光伏電池片自動串焊產(chǎn)線信息管理系統(tǒng)研究與開發(fā)

江 松，李東波，顧 鋒，童一飛

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)(2.南通職業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，江蘇 南通 226007)

自動串焊機(jī)是光伏組件制造企業(yè)的核心生產(chǎn)設(shè)備，提高電池片串焊效率以及焊接質(zhì)量是光伏制造廠商的一致訴求。目前，國內(nèi)光伏企業(yè)針對自動串焊產(chǎn)線的信息化管理程度不是很高，這將造成管理信息量少、查詢不便、生產(chǎn)數(shù)據(jù)利用率低、設(shè)備狀態(tài)無法監(jiān)測等問題。

設(shè)備是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的主要物質(zhì)技術(shù)[1]，這直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)效率、制造成本以及產(chǎn)品質(zhì)量，同時設(shè)備開銷也是企業(yè)重要的固定支出，因此正確使用、精心保養(yǎng)、適時維護(hù)、及時檢修設(shè)備并對設(shè)備的運(yùn)行性能進(jìn)行監(jiān)測分析，使設(shè)備保持良好的工作狀態(tài)，才能保證企業(yè)按照預(yù)定的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行有序、高效的生產(chǎn)，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。另外，設(shè)備綜合效率的運(yùn)用能提高設(shè)備的管理水平，使設(shè)備能夠持續(xù)高效地運(yùn)作[2]。同時，對設(shè)備進(jìn)行OEE(overall equipment effectiveness)分析，能準(zhǔn)確把握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時分析出設(shè)備所存在的問題，并有助于尋找解決方案，降低設(shè)備的效率損失，維護(hù)生產(chǎn)的穩(wěn)定、快速運(yùn)行[3]。

1 需求分析

自動串焊機(jī)是將太陽能電池片通過自動化控制焊接成串的設(shè)備，該設(shè)備采用CCD(charge coupled device,電荷耦合器件)技術(shù)、可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)、機(jī)器人等實(shí)現(xiàn)對電池片串焊過程中的自動化控制，具有快節(jié)拍、高精度、低NG(過程不良)率、操控性強(qiáng)、自動化程度高等特點(diǎn)。

通過調(diào)研與分析發(fā)現(xiàn)，光伏制造企業(yè)對串焊機(jī)未能實(shí)施智能化的管理，主要體現(xiàn)于：生產(chǎn)數(shù)據(jù)未能展示分析；調(diào)試以及加工工藝參數(shù)未能集中管理；未能進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量追溯；設(shè)備狀態(tài)信息未監(jiān)測。因此，建立設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測體系，全面準(zhǔn)確地了解設(shè)備的運(yùn)行情況，并逐漸實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障預(yù)警，能有效地提高企業(yè)的設(shè)備管理水平，實(shí)現(xiàn)降本增效的目的[4]。

針對上述不足以及串焊機(jī)的實(shí)際情況，串焊機(jī)設(shè)備信息管理系統(tǒng)需求歸納如下：

1)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，圖形化展示企業(yè)生產(chǎn)狀況以及設(shè)備工作效率。同時針對串焊機(jī)加工的合格品率分析各原材料廠商所提供電池片、助焊劑質(zhì)量的優(yōu)劣，提供原材料采購方案意見。

2)將串焊機(jī)調(diào)試參數(shù)以及工藝參數(shù)進(jìn)行集中管理，方便設(shè)備使用者參考?xì)v史數(shù)據(jù)。

3)產(chǎn)品質(zhì)量追溯。產(chǎn)品質(zhì)量追溯包含兩個方面，使用原材料的追溯和責(zé)任者的追溯。當(dāng)所加工的電池片出現(xiàn)質(zhì)量異常時，能夠根據(jù)產(chǎn)品的加工批次查詢出原材料的名稱、規(guī)格、批次以及當(dāng)班責(zé)任人，及時進(jìn)行問題追溯，找出問題根源。

4)實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，提取串焊機(jī)關(guān)鍵部位運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)展趨勢特征，實(shí)現(xiàn)智能化的串焊機(jī)故障預(yù)警。

2 自動串焊機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

串焊機(jī)設(shè)備管理系統(tǒng)基于SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis，一種Web項(xiàng)目軟件框架)框架開發(fā)，通過JNI(JAVA本地接口)連接底層工控機(jī)的OPC(OLE for process control, 用于過程控制的OLE)Client，實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)采集。用戶無需安裝客戶端，通過瀏覽器即可訪問設(shè)備管理系統(tǒng)，同時用戶還可以通過Internet遠(yuǎn)程訪問該系統(tǒng)，隨時獲知設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[5]。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 串焊機(jī)設(shè)備管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

串焊機(jī)信息管理系統(tǒng)以生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測、預(yù)警、維修等主要業(yè)務(wù)流程為主線，包括：設(shè)備基礎(chǔ)信息管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、原料質(zhì)量分析、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警、故障維修管理等核心業(yè)務(wù)模塊；用戶管理、權(quán)限管理等系統(tǒng)模塊；報(bào)表打印、短信郵件通知等輔助模塊。系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。下面對主要功能模塊進(jìn)行簡要介紹。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

2.2.1 基礎(chǔ)業(yè)務(wù)管理

基礎(chǔ)業(yè)務(wù)管理模塊包括用戶管理、權(quán)限管理和系統(tǒng)建模。

1)用戶管理模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)管理員對用戶信息的添加及修改，查看用戶信息列表，對新增用戶進(jìn)行密碼初始化。用戶本身有修改密碼及修改本人信息的權(quán)限。

2)權(quán)限管理模塊。采用RBAC(role-based access control，基于角色的訪問控制)權(quán)限模型。簡單地說，一個用戶擁有若干角色，每一個角色擁有若干權(quán)限[6]。這樣就構(gòu)造成“用戶-角色-權(quán)限”的權(quán)限模型，如圖3所示。該功能模塊的目的就是對本系統(tǒng)的所有用戶群體進(jìn)行權(quán)限劃分，一方面保障系統(tǒng)的安全性和可維護(hù)性，另一方面通過權(quán)限的劃分，確保各個用戶各司其職，明確職責(zé)。

圖3 RBAC權(quán)限模型

3)系統(tǒng)建模模塊。系統(tǒng)建模模塊分為車間建模模塊以及設(shè)備靜態(tài)資源管理模塊。車間建模是指建立廠際-車間-生產(chǎn)線-設(shè)備4層框架，在數(shù)據(jù)庫的表現(xiàn)形式為后者是前者的子節(jié)點(diǎn)。設(shè)備靜態(tài)資源管理模塊是對設(shè)備的靜態(tài)信息(包括設(shè)備名稱、設(shè)備型號、生產(chǎn)廠商、責(zé)任人等)進(jìn)行錄入、修改、刪除操作，并可對串焊機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)信息進(jìn)行任一條件篩選的查詢。同時，每臺串焊機(jī)在數(shù)據(jù)庫中具有唯一的ID號，對于查詢到的串焊機(jī)可以瀏覽維護(hù)信息、維修記錄、報(bào)警信息等相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2.2.2 生產(chǎn)計(jì)劃管理

生產(chǎn)計(jì)劃管理模塊由相關(guān)負(fù)責(zé)人確定生產(chǎn)任務(wù)，制定生產(chǎn)計(jì)劃并將任務(wù)分配給各個生產(chǎn)班組。該模塊只允許生產(chǎn)計(jì)劃負(fù)責(zé)人對各個任務(wù)細(xì)則進(jìn)行下發(fā)、修改、刪除操作。本模塊的主要功能如下：

1)添加生產(chǎn)計(jì)劃。相關(guān)負(fù)責(zé)人對訂單，交貨日期、人員和串焊機(jī)產(chǎn)能等進(jìn)行評估，確定生產(chǎn)計(jì)劃并添加至系統(tǒng)中。

2)計(jì)劃查詢。查詢電池片串焊環(huán)節(jié)的生產(chǎn)計(jì)劃的具體細(xì)節(jié)。一方面可以了解當(dāng)前正在執(zhí)行計(jì)劃的完成情況，另一方面也可以記錄歷史計(jì)劃。

2.2.3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理

生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理模塊主要將自動串焊機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以圖表化的形式展示，通過車間、整線、單機(jī)3種形式并結(jié)合串焊現(xiàn)場實(shí)際需求全方位地統(tǒng)計(jì)分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，具體展示內(nèi)容如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理模塊內(nèi)容

車間數(shù)據(jù)展示用于對整個車間的所有串焊機(jī)的生產(chǎn)狀況以及設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)對串焊機(jī)產(chǎn)量、電池串的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)、故障停機(jī)信息以及設(shè)備綜合效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。串焊機(jī)產(chǎn)量包括合格品數(shù)量和不合格品數(shù)量，其中不合格品細(xì)分成電池串露白、電池串虛焊、起焊點(diǎn)錯誤等，這三大故障種類是評價(jià)串焊機(jī)正常工作與否的重要指標(biāo)；故障停機(jī)的相關(guān)信息包括停機(jī)現(xiàn)象、停機(jī)原因、停機(jī)時長；設(shè)備綜合效率包括時間開動率、性能開動率和合格品率。用戶可以通過選擇頁面上的日報(bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表進(jìn)行查看，或者根據(jù)班次、時間等選項(xiàng)自定義地瀏覽生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

整線數(shù)據(jù)以生產(chǎn)線上的所有串焊機(jī)作為統(tǒng)計(jì)主體，單機(jī)數(shù)據(jù)則以單臺設(shè)備作為統(tǒng)計(jì)對象。串焊機(jī)信息管理系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)這兩類數(shù)據(jù)對串焊機(jī)的生產(chǎn)狀況以及設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。

2.2.4 原材料管理

原材料管理模塊包括原材料質(zhì)量分析模塊和產(chǎn)品質(zhì)量追溯模塊。

1)原材料質(zhì)量分析模塊是通過對不同電池片供應(yīng)商的不同批次電池片的來料不良率、露白率和虛焊率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過數(shù)據(jù)分析獲得對不同廠家電池片的總體評分，為用戶提供電池片采購建議。

2)產(chǎn)品質(zhì)量追溯模塊是質(zhì)量追溯人員快速定位故障電池片故障原因的模塊，包括原材料批次追溯模塊和加工工藝參數(shù)追溯模塊。其追溯數(shù)據(jù)流圖如圖5所示。

圖5 原材料批次追溯和加工工藝參數(shù)追溯數(shù)據(jù)流圖

質(zhì)量追溯人員通過缺陷電池串的生產(chǎn)批次檢索工序流程卡，獲得工序流程卡編號，并以此編號檢索生產(chǎn)計(jì)劃，獲得生產(chǎn)計(jì)劃編號，從而實(shí)現(xiàn)追溯原材料來源以及加工工藝參數(shù)。

2.2.5 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、故障報(bào)警模塊、故障維修管理模塊。

1)數(shù)據(jù)采集模塊采用基于OPC技術(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集，為其他功能業(yè)務(wù)模塊提供數(shù)據(jù)來源。由于串焊機(jī)底層設(shè)備的接口協(xié)議各不相同，本系統(tǒng)采用了工業(yè)控制設(shè)備和上層軟件通訊的統(tǒng)一數(shù)據(jù)存取規(guī)范[7]，即OPC技術(shù)。另外，OPC是基于微軟的COM/DCOM技術(shù)開發(fā)的，傳統(tǒng)OPC技術(shù)應(yīng)用在C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)系統(tǒng)中，而本系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模型。通過將OPC Client與OPC Sever的通訊封裝成符合JNI規(guī)范的動態(tài)鏈接庫供后臺程序調(diào)用。無需安裝配置OPC客戶端即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，降低了維護(hù)成本和部署難度。

2)故障報(bào)警模塊通過實(shí)時數(shù)據(jù)采集模塊獲得設(shè)備故障信號，產(chǎn)生維修任務(wù)單，并通知相關(guān)工作人員進(jìn)行故障維修。其業(yè)務(wù)流程圖如圖6所示。

圖6 故障報(bào)警模塊業(yè)務(wù)流程圖

3)故障維修管理模塊是對以往的故障維修事件進(jìn)行記錄。主要記錄內(nèi)容為故障發(fā)生時間、故障現(xiàn)象、故障原因、解決方式、解決人員等。通過對故障維修的記錄整理，為相似性故障提供維修方案，縮短設(shè)備故障維修時間。

3 系統(tǒng)開發(fā)

考慮到應(yīng)用系統(tǒng)的跨平臺性、穩(wěn)定性以及可擴(kuò)展性。本系統(tǒng)采用JAVA作為主要開發(fā)語言，Redis作為實(shí)時數(shù)據(jù)緩存，Mysql存儲實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)服務(wù)器采用OPC標(biāo)準(zhǔn)，通過OPC Sever與底層PLC和機(jī)器人進(jìn)行通訊。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將OPC Client封裝成符合JNI規(guī)范的動態(tài)鏈接庫，采用JAVA本地接口調(diào)用本地庫實(shí)現(xiàn)與OPC Sever的通訊。通過工業(yè)以太網(wǎng)作為信息傳輸介質(zhì)，同時用戶可以通過Internet實(shí)現(xiàn)對串焊機(jī)信息管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問。

4 結(jié)束語

本文通過對企業(yè)串焊生產(chǎn)現(xiàn)場的分析與研究，設(shè)計(jì)出符合公司生產(chǎn)實(shí)際的信息化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化、設(shè)備加工過程的實(shí)時監(jiān)控。通過該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，可以快速定位設(shè)備存在的問題，提高生產(chǎn)線生產(chǎn)效率，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息共享、協(xié)同工作、科學(xué)管理和決策。