光伏電池?cái)?shù)字化車間設(shè)計(jì)

岳永杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

工業(yè)革命以來，伴隨著人類社會(huì)的飛速發(fā)展，能源特別是以煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源的消耗嚴(yán)重，已難以滿足經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，而且化石能源的過度使用，嚴(yán)重地破壞了自然生態(tài)環(huán)境。太陽能作為綠色、無污染的可再生能源，引起了廣泛的關(guān)注，近年來光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用越來越深入。

如何提高光伏電池的生產(chǎn)效率，降低其生產(chǎn)成本成為目前研究的一個(gè)重點(diǎn)問題。本文基于晶體硅電池片生產(chǎn)過程的研究，通過對(duì)其生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化管控，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光伏電池?cái)?shù)字化車間，極大地提升了光伏電池的制造水平。

1 光伏電池制備工藝流程

光伏電池的生產(chǎn)工藝流程如圖1。

圖1 太陽能電池生產(chǎn)工藝流程圖

光伏電池生產(chǎn)工藝過程介紹：

1) 清洗制絨：清洗制絨，又稱“表面織構(gòu)化”，該工藝步驟是為后續(xù)工藝做表面清理準(zhǔn)備，利用堿腐蝕硅片表面，形成許多的四面方錐體，以減少對(duì)太陽光的反射，從而提高短路電流，進(jìn)一步使電池光電轉(zhuǎn)換效率得以提高。

2) PN結(jié)制備：PN結(jié)制備，通過化學(xué)氣相沉積，在反應(yīng)室中對(duì)等離子氣體進(jìn)行分解，使得含有磷原子的成分沉積，與硅片襯底進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為一層薄膜，這層薄膜就是光伏電池的核心PN結(jié)。

3) 去磷硅玻璃：在PN結(jié)制備過程中，等離子氣體分解后會(huì)在硅片表面進(jìn)行擴(kuò)散，除表面以外，邊緣也無法避免會(huì)擴(kuò)散部分含磷的基團(tuán)，而在光伏發(fā)電的過程中，PN結(jié)產(chǎn)生的電子會(huì)沿邊緣流入PN結(jié)背面，造成短路。

將經(jīng)過PN結(jié)制備的硅片，在氫氟酸溶液中浸泡腐蝕，通過化學(xué)反應(yīng)去除分解擴(kuò)散過程中邊緣產(chǎn)生的硅磷玻璃層。

4) 導(dǎo)電氧化層制備：為了使電池片有更好的導(dǎo)電性，在生產(chǎn)過程中還需要在硅片的正面和背面鍍一層具有透明性和良好導(dǎo)電性的氧化薄膜，可以有效地提高對(duì)太陽光的吸收率，電子的收集率，盡可能的減少光的反射，同時(shí)，該薄膜也會(huì)對(duì)硅片起到保護(hù)作用。

5) 電極印刷、電池片退火：硅片在鍍上氧化層之后，需要通過絲網(wǎng)將漿料通過帶圖形的網(wǎng)孔在硅片的正反面印刷電極，該工藝使用低溫銀漿印刷，然后經(jīng)過半小時(shí)的恒溫退火處理，使得漿料中的有機(jī)物等揮發(fā)，工藝流程結(jié)束。

2 數(shù)字化車間架構(gòu)

基于光伏電池生產(chǎn)線，結(jié)合ERP(Enterprise Resource Planning),引入MES(Manufacturing Execution System)系統(tǒng)和EAP(Equipment Automation Programming)系統(tǒng)，數(shù)字化車間系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2。

系統(tǒng)整體架構(gòu)分為4層：設(shè)備層、EAP控制層、MES執(zhí)行層、ERP業(yè)務(wù)管理層。

設(shè)備層：一次清洗機(jī)、低壓擴(kuò)散爐、二次清洗機(jī)、PECVD爐、絲網(wǎng)印刷機(jī)、自動(dòng)傳輸設(shè)備、機(jī)械手、AGV小車等。

EAP控制層：EAP系統(tǒng)支持標(biāo)準(zhǔn)的光伏設(shè)備通訊協(xié)議PVECI(PV Equipment Communication Interfaces)，通過與PC工控機(jī)或設(shè)備PLC控制器通訊，通過設(shè)備提供的通訊接口[1]，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)的采集。

MES執(zhí)行層：基于生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行排程管理，通過EAP系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量以及報(bào)警信息等數(shù)據(jù)采集，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行全面數(shù)字化管理控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的可追溯性。

ERP業(yè)務(wù)管理層：主要包含人力資源、財(cái)務(wù)管理、采購管理、主數(shù)據(jù)管理、物料需求計(jì)劃和訂單管理等管理模塊?；诋a(chǎn)品訂單制定生產(chǎn)計(jì)劃，生產(chǎn)計(jì)劃是MES系統(tǒng)生產(chǎn)排程的主要依據(jù)。

3 數(shù)字化車間詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于上文所述，數(shù)字化車間架構(gòu)中最核心的系統(tǒng)為MES系統(tǒng)，MES系統(tǒng)面向車間生產(chǎn)，其功能模塊可劃分為：產(chǎn)品訂單管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)執(zhí)行管理、生產(chǎn)跟蹤/追溯、數(shù)據(jù)分析等。

1) 生產(chǎn)計(jì)劃管理。生產(chǎn)計(jì)劃是由ERP系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品訂單生成，由MES系統(tǒng)通過接收ERP系統(tǒng)下達(dá)的訂單信息，通過排產(chǎn)模塊進(jìn)行優(yōu)化排產(chǎn)，形成詳細(xì)生產(chǎn)工單并下發(fā)到對(duì)應(yīng)工位進(jìn)行生產(chǎn)[3]。

2) 訂單管理。訂單管理主要是為區(qū)分原料品質(zhì)，按照不同批次及客戶要求選擇相應(yīng)工作計(jì)劃，建立不同的訂單，分類統(tǒng)計(jì)，方便實(shí)現(xiàn)來料控制。不同的工作計(jì)劃可實(shí)現(xiàn)工藝步驟控制。

3) 生產(chǎn)執(zhí)行管理。MES系統(tǒng)通過EAP系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程中的設(shè)備信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，保證系統(tǒng)下發(fā)工單的正常流轉(zhuǎn)。在生產(chǎn)執(zhí)行過程中，MES通過EAP系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)、對(duì)相關(guān)工位的執(zhí)行進(jìn)度及設(shè)備狀態(tài)信息等進(jìn)行監(jiān)控管理。

4) 生產(chǎn)跟蹤/追溯。提供對(duì)在產(chǎn)的硅片半成品跟蹤，以及電池片成品的追溯。主要包括生產(chǎn)跟蹤、產(chǎn)品追溯、質(zhì)量追溯、在制品查詢等功能。對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題可快速定位。

5) 數(shù)據(jù)采集

a) 設(shè)備狀態(tài)采集。通過采集到的數(shù)據(jù)，MES可以對(duì)生產(chǎn)線各終端及設(shè)備工位的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)設(shè)備故障日志記錄，方便統(tǒng)計(jì)與查詢。

b) 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集。通過EAP系統(tǒng)與生產(chǎn)線中設(shè)備互連，MES系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握生產(chǎn)線中電池片的加工狀態(tài)，即從生產(chǎn)線上線點(diǎn)開始，對(duì)電池片的加工過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集內(nèi)容包括工序、工序加工時(shí)間以及對(duì)應(yīng)加工設(shè)備。

c) 質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。電池片生產(chǎn)過程中，MES系統(tǒng)根據(jù)各設(shè)備工位設(shè)置的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

d) 工藝數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各設(shè)備工位的關(guān)鍵工藝參數(shù)，將不同種類的產(chǎn)品與工藝路線綁定，同時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)做日志存檔處理，方便工藝人員進(jìn)行工藝參數(shù)分析與質(zhì)量追溯，優(yōu)化工藝路線，從而使得產(chǎn)品合格率、生產(chǎn)效率提高。

e) 關(guān)鍵物料信息采集?？梢酝ㄟ^掃描條形碼或手動(dòng)錄入方式，采集產(chǎn)品的關(guān)鍵物料信息，并將關(guān)鍵物料信息與產(chǎn)品進(jìn)行綁定。

6) 數(shù)據(jù)分析

a) 決策數(shù)據(jù)分析：為車間領(lǐng)導(dǎo)層提供生產(chǎn)/運(yùn)行狀態(tài)、車間運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)的偏差分析，為領(lǐng)導(dǎo)層提供有效的決策支持。

b) 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析：對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控和分析，并反饋給系統(tǒng)調(diào)度人員，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的調(diào)度，并可以對(duì)生產(chǎn)過程信息進(jìn)行分析。

c) 設(shè)備數(shù)據(jù)分析：系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)、效能等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)超出預(yù)設(shè)參數(shù)范圍時(shí)，MES會(huì)協(xié)助設(shè)備管理人員分析數(shù)據(jù)，查找原因。

d) 質(zhì)量數(shù)據(jù)分析：MES可以按工藝參數(shù)定義產(chǎn)品分選標(biāo)準(zhǔn)劃分對(duì)應(yīng)的區(qū)間，系統(tǒng)工藝管理人員可以根據(jù)電池片的質(zhì)量分布情況，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝控制，為合理選擇原材料和優(yōu)化工藝步驟提供參考。

4 結(jié)束語

本文基于光伏電池片自動(dòng)化生產(chǎn)線，引入MES系統(tǒng)和EAP系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光伏電池?cái)?shù)字化車間，通過EAP系統(tǒng)與硬件設(shè)備通訊對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)通過MES系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理分析，為指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)，質(zhì)量管理等提供了決策支持，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期管控。不僅提高了光伏電池的生產(chǎn)效率，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本，系統(tǒng)采集的工藝數(shù)據(jù)對(duì)工藝路線優(yōu)化具有一定的參考意義。

圖3 光伏電池?cái)?shù)字化車間全生命周期管理

[1] 劉仁杰,周大良.適應(yīng)光伏電池生產(chǎn)的數(shù)字化車間智能制造系統(tǒng)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2012,41(7):1-5,12.

[2] 張兆坤,邵珠峰,王立平,等.數(shù)字化車間信息模型及其建模與標(biāo)準(zhǔn)化[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017,57(2):128-133,140.

[3] 李少飛,韓棟梁,賀霄琛.基于MES和SCADA系統(tǒng)的LTCC基板數(shù)字化制造車間設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2017(2):59-62.

[4] 王森濤,趙婭婭.MES系統(tǒng)在太陽能電池生產(chǎn)線的應(yīng)用[J].煤，2012,21(12):31,36.

[5] 孫玲,王敬怡.單晶硅、HIT太陽能電池組件的對(duì)比分析[J].科技世界，2012(17):55-57.