基于DCS和MES的退役光伏組件回收中試線綜合自動化系統(tǒng)研究

梁 漢，張建文，劉 浪，陶斯堯，廖東庭

（長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012）

隨著計算機科學與技術、人工智能、信息技術和現代管理技術的發(fā)展，生產企業(yè)管理由原先的金字塔模式向扁平化模式趨勢發(fā)展?，F代工廠全流程綜合自動化系統(tǒng)能很好地契合扁平化管理模式［1］。通過以長沙礦冶研究院有限責任公司為首的研發(fā)團隊科技攻關，與國電投所屬企業(yè)合作擬在青海省建設一條年處理11萬片退役光伏組件回收中試研發(fā)線。

長沙礦冶研究院有限責任公司以打造國內首家退役光伏組件回收中試線數字化智能工廠為出發(fā)點，根據退役光伏組件回收中試研發(fā)線工藝流程特點，并結合自動化、信息化、物聯(lián)網、大數據等先進技術，設計了一套基于DCS和MES系統(tǒng)，滿足工藝生產、穩(wěn)定可靠的綜合自動化控制系統(tǒng)。通過建設全流程自動化控制系統(tǒng)，一方面對退役光伏組件回收工藝流程中設備運行狀態(tài)、流程工藝參數進行實時在線數據采集，根據生產狀況及工藝要求，對組件回收工藝過程、工藝參數和運行設備進行自動控制和操作［2］。另一方面全方面實現從數據采集到跟蹤分析，從綜合診斷到決策支持，全方位提高生產管理水平、生產效率和經濟效益，輔助管理決策。

1 組件回收工藝流程概述

該公司在綜合已有方法優(yōu)點以及大量試驗研究的基礎上，確定采用聯(lián)合方法處理退役晶硅光伏組件。本項目的原則工藝為：

1.組件分離工序：退役光伏組件通過機械法拆除鋁邊框、電纜、接線盒和去除背板，去背板光伏組件通過破碎、篩分后送入熱解爐中除去EVA，使玻璃與其它組件解離，粗篩分級選出銅錫焊帶，剩余粗粒物料和細粒物料分別采用震蕩分選機和靜電分選機使硅片與碎玻璃分離。

2.冶金提純工序：對物理法分選所得硅片采用濕法冶金法提純硅片，通過使用各種化學試劑，去除硅電池片表面的發(fā)射極和減反層，同時將硅電池片表面的金屬浸出到溶液中。最常用的浸出劑包括HNO3、NaOH和HF等。使用HNO3的目的是將硅電池片中的Ag和Cu等浸出到溶液中。使用NaOH溶液的目的是去除鋁電極和發(fā)射極。使用HF的目的是去除氮化硅反射膜，得到亮灰色晶硅片。

2 綜合自動化系統(tǒng)

該公司設計的退役光伏組件回收中試研發(fā)線綜合自動化系統(tǒng)由DCS系統(tǒng)［3，4］（集散控制系統(tǒng)）和MES系統(tǒng)（生產執(zhí)行系統(tǒng)）組成。通過建設全流程自動化控制系統(tǒng)，一方面對退役光伏組件回收工藝流程中設備運行狀態(tài)、流程工藝參數進行實時在線數據采集，并將采集的數據傳送到中央控制室，由中央控制室操作人員根據生產狀況及工藝要求，對組件回收工藝過程、工藝參數和運行設備進行自動控制和操作。另一方面依托MES系統(tǒng)管理平臺實現基礎信息管理、生產過程管理、生產質量管理、庫存管理、生產能源管理、生產設備管理、生產報表管理、移動應用模塊和大屏展示等系統(tǒng)功能，方便經營管理部門科學管理與科學決策，提高管理效率［5，6］。

2.1 DCS系統(tǒng)設計

針對退役光伏組件回收中試研發(fā)線，DCS系統(tǒng)設計采用“3+2”網絡架構，縱向三層設備，橫向兩層網絡。三層設備包括設備層、控制層和監(jiān)控層，兩層網絡包括控制網和監(jiān)控網，如圖1所示。

圖1 DCS系統(tǒng)網絡架構圖

設備層主要指各車間現場的電氣設備、儀器儀表以及各成套設備I/O接口或通訊接口，采用直接I/O和總線通訊方式與控制層相連，執(zhí)行層的功能直接反應現場操作的功能。控制層為主控自動化系統(tǒng)，是整個控制系統(tǒng)的核心部分，本DCS系統(tǒng)采用冗余控制站，上連接通過工業(yè)以太網連接監(jiān)控層，下連接通過現場總線網連接各I/O站、智能總線設備、第三方設備控制器等。監(jiān)控層由工程師站、操作員站、冗余數據服務器、數據歸檔服務器、OPC服務器、工業(yè)交換機和通訊介質組成，通過工業(yè)以太網線進行互聯(lián)。

現場設備與控制設備之間的通信連接，本DCS系統(tǒng)采用PROFIBUS網絡主要負責中央控制器與執(zhí)行層的通訊，包括現場直接I/O站通訊，智能DP電氣設備、第三方DP成套設備等通過PROFIBUS-DP互相進行通訊，智能儀表通過PROFIBUS-PA互相進行通訊，控制設備與操作設備或服務器之間的通信連接采用工業(yè)以太網。

本DCS系統(tǒng)架構監(jiān)控層設計客戶機/服務器結構（C/S）作為該系統(tǒng)的操作、管理系統(tǒng)，以便于將來的擴充和維護。主要包括工程師站、冗余數據服務器、歸檔服務器、操作員站，通過工業(yè)以太網數據融會貫通。

2.2 MES系統(tǒng)設計

隨著物聯(lián)網應用及云計算技術的不斷發(fā)展和普及，依托自動化系統(tǒng)建立控制主干網、實時信息主干網、企業(yè)局域網，進行網絡互聯(lián)互通，實現生產管控一體化，建立廠級的生產綜合管理信息系統(tǒng)，以下簡稱MES系統(tǒng)。MES系統(tǒng)涵蓋光伏回收車間所有生產工序和設備，全方面實現從數據采集到跟蹤分析，從綜合診斷到決策支持，全方位提高生產管理水平、生產效率和經濟效益，輔助管理決策。

本系統(tǒng)業(yè)務功能包括基礎信息管理、生產過程管理、生產質量管理、庫存管理、生產能源管理、生產設備管理、生產報表管理、移動應用模塊和大屏展示系統(tǒng)，如圖2所示。光伏組件回收MES生產管理系統(tǒng)分為WEB終端，APP終端，大數據展示平臺和視頻監(jiān)控四部分。

圖2 MES功能模塊設計

設計大屏展示系統(tǒng)用來展示每天的生產數據，大屏以曲線圖、柱狀圖、餅狀圖、表格等多種形式統(tǒng)計和展示。如每天投入生產的退役光伏組件的數量和重量統(tǒng)計的曲線柱狀跟蹤圖、每天各類產出品的統(tǒng)計數據（玻璃的產量和打包量、鋁邊框的產量和打包量、接線盒的產量和打包量等等）、生產各工藝段的電耗數據和水耗數據、硅粉濕法提純的藥劑消耗信息以及關鍵設備運轉率統(tǒng)計信息等等。

基礎信息管理是為該系統(tǒng)量身定做的B/S架構的基礎平臺，擁有強大統(tǒng)一的用戶、權限、操作管理功能，使企業(yè)可以根據實際情況對不同車間、部門、崗位、職責、用戶進行訪問和操作授權，也為整個系統(tǒng)的正常運轉提供基本信息支撐，基礎平臺為上層應用服務提供了堅實有力的支撐。

生產過程管理實現生產過程的全流程遠程在線監(jiān)視和生產臺賬數據維護，現場工作人員通過PC端、移動端錄入生產相關的數據。管理人員可以通過PC端、移動端各種方式實時監(jiān)控現場的生產數據。生產臺賬以班的形式每天錄入兩次，每班統(tǒng)計匯總一次，臺賬填報內容包括酸堿消耗用量、拆盒設備運轉時間、拆鋁框設備運轉時間、組件回收設備運轉時間等等。臺賬內容還包括系統(tǒng)自動統(tǒng)計匯總的該班原材料（光伏組件）的投產數量和重量、成品（玻璃、鋁邊框、接線盒等）的產量以及各生產工藝段的能耗統(tǒng)計數據。

生產質量管理是指對退役光伏板回收生產過程中去邊框、玻璃去除、篩分、濕法提純等作業(yè)中涉及到需要質量檢驗的回收產品（如玻璃、鋁邊框、接線盒等）進行品位和水分檢驗和分析以及對硅粉球磨粒度進行檢驗的過程管理。質量管理對檢驗標準、檢驗過程和檢驗方案進行綜合管理，從而保證退役光伏板回收過程物料和產品的質量。

庫存管理模塊主要對退役光伏組件原料進出倉庫和儲存情況、主要產品（玻璃、鋁邊框、接線盒等）包裝進出倉庫和儲存情況進行管理，通過對產品驗收入庫到領用出庫的全程跟蹤管理，一方面有利于公司領導及時了解庫存信息，作為公司決策的重要依據；另一方面有助于物資管理部門及時掌握物料的需求情況和使用情況，從而可以合理控制庫存，減少物料庫存積壓，提高物料的利用率。

生產能源管理主要對退役光伏組件回收中試線用水、用電等公用能源資源的管理，依據中試線能源計量統(tǒng)計模型，進行自動或人工計量匯總及校正，實現能源計量信息管理。通過實施能源計量與統(tǒng)計模塊，有效提高了數據處理的準確性，及時掌握中試線能源生產和消耗情況，并快速生成報表，實現集一般監(jiān)控、分析于一體的能源管控一體化系統(tǒng)，從而達到能源集中管理、信息共享和節(jié)能降耗、降低生產成本的目標。

生產設備管理對中試線設備狀況實現集中、全面、實時的可視化監(jiān)控，實現設備從采購、質檢、入庫、出庫、安裝、運行監(jiān)控、維修、直至報廢的全生命周期管理和信息集成，規(guī)范設備管理業(yè)務與流程，實現設備的預知維修管理模式，減少裝置非計劃停車時間，降低維修費用。形成從策略的制定、執(zhí)行、評估到優(yōu)化的閉路循環(huán)，持續(xù)提高設備維修的工作效率和可靠性。

生產報表管理主要完成各種報表統(tǒng)計工作。對原始采集數據經必要的計算處理后，按指定格式、時間自動進行系統(tǒng)報表輸出，可完成各類統(tǒng)計報表（日報、月報與年報）的自動統(tǒng)計、校驗、匯總等工作。本系統(tǒng)將要統(tǒng)計的報表包括電耗報表、水耗報表、藥劑消耗報表、設備運轉率報表和生產統(tǒng)計報表等內容。

移動應用模塊。APP首頁集中展現中試線需關注的重要監(jiān)控指標，領導、員工只要打開APP，就能快速了解中試線當前的生產運行狀況；發(fā)現異常指標，可通過APP內置的企業(yè)通訊錄迅速聯(lián)系到相關責任人，及時解決問題。

3 結 語

通過建設退役光伏組件回收中試研發(fā)線全流程自動化控制系統(tǒng)，一方面對組件回收工藝流程中設備的運行狀態(tài)、生產流程中的工藝參數進行實時在線采集，實現對生產設備、工藝過程、工藝參數的自動控制和操作。另一方面依托MES系統(tǒng)管理平臺全方面實現從數據采集到跟蹤分析，從綜合診斷到決策支持，全方位提高生產管理水平、生產效率和經濟效益，輔助管理決策。

基于DCS和MES的退役光伏組件回收中試線綜合自動化系統(tǒng)，采用當今計算機科學與技術、人工智能和信息技術等前沿技術和現代管理技術先進理念，并結合自動化、信息化、物聯(lián)網和大數據等先進技術，具有較強的科學性、實用性和可操作性。相比于其他系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用集散控制，分散了中試線系統(tǒng)風險同時又便于集中管理以及為未來中試研發(fā)線的方案調整、系統(tǒng)功能擴展提供了較大的靈活度。另外，系統(tǒng)的冗余配置設計使得中試研發(fā)線的穩(wěn)定性得到很大的提高。此外設計的MES生產管理系統(tǒng)功能模塊較多，同時功能也較多，既有WEB端和大數據展示平臺又有移動端，使用便捷，性能優(yōu)。

綜合自動化系統(tǒng)的建成，對于穩(wěn)定和提升組件回收生產過程工藝指標，降低成本和能耗，提高企業(yè)科學管理水平和決策效率，具有重要的意義，為進一步建設退役光伏組件回收數字化智能工廠奠定堅實基礎。