎn)換效率等信息由打印機(jī)打印出條碼后，貼在包裝上，最后掃描入庫存檔。

為了減少操作步驟，提高工作效率，本監(jiān)控系統(tǒng)配備了打印機(jī)功能。用戶只需在軟件上的“打印機(jī)條碼設(shè)置”界面輸入太陽電池的批次信息和下料盒對應(yīng)的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率信息，在某個下料盒填滿后，按下對應(yīng)的清檔按鈕，在取出太陽電池的同時，監(jiān)控系統(tǒng)通過與打印機(jī)建立通信，上傳對應(yīng)下料盒的信息并發(fā)出打印指令，打印機(jī)打印出相應(yīng)的條碼，方便操作人員取出條碼貼在包裝上，掃描入庫。打印機(jī)條碼設(shè)置界面如圖14所示。

圖14 打印機(jī)條碼設(shè)置界面Fig. 14 Operation interface of printer barcode settings

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于雙軌式全自動太陽電池測試分選設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的功能進(jìn)行了介紹，得到以下結(jié)論：

1)一臺設(shè)備上2條軌道同時運(yùn)行，不僅減少了占地面積，降低了對工廠空間的需求，而且通過共用機(jī)架、下料機(jī)械手組等結(jié)構(gòu)件，降低了設(shè)備成本；

2)離線式的上料設(shè)計，使用場景更加靈活，可以為對分選產(chǎn)能補(bǔ)充有需求或?qū)Ｗ⒎诌x用途的公司提供解決方案；

3) PLC采用高速的KV-3000系列控制器，保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性；

4)具有良好的人機(jī)交互界面，操作簡單、方便、直觀；

5)操作記錄、報警記錄和分選記錄等數(shù)據(jù)可自動保存至數(shù)據(jù)庫文件，可以隨時查詢和管理；

6)配置了打印機(jī)功能可以縮短操作流程，減少失誤，提高封裝入庫的效率。

雙軌式太陽電池測試分選設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用表明了其具有可行性、可靠性和穩(wěn)定性等優(yōu)勢。