在線式多晶制絨清洗設備軟件控制系統設計與實現

高麗穎，胡彩豐，王 達，李建國，楊 浩，王青松，曹志剛，李 凡

(北京七星華創電子股份有限公司，北京 100015)

在線式多晶制絨清洗設備是晶體硅太陽能電池生產線上用于硅片表面形成絨面，提高光電轉換效率，并進行表面清洗，去除表面顆粒和金屬離子污染的關鍵技術設備。本文主要介紹在線式多晶制絨清洗設備軟件控制系統的設計與實現，該軟件控制系統可以實現對在線式多晶制絨清洗設備的手動和自動控制、工藝藥液配方、數據實時和歷史曲線、實時監控、報警處理、設備維護、用戶權限管理等功能。下面將具體介紹設計中采用的四層軟件設計框架、各個功能模塊的功能和與底層通信的開發。

1 設備硬件平臺

在線式多晶制絨清洗設備整體結構復雜，從設備功能上可分為9個工位用以實現制絨工藝，各個工位在機械結構設計和功能相對獨立，彼此耦合性低。據此特點，在線式多晶制絨清洗設備的硬件平臺搭建采用如圖1所示。

圖1 在線式多晶制絨清洗設備硬件平臺

在線式多晶制絨清洗設備上位機采用BECKHOFF的C系列工控機配19英寸觸摸顯示器作為管理操作平臺，PLC邏輯處理單元采用施耐德PLC。整個控制系統共有11個從站（3臺施耐德的伺服驅動器，6臺施耐德的變頻調速器，2個閥島），30余個遠程I/O模塊。為保證系統反應及時迅速、運行穩定可靠，具有遠程調試診斷功能，并為工廠自動化預留標準接口，系統采用了CANopen的高速現場總線通訊網絡來構建整個控制系統，上位機與PLC連接采用工業以太網Ethernet接口。

在線式多晶制絨清洗設備軟件控制系統安裝于上位機，完成對整個在線式多晶制絨清洗設備各個功能工位的任務調度、參數顯示與控制、實時監控、報警處理、設備維護等功能，保證系統的安全性、穩定性和可擴充性。

2 軟件控制系統設計與實現

軟件控制系統以Visual C++的MFC為開發平臺，根據設備自身特點，該軟件系統采用四層結構、八大功能模塊，設計開發了適用于工業以太網接口的MODBUS底層通訊協議。實現了對整個設備各個功能工位的手動、自動控制、實時監控、用戶權限管理、歷史實時曲線顯示等功能，實現了大量數據的采集、設定、各種控制命令的協調和處理，保證設備穩定可靠運行。

2.1 軟件結構設計

在線式多晶制絨清洗設備軟件控制系統的層次結構設計如圖2所示，整個軟件控制系統采用四層結構：

（1）界面顯示層：人機交互界面，用戶通過此界面能夠實現對整臺設備的監控、操作、查看設備報警、報警歷史記錄和用戶操作日志，查閱設備重要數據的歷史記錄（歷史記錄可以圖形化的方式顯示），對設備用戶操作權限進行設置等功能。

（2）中間控制層：主要包括八大功能模塊：總監控模塊、系統監控模塊、手動維護模塊、配方設置模塊、曲線模塊、報警模塊、日志管理模塊和用戶權限管理模塊。

（3）數據解析交換層：用于分析處理從設備硬件采集的所有數據，解析中間控制層命令信息。

（4）底層通訊：負責上位機軟件控制系統與PLC邏輯處理單元通訊。

圖2 軟件控制系統結構圖

2.2 軟件系統功能實現

本軟件控制系統主要由8個主要功能模塊組成。其中，總監控模塊、系統監控模塊、手動維護模塊、配方設置模塊需要調用資源管理器來實現軟件系統界面的顯示，資源管理器主要實現對軟件系統界面的初始化和更新操作；總監控模塊、系統監控模塊、手動維護模塊、配方設置模塊、曲線模塊、報警模塊都需要對數據解析交換層交互數據；日志管理模塊和用戶權限管理模塊需要與數據庫進行交互；配方設置模塊、曲線模塊和日志管理模塊需要對文件管理器操作，文件管理器主要實現文件（配方文件、初始化參數文件、歷史記錄文件、報警記錄文件、操作日志記錄文件）的維護。

(1)總監控模塊：顯示設備整體信息，實時顯示九個工位模塊工作狀態及重要信息，以便用戶把握設備整體狀態。

(2)系統監控模塊：系統監控模塊用于分別顯示每個工位的詳細信息，在此可以查看每個工位的運行狀態、電機速度、溫度、流量計和電導率等各類信息；查看每個工位模塊的實時報警，實時曲線。

(3)手動維護模塊：手動維護模塊用于用戶手動操作每個工位，對每個工位模塊需要控制的信息進行設定。

(4)配方設置模塊：負責對配方文件和用戶命令進行檢查、解釋、執行，同時返回配方執行狀態信息。用戶通過配方設置模塊可以新建、編輯、修改、下載、重載、保存、另存配方功能，并對用戶對配方的操作予以記錄。

(5)曲線模塊：曲線模塊用于以圖形化的方式顯示設備運行過程中的重要數據，可以按選定時間段顯示數據，并可實現曲線的放大功能。

(6)報警模塊：報警模塊用于顯示設備所有報警信息及歷史報警信息。

(7)日志管理模塊：日志管理模塊用于記錄用戶對設備進行的操作，主要記錄用戶對設備配方的操作及重要操作信息。

(8)用戶權限管理模塊：用戶權限管理模塊用于登陸、退出系統和管理設備操作人員的權限，用戶權限分級和功能分配開放給管理員，由用戶根據需要任意定義管理。

2.3 底層通訊開發

在線式多晶制絨清洗設備采用施耐德PLC為邏輯處理單元，該PLC具有32位CPU中央處理器，具有響應時間快，邏輯程序開發簡單易用，運行穩定，多種內置通訊端口，可擴展性強等特點。本系統外圍硬件多，結構復雜，需要采集控制的對象多且種類廣泛：如流量、溫度、速度、傳導、電機、閥門、泵等，需分析處理的數據量多達上千個，并能夠實時響應復雜及大量的指令，故對上位機軟件控制系統與PLC邏輯處理單元通信的速度和準確度有極高要求，通信的設計在此尤為重要。本軟件系統與PLC通訊的程序流程如圖3所示。

圖3 軟件系統與底層PLC通訊程序流程圖

該系統將對PLC數據發送和采集的操作放入同一線程，內部互鎖，以避免對PLC同時進行讀寫操作時出現不可預知錯誤。

系統上位機與PLC連接采用工業以太網Ethernet接口，設計開發了適用于工業以太網Ethernet接口的Modbus協議軟件。該協議軟件運行在W indows XP操作系統，以動態鏈接庫的形式提供給軟件控制系統調用。其主要特征：

●支持基于Ethernet接口的Modbus通訊協議應用。

●RTU傳輸模式。

●支持Modbus功能碼操作，包括對離散開關量的位操作、對單個及連續寄存器的字節操作。

●適用于實時的工業應用。

3 關鍵問題分析

本軟件控制系統在設計過程中遇到如下問題：軟件需要控制采集來自PLC邏輯處理單元外接設備的數字和模擬量數據量大，種類多，PLC寄存器地址分配較為分散；同時，軟件需要實時更新所有數據及響應設備各類輸出信號，底層通訊讀取大量PLC寄存器地址值，而有效數據僅占采集數據的1/3，冗余數據的合理處理成為關鍵[3]。本系統利用數據挖掘中的聚類技術[4-6]，建立以與任務相關的屬性歸納為歸納關系，設計了對有效數據的索引映射，將映射關系以文件的形式存儲于硬盤文件中，進入本系統軟件后，將映射關系文件內容讀入內存，以此分析過濾所有實時采集自PLC的數據。實踐證明，該方法有效地過濾了冗余數據，提高了程序的運行效率和準確性。

4 總 結

本文介紹了在線式多晶制絨清洗設備軟件控制系統的設計過程。層次化和模塊化的設計思想使軟件控制系統具有很好的擴展性和富用性。實踐證明，該軟件控制系統工作性能穩定、交互界面友好、易于操作、具有較強的可擴展性。

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