適應(yīng)光伏電池生產(chǎn)的數(shù)字化車間智能制造系統(tǒng)

劉仁杰，周大良

(中國電子科技集團第四十八研究所國家光伏裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410111)

智能制造集成系統(tǒng)是一種集自動化、柔性化、集成化和智能化于一體的先進制造模式，MES、MCS、EAP等工業(yè)軟件則是智能制造集成系統(tǒng)的“大腦”和“靈魂”。工業(yè)軟件使得傳統(tǒng)的機械化、電氣化、自動化的工業(yè)裝備具有了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化特征，是提高光伏電池生產(chǎn)線電池效率穩(wěn)定性，減少人為因素干擾，增強企業(yè)自身競爭能力的重要途徑?？梢杂行Т龠M光伏電池工業(yè)技術(shù)發(fā)展和構(gòu)建新型光伏裝備的重要因素。

光伏電池數(shù)字化車間智能制造集成系統(tǒng)包括制造執(zhí)行系統(tǒng)、物料控制系統(tǒng)、設(shè)備自動化系統(tǒng)等子系統(tǒng)，涉及到控制信息、加工信息、狀態(tài)信息等大量異構(gòu)信息的傳輸及交互。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)一種綜合性集成網(wǎng)絡(luò)，承載著生產(chǎn)及控制信息的傳輸任務(wù)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)為安裝在廠房、車間、生產(chǎn)線等工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中全數(shù)字化的雙向通信系統(tǒng)。數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)包括工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建和通訊接口標準設(shè)計。本文主要介紹了包括構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)和PVECI通訊接口標準等信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，基于工業(yè)以太網(wǎng)的主控制系統(tǒng)硬件平臺等數(shù)字化車間智能制造集成系統(tǒng)硬件環(huán)境的開發(fā)、部署、調(diào)試。通過制造執(zhí)行系統(tǒng)、物料控制系統(tǒng)、設(shè)備自動化系統(tǒng)等工業(yè)軟件，形成光伏電池數(shù)字化車間智能制造集成系統(tǒng)示范平臺，實現(xiàn)企業(yè)應(yīng)用推廣。

1 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)概況

1.1 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是我國政府重點支持和引導(dǎo)的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。自2002年以來，我國太陽能電池產(chǎn)量均以100%以上的年增長率快速發(fā)展，連續(xù)4年產(chǎn)量世界第一?！笆晃濉逼陂g，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已成為我國為數(shù)不多、可以同步參與國際競爭、并有望達到國際領(lǐng)先水平的行業(yè)，我國太陽能電池繼續(xù)保持產(chǎn)量和性價比優(yōu)勢，國際競爭力愈益增強。預(yù)計2012年，我國太陽能電池產(chǎn)能將超過40 GW，產(chǎn)量將超過24 GW，同比增長50%以上，仍將占據(jù)全球半壁江山。制造設(shè)備的本土化率已經(jīng)超過50%，太陽能電池的質(zhì)量和技術(shù)水平也逐步走向世界前列。

雖然光伏產(chǎn)業(yè)作為朝陽產(chǎn)業(yè)，未來市場將會呈現(xiàn)指數(shù)增長。但短期內(nèi)，產(chǎn)業(yè)承受著較大的供給壓力。與快速增長的太陽能電池供給量相比，光伏需求量增長則顯得相形見絀。國內(nèi)銀根緊縮，同時歐洲市場宣布下調(diào)補助金額政策，一大批不具備競爭力或貿(mào)然進入光伏領(lǐng)域的光伏企業(yè)將在激烈的競爭中被整合或淘汰。綜上所述，2012年，我國光伏產(chǎn)業(yè)將步入大調(diào)整期。雖然產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍將保持穩(wěn)步增長，產(chǎn)業(yè)對外依賴度逐步下降，但由于市場供需失衡嚴重，外加美國“雙反”重壓，行業(yè)競爭將愈加殘酷與非理性，產(chǎn)業(yè)整合迫在眉睫，企業(yè)開始進入薄利時代，光伏制造和系統(tǒng)集成的智能化、集約化和精細化成為了產(chǎn)業(yè)致勝的法寶。

因此，只有以自主創(chuàng)新為基礎(chǔ)，掌握高端裝備和工藝集成的能力，實施光伏電池智能制造工程，走以成套工藝、自主設(shè)備制造、整線工藝集成為特色的新能源產(chǎn)業(yè)道路，最大限度地減少人工干預(yù)，降低制造成本和提高轉(zhuǎn)換效率，打破行業(yè)同質(zhì)化競爭現(xiàn)狀，才能進一步提升我國光伏電池企業(yè)的市場競爭力，保持我國光伏產(chǎn)業(yè)制造大國的地位，實現(xiàn)我國光伏產(chǎn)業(yè)及高端制造裝備的健康、快速、可持續(xù)發(fā)展。

1.2 太陽能光伏電池制造裝備發(fā)展趨勢

光伏技術(shù)是一種利用太陽能電池片將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，它是解決當(dāng)前世界持續(xù)增長能源需求的一種新技術(shù)，具有無污染，可靠性高，無維護費用等優(yōu)點。晶體硅電池作為一種高效低成本的光伏電池技術(shù)率先實現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，在相當(dāng)長時期內(nèi)主宰整個光伏發(fā)電市場，其所占比重一直在90%以上。光伏裝備作為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心和基礎(chǔ)，光伏產(chǎn)業(yè)鏈的每一個環(huán)節(jié)都離不開相應(yīng)的生產(chǎn)裝備，尤其是用于光伏電池生產(chǎn)的裝備，是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)與支撐，是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)競爭力的集中體現(xiàn)。

晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)鏈主要有光伏材料提純/薄片制造、光伏電池制造、組件制造等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其中光伏電池制造包括清洗制絨、擴散、制備減反射膜、刻蝕、絲網(wǎng)印刷、高溫?zé)Y(jié)、檢測分選等工藝步驟。這些步驟在生產(chǎn)線上由清洗機、擴散爐、PECVD、刻蝕機、絲網(wǎng)印刷機、燒結(jié)爐、測試分選設(shè)備等多種設(shè)備完成。

1.2.1 低成本化

太陽能電池制造裝備的發(fā)展目的是為了提高電池的最終產(chǎn)品質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)換效率、整線生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。以德國、意大利為代表的歐洲裝備制造商同日本、美國裝備制造商代表了當(dāng)今世界相關(guān)裝備的最高技術(shù)水平。其技術(shù)特征為高產(chǎn)能、自動化、工藝物化于裝備的程度及適合越來越大（從最初的103 mm×103 mm、125 mm×125 mm方硅片發(fā)展到目前主流的156 mm×156 mm方硅片，及未來兩年的210 mm×210 mm方硅片）、越來越?。?00→270→240→210→180→160 μm）的硅片工藝。

圖1 晶體硅光伏電池生產(chǎn)線

1.2.2 新裝備與新工藝成套化

“一代工藝、一代裝備。”只有在一流的工藝指導(dǎo)下，才能研制開發(fā)出一流的裝備。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)大生產(chǎn)化的要求，要求裝備與工藝有機地結(jié)合，根據(jù)光伏電池整線生產(chǎn)工藝的要求有針對性地進行整套生產(chǎn)裝備的開發(fā)。而且裝備的成套研發(fā)，使工藝物化到裝備中，能極大地縮短生產(chǎn)線的建設(shè)周期，減少整線裝備中各裝備工藝的摸索，并能夠提高生產(chǎn)效率和提高資金的投資回報。隨著微電子平面制造工藝技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和裝備功能的不斷拓展，新技術(shù)伴隨著新裝備的涌現(xiàn)，同時微電子技術(shù)也不斷轉(zhuǎn)移擴散進入晶體硅太陽能電池領(lǐng)域。如：太陽能電池生產(chǎn)線將不同程度地大面積應(yīng)用新型半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù)如激光技術(shù)、離子注入摻雜技術(shù)、濕法刻蝕技術(shù)、PECVD應(yīng)用等，發(fā)展整線裝備與新工藝結(jié)合的“整線交鑰匙”系統(tǒng)集成成套解決方案，是今后光伏裝備生產(chǎn)商的主要應(yīng)用方向。

1.2.3 智能化

光伏裝備可歸入半導(dǎo)體裝備領(lǐng)域，其技術(shù)涉及物理、化學(xué)、光學(xué)、電子、材料及自動控制等數(shù)十個專業(yè)領(lǐng)域，具有較高的技術(shù)含量。光伏裝備不僅是生產(chǎn)工藝技術(shù)的載體，關(guān)系到光伏產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，光伏裝備經(jīng)歷了手動、半自動、全自動發(fā)展過程。智能化裝備技術(shù)是確保裝備與工藝完美結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)，新型高效光伏電池生產(chǎn)線將應(yīng)用半導(dǎo)體MES制造經(jīng)驗，運用計算機技術(shù)，精密傳感技術(shù)，將通過可感應(yīng)、可量度和互聯(lián)互通的解決方案將對任何潛在的危險或故障狀況提出警報，使生產(chǎn)線可根據(jù)危及生產(chǎn)人員及產(chǎn)品質(zhì)量安全的程度和緊迫性立即采取整改措施。實現(xiàn)設(shè)備自動化和成套化，流程制造電子化，包括產(chǎn)品全生產(chǎn)流程周期的監(jiān)控、生產(chǎn)計劃生產(chǎn)裝備的調(diào)度、整線裝備維護等在內(nèi)的自動優(yōu)化，并能夠提高各種生產(chǎn)資源使用效率、實現(xiàn)自診斷，自恢復(fù)，無人工干預(yù)，減少故障處理時間和工作量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少成本和開支。用自動化、智能化的手段把光伏裝備、整線工藝和大生產(chǎn)運營管理綜合起來考慮，為客戶提供成套解決方案。智能化的新一代全自動智慧生產(chǎn)線已經(jīng)成為重要發(fā)展方向。

2 適應(yīng)現(xiàn)代太陽能光伏電池制造裝備與技術(shù)特點

光伏電池數(shù)字化車間以智能制造集成系統(tǒng)為代表的信息化綜合集成創(chuàng)新是新一代光伏制造技術(shù)及高端電子裝備技術(shù)的理想方案，具有重要研制意義。其智能制造集成系統(tǒng)的研制將開創(chuàng)整線裝備集成化和智能化在光伏領(lǐng)域應(yīng)用的先河，大大提高國產(chǎn)光伏電池生產(chǎn)線整線裝備的自動化和智能化水平，實現(xiàn)光伏電池生產(chǎn)的集約化和精細化管理，最大限度的降低生產(chǎn)成本和提高電池光電轉(zhuǎn)換效率，極大提升光伏電池企業(yè)的市場競爭力，最終提高我國光伏產(chǎn)業(yè)在國際光伏領(lǐng)域的地位，實現(xiàn)我國由光伏大國向光伏強國的轉(zhuǎn)變。

2.1 適應(yīng)光伏電池自動化生產(chǎn)的PVECI通訊

國際半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，晶圓追蹤管理系統(tǒng)均采用 CIM (Computer-Integrated-Manufacturing)系統(tǒng)，以實現(xiàn)工廠自動化 (Factory Automation-FA)，來最大限度地提升制造能力。目前，國產(chǎn)的太陽能設(shè)備基本上屬于各自為政的狀態(tài)：設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與管理機之間無法溝通交流，有部分設(shè)備之間可以互聯(lián)通信但是沒有統(tǒng)一的通信標準，這是國內(nèi)設(shè)備目前普遍存在的問題，這樣的局面如果不盡快改變將嚴重限制國產(chǎn)太陽能設(shè)備的國際競爭能力以及未來全自動成套設(shè)備的兼容性和整線自動化水平，并將最終影響太陽能電池片生產(chǎn)商的采購決策。與此形成鮮明對比的是國際一流生產(chǎn)廠商設(shè)計的太陽能生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)形成統(tǒng)一的準入接口標準PVECI(PV Equipment Communication Interfaces）。協(xié)議規(guī)定光伏生產(chǎn)線設(shè)備必須在生產(chǎn)運轉(zhuǎn)期間與工廠主機保持密切的聯(lián)系，以接受來自主機電腦的控制或查詢，并且能夠及時回應(yīng)主機的指令，回報執(zhí)行結(jié)果，除此之外，也要主動回報目前設(shè)備的異常狀況。

新一代的自主裝備必須具備統(tǒng)一的接口通訊部件和功能，應(yīng)用PVECI協(xié)議，并對已定型或已交付的太陽能生產(chǎn)設(shè)備實行自動化通信接口改造，以支持PVECI接口，并保證新增的自動化成套設(shè)備支持PVECI接口。目前，太陽能設(shè)備控制器一般可以分為兩種類型：一是使用PC機作為監(jiān)控、一是使用PLC作為監(jiān)控。這兩種類型的設(shè)備對PVECI協(xié)議的支持略有不同。使用PC機作為監(jiān)控的設(shè)備需要修改原有的控制軟件，并增加對PVECI協(xié)議的支持。使用PLC作為監(jiān)控的設(shè)備需要增加智能顯示終端（例如：觸摸屏、平板計算機等），在智能顯示終端上提供對PVECI的支持。

（1）基于PC控制器的通訊標準化改造。對于采用PC作為控制器的自動化設(shè)備，其通訊標準化改造主要通過對其控制軟件中的通訊部分進行開發(fā)擴展。主要實現(xiàn)手段如圖2所示，通過中間件的開發(fā)，實現(xiàn)對該設(shè)備進行控制的原有通訊協(xié)議數(shù)據(jù)與主控制系統(tǒng)硬件平臺PVECI通信協(xié)議數(shù)據(jù)間的翻譯。

圖2 基于PC控制器的通訊標準化改造實現(xiàn)

（2）基于PLC控制器的通訊標準化改造。對于采用PLC作為控制器的自動化設(shè)備，其通訊標準的改造可根據(jù)其設(shè)備復(fù)雜程度，由更改PLC控制系統(tǒng)或增加智能控制終端的形式如圖3所示兩種方式實現(xiàn)。對于控制相對簡單的自動化設(shè)備，可通過對PLC系統(tǒng)進行重新編程，更改其所接受的I/O信號的含義。對于控制相對復(fù)雜的自動化設(shè)備，可通過增加智能控制終端，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛赑C控制器的系統(tǒng)，并重新建立新的通訊標準。

2.2 光伏電池制造執(zhí)行裝備研究開發(fā)

在光伏專用數(shù)字化制造執(zhí)行系統(tǒng)中需要生產(chǎn)調(diào)度模塊來根據(jù)物料輸送管理、生產(chǎn)管理中的實時信息，在用戶自定義規(guī)則的基礎(chǔ)上，協(xié)助計劃人員安排作業(yè)、投產(chǎn)、備料，提示計劃人員可行的方案，縮小計劃人員的選擇范圍，提高計劃的效率并減輕計劃人員的負擔(dān)。提供現(xiàn)場管理模塊將生產(chǎn)安排結(jié)果迅速地傳遞到作業(yè)現(xiàn)場，幫助現(xiàn)場管理人員及時地對工作安排做出調(diào)整。

圖3 基于PLC控制器的通訊標準化改造實現(xiàn)

在光伏專用數(shù)字化制造執(zhí)行系統(tǒng)中，通過產(chǎn)品定義使得產(chǎn)品工程師可以方便地定義新產(chǎn)品，建立客戶產(chǎn)品與企業(yè)產(chǎn)品之間的關(guān)聯(lián)，減少合并投料的工作量。通過集中規(guī)范的工藝流程定義環(huán)境，來保證所有工藝、技術(shù)、工程、制造、質(zhì)量控制在一個統(tǒng)一規(guī)范的環(huán)境中工作，以便于信息的及時共享，減少重復(fù)定義錯誤，實現(xiàn)完整的版本管理，保障工藝流程歷史信息回溯。

系統(tǒng)需要實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度管理、設(shè)備維護管理、質(zhì)量控制管理等三大功能模塊。其中生產(chǎn)調(diào)度管理模塊主要包括工單管理、批次管理、無紙化管理、條碼管理、自動標簽管理、制造周期管理等。設(shè)備維護管理模塊主要包括設(shè)備狀態(tài)管理、保養(yǎng)流程管理、保養(yǎng)計劃管理、設(shè)備異常管理、設(shè)備關(guān)鍵性能指標統(tǒng)計等。質(zhì)量控制管理模塊主要包括統(tǒng)計過程分析、異常處理計劃流程、退料審查流程控制、品管報表等。

2.3 光伏電池數(shù)字化車間智能制造系統(tǒng)集成技術(shù)

光伏電池數(shù)字化車間智能制造集成系統(tǒng)主要是由制造執(zhí)行系統(tǒng) (Manufacturing Execution System，MES)、物料控制系統(tǒng)(Material Control System，MCS)和設(shè)備自動化系統(tǒng)(Equipment Automation Programming，EAP)組成。智能制造集成系統(tǒng)框架如圖4所示，包括選購或開發(fā)制造執(zhí)行系統(tǒng)及其相關(guān)中間件，搭建數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，改造車間現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備，最終通過集成調(diào)試和工程實施達到建設(shè)光伏電池數(shù)字化車間智能集成制造系統(tǒng)的預(yù)期目標。

圖4 數(shù)字化車間智能制造系統(tǒng)框架圖

3 前景展望

中國光伏產(chǎn)業(yè)近幾年的成長速度遠遠超過全球平均增幅。國家政策鼓勵發(fā)展，中國嚴峻的環(huán)保形勢，客觀上也急需尋找可替代能源，這些都為光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。但是在我國光伏產(chǎn)業(yè)高速增長的環(huán)境下，光伏企業(yè)各自為政、重復(fù)建設(shè)、同質(zhì)化競爭現(xiàn)象十分嚴重，各環(huán)節(jié)之間缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，缺乏有效降低成本，提升轉(zhuǎn)化效率的手段和創(chuàng)新能力，新裝備和新技術(shù)的應(yīng)用難以融匯、協(xié)同，未形成我國制造業(yè)的整體優(yōu)勢。

通過光伏電池生產(chǎn)線數(shù)字化車間智能制造集成系統(tǒng)建設(shè)，有效提升整線裝備自動化、智能化技術(shù)水平，形成智能化光伏電池整線裝備集成交鑰匙工程的能力，有助于提升行業(yè)自主創(chuàng)新能力和后續(xù)發(fā)展能力，促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，推動我國向光伏產(chǎn)業(yè)大國、強國發(fā)展。同時通過該技術(shù)的規(guī)?；慨a(chǎn)后能有效改觀目前光伏智能部件完全依賴進口的局面，實現(xiàn)智能光伏生產(chǎn)線完全國產(chǎn)化，促使我國太陽能電池企業(yè)因投資成本減少、投資效率提高而處于非常有利的國際競爭地位，大大加快太陽能在我國的應(yīng)用推廣速度，逐步減少傳統(tǒng)能源供應(yīng)比例，減少污染，緩解國民經(jīng)濟高速增長給能源供應(yīng)帶來的日益嚴重的巨大壓力。

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