太陽(yáng)能電池智能工廠分析

文/劉 剛，查辰坤，王佳心 上海哥瑞利軟件股份有限公司

隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，太陽(yáng)能行業(yè)也加入到了數(shù)字化工廠轉(zhuǎn)型中，本文分析了太陽(yáng)能電池智能工廠建設(shè)中數(shù)據(jù)采集的重要性。

智能化工廠的認(rèn)知

（1）智能制造的“過程論”

“過程論”是智能制造最流行的一種觀點(diǎn)，它從生產(chǎn)技術(shù)角度對(duì)智能制造加以理解，是一種基礎(chǔ)性理解。這種觀點(diǎn)的核心是生產(chǎn)過程的智能化，目的在于通過先進(jìn)制造技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)手段改進(jìn)生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。智能制造主要聚焦制造產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，側(cè)重于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)手段的智能化。

（2）智能制造的“產(chǎn)品論”

“產(chǎn)品論”是從產(chǎn)出物質(zhì)性質(zhì)角度對(duì)智能化的理解，是一種中間層面的理解。這種觀點(diǎn)認(rèn)為智能制造最終是產(chǎn)品的智能化，目的在于提供智能化產(chǎn)品（包括智能化工業(yè)品和智能化消費(fèi)品）。當(dāng)前火熱的智能硬件就是典型例子。在這種觀點(diǎn)下，生產(chǎn)過程的智能化不能導(dǎo)致產(chǎn)品智能化，就不能認(rèn)為是智能制造。這種觀點(diǎn)稱為“制造智能”。

（3）智能制造的“系統(tǒng)論”

隨著認(rèn)識(shí)的深入，“系統(tǒng)論”觀點(diǎn)日益得到大家的認(rèn)可。這種觀點(diǎn)是從產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈的系統(tǒng)角度對(duì)智能制造加以理解。該觀點(diǎn)認(rèn)為，企業(yè)的智能制造不只是生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的智能化，也不只是最終產(chǎn)品的智能化，而是涵蓋產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈所有環(huán)節(jié)，涉及企業(yè)戰(zhàn)略、運(yùn)營(yíng)、組織功能，超越傳統(tǒng)硬件和裝備的開放式系統(tǒng)。更具體地講，系統(tǒng)化的智能制造至少包括需求個(gè)性化、設(shè)計(jì)智能化、制造智能化、物流智能化、銷售與服務(wù)智能化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這種觀點(diǎn)概括為“系統(tǒng)智能”。

太陽(yáng)能行業(yè)智能化現(xiàn)狀

國(guó)際半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，晶圓追蹤管理系統(tǒng)均采用城市信息模型（Computer Integrated Manufacturing，CIM）系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化（Factory Automation，F(xiàn)A），來最大限度提升制造能力。目前，國(guó)產(chǎn)太陽(yáng)能設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與管理機(jī)之間無法共通交流，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(biāo)準(zhǔn)，這是國(guó)內(nèi)設(shè)備目前普遍存在的問題，這種問題限制了國(guó)產(chǎn)太陽(yáng)能設(shè)備的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力以及未來全自動(dòng)成套設(shè)備的兼容性和整線自動(dòng)化水平，并影響太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)商的采購(gòu)決策。而國(guó)際一流生產(chǎn)廠商設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)形成統(tǒng)一的準(zhǔn)入接口標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議規(guī)定光伏生產(chǎn)線設(shè)備必須在生產(chǎn)運(yùn)行期間與工廠主機(jī)保持密切聯(lián)系，以接收來自主機(jī)計(jì)算機(jī)的控制或查詢，并且能夠及時(shí)回應(yīng)主機(jī)的指令，回報(bào)執(zhí)行的結(jié)果，除此之外，也要主動(dòng)回報(bào)目前設(shè)備的運(yùn)行情況以及異常情況。

以應(yīng)用材料為例，現(xiàn)在的太陽(yáng)能國(guó)外廠商使用的是SECS/GEM協(xié)議、日本YAC廠商使用了三菱MC協(xié)議，他們做出了預(yù)留口以及二次開發(fā)的接口，使設(shè)備更好地融入到數(shù)字化生產(chǎn)車間。

其他行業(yè)也有成熟的數(shù)字化接入方式，半導(dǎo)體行業(yè)使用了SECS/GEM通信協(xié)議用于數(shù)字化工廠的通信，液晶面板行業(yè)與PLC通信使用的CC-Link IE、EIP協(xié)議、Fl-net 協(xié)議、MC協(xié)議，整廠生產(chǎn)將會(huì)是統(tǒng)一的通信協(xié)議，太陽(yáng)能行業(yè)工廠有很多協(xié)議，如西門子S7協(xié)議、Modbus協(xié)議、OPC協(xié)議、ADS協(xié)議和EIP協(xié)議等，這些協(xié)議將會(huì)使實(shí)施和維護(hù)增加很大的成本。

圖1 太陽(yáng)能組件成品

太陽(yáng)能行業(yè)數(shù)字化接入在實(shí)施中需要通過中間件進(jìn)行統(tǒng)一連接設(shè)備，使用KAPWARE進(jìn)行連接各種PLC協(xié)議，從EAP系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為OPC，上層進(jìn)行統(tǒng)一，下面設(shè)備出現(xiàn)問題維護(hù)時(shí)需要專職人員進(jìn)行排查。

要解決這個(gè)問題就需要從業(yè)人員具有專業(yè)性，比如蘇州邁為，他們?cè)贖JT生產(chǎn)線使用整線交付的方式，自動(dòng)化設(shè)備和主設(shè)備均是自己生產(chǎn)，這樣將會(huì)統(tǒng)一使用通信協(xié)議，EAP/MES將會(huì)根據(jù)這種協(xié)議完成規(guī)格書的編寫。另一方面是工廠需要提高對(duì)行業(yè)的理解，不要將其他行業(yè)中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)、報(bào)表等移植到太陽(yáng)能行業(yè)，需要從自身出發(fā)，提取出自己需要的數(shù)據(jù)，比如生產(chǎn)的產(chǎn)量是否要對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量讓步、品質(zhì)部對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的把控、設(shè)備部對(duì)設(shè)備布局廠區(qū)layout的設(shè)計(jì)以及CIM部門的技術(shù)人員對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的評(píng)估等。

太陽(yáng)能電池?cái)?shù)字化工廠實(shí)施

太陽(yáng)能電池?cái)?shù)字化工廠的建設(shè)包括很多環(huán)境，如工廠場(chǎng)地的規(guī)劃、設(shè)備在工廠中的layout、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、產(chǎn)量規(guī)劃、能耗規(guī)劃和系統(tǒng)規(guī)劃等。EAP是整個(gè)太陽(yáng)能數(shù)字化工廠實(shí)施的基礎(chǔ)，EAP是和設(shè)備直接對(duì)接，采集第一手?jǐn)?shù)據(jù)的系統(tǒng)，只有EAP系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集齊全，才能使后續(xù)的系統(tǒng)有數(shù)據(jù)保證，因此數(shù)字化工廠EAP的數(shù)據(jù)采集尤為重要。

（1）需求收集

需求收集主要有兩部分，第一部分是來自上層MES的需求，這個(gè)需求是需要采集設(shè)備的數(shù)據(jù)根據(jù)定義的格式報(bào)給MES，這些數(shù)據(jù)涉及到將來報(bào)表展示、自動(dòng)控制和產(chǎn)品質(zhì)量控制等，這個(gè)需求是必須實(shí)現(xiàn)。另外的需求收集是設(shè)備方面，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)設(shè)備廠商大部分都包含部分MES功能，這時(shí)需要調(diào)研設(shè)備的通信協(xié)議、設(shè)備PLC型號(hào)和設(shè)備提供的PLC數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的地址位、設(shè)備的制程參數(shù)等。

（2）參數(shù)收集設(shè)計(jì)

設(shè)備數(shù)據(jù)收集包括共通數(shù)據(jù)和特殊數(shù)據(jù)。共通數(shù)據(jù)包括設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警收集、工藝參數(shù)收集、CIM提示信息、人員登錄登出管理、設(shè)備連線狀態(tài)、NG產(chǎn)品踢片、上下游傳遞產(chǎn)品和過賬信息等。

設(shè)備狀態(tài)收集是為了更好地了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出設(shè)備的稼動(dòng)率，提高設(shè)備的利用率。

報(bào)警信息的收集是為了在報(bào)表和數(shù)據(jù)處理的過程中分析出設(shè)備集中報(bào)警的信息。收集此消息可以根據(jù)集中報(bào)警的信息調(diào)整設(shè)備，提高設(shè)備的使用率，在做設(shè)備保養(yǎng)、備件管理時(shí)提供數(shù)據(jù)支撐。

工藝參數(shù)收集主要是指在設(shè)備開始生產(chǎn)的時(shí)候采集生產(chǎn)當(dāng)前產(chǎn)品使用的配方，通過采集生產(chǎn)配方可以通過生產(chǎn)的產(chǎn)品良率進(jìn)行有效調(diào)整，也可以為工藝人員調(diào)整參數(shù)提供可參考的數(shù)據(jù)。

CIM提示信息是在設(shè)備生產(chǎn)過程中，MES檢測(cè)到產(chǎn)品不符合生產(chǎn)、產(chǎn)品不正當(dāng)生產(chǎn)時(shí)下發(fā)信息，提示操作人員應(yīng)該如何調(diào)整，在生產(chǎn)過程中將檢測(cè)設(shè)備的結(jié)果上報(bào)給系統(tǒng)，一些低于或高于產(chǎn)品設(shè)定范圍的產(chǎn)品將不會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)，同時(shí)提示現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要適當(dāng)調(diào)整設(shè)備參數(shù)時(shí)，也可以使用此消息提示。

人員登錄登出主要是設(shè)備觸摸屏權(quán)限管控，設(shè)備的觸摸屏中包含很多重要功能，比如配方參數(shù)的修改，設(shè)備停機(jī)等功能，這些功能要專業(yè)的人員進(jìn)行操作，必須進(jìn)行人員登入登出控制。

過賬信息收集是整個(gè)生產(chǎn)過程尤為重要的環(huán)境，了解產(chǎn)品經(jīng)過了哪個(gè)設(shè)備，在設(shè)備哪個(gè)單元進(jìn)行的加工等，便于后期人員查看設(shè)備制程能力，也可以更好地查到設(shè)備的性能。例如A設(shè)備良率99%以上，B設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品良率95%，通過過賬功能，再根據(jù)工藝參數(shù)排查問題，查到這些信息有助于提高設(shè)備良率和產(chǎn)量。

設(shè)備連線狀態(tài)主要是查看設(shè)備是否在可控狀態(tài)。上下游設(shè)備傳遞產(chǎn)品，這個(gè)功能主要是防止在生產(chǎn)過程中下游或者上游突然斷線時(shí)對(duì)產(chǎn)品的破壞，有這些信號(hào)的保護(hù)能夠更好地保護(hù)產(chǎn)品不被設(shè)備問題破壞。

NG產(chǎn)品的踢片主要是防止不良產(chǎn)品對(duì)正常產(chǎn)品的污染，正常生產(chǎn)過程中產(chǎn)品不會(huì)一成不變，肯定會(huì)有某些產(chǎn)品加工過程中出現(xiàn)偏差，這些偏差的產(chǎn)品就需要隔離處理，不能影響正常產(chǎn)品的生產(chǎn)，因此需要把NG品剔除，并且也可以讓生產(chǎn)人員根據(jù)NG品追溯出問題的原因，也可以及早發(fā)現(xiàn)隱藏的設(shè)備問題，防止出現(xiàn)大面積不良產(chǎn)品。

特殊參數(shù)收集包括生產(chǎn)溫度、生產(chǎn)潔凈度和生產(chǎn)時(shí)設(shè)備電流等。

在生產(chǎn)過程中環(huán)境因素是較大的影響，生產(chǎn)環(huán)境中溫度對(duì)半導(dǎo)體（太陽(yáng)能電池）影響較大，在制絨和擴(kuò)散生產(chǎn)線主要是利用分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)取決于溫度的影響，溫度越高分子運(yùn)動(dòng)越快，因此在生產(chǎn)中也要采集環(huán)境溫度。

生產(chǎn)的潔凈度是指生產(chǎn)車間的潔凈度，車間的粉塵會(huì)對(duì)鍍膜造成很大的影響，在鍍膜工藝中膜厚大約是四分之一波長(zhǎng)，這時(shí)如果粉塵在產(chǎn)品表面附著將會(huì)影響鍍膜的質(zhì)量，因此生產(chǎn)潔凈度也很重要。

生產(chǎn)電流會(huì)影響設(shè)備正常運(yùn)行以及各種開關(guān)的打開關(guān)閉。

圖2 太陽(yáng)能電池片成品

（3）設(shè)備測(cè)試

在設(shè)備測(cè)試中首先要求設(shè)備安裝規(guī)格書編輯軟件，其次要求從業(yè)人員具備專業(yè)的知識(shí)和對(duì)規(guī)格書非常了解，還要熟知各種通信協(xié)議，以應(yīng)對(duì)測(cè)試過程中出現(xiàn)的各種問題。

總結(jié)