分布式層壓機控制系統的設計與實現

張 亮，李樹珍，石 磊,2，馬淑英，陳立東，李國昉，鄭立新

（1.河北科技師范學院 機電工程學院，秦皇島 066600；2.秦皇島新禹機械設備有限公司，秦皇島 066600）

0 引言

太陽能光伏發電已經成為可再生能源領域中繼風力發電之后產業化發展最快、最大的領域。與此同時，蓬勃發展的行業形勢給太陽能電池生產企業帶來了大量商機，但太陽電池廠封裝機技術水平低[1]，太陽能電池組件生產設備已成為我國光伏產業發展的瓶頸，迫切需要研制出適應專業化、自動化、智能化發展趨勢的太陽能組件相關的制造設備，以提高現有設備的技術裝備水平和產能。

本文結合太陽電池的封裝層壓工藝過程，研制出一種與太陽能電池組件封裝新工藝相適合的控制系統，通過專用工控機實現全自動化的工藝過程監控，以適應太陽能電池組件的封裝作業。

1 太陽電池組件層壓機結構

全自動太陽電池組件層壓機結構如圖1所示，實物如圖2所示，該設備由進料系統、層壓主機、出料及冷卻系統三級結構組成。

圖2 全自動太陽電池組件層壓機實物

該設備工作過程為：太陽電池組件由入料系統送至層壓主機，加熱系統通過不銹鋼導熱板傳導熱量對組件進行預熱，組件預熱后采用真空熱壓法及先進的分階段封裝工藝進行層壓操作，完成層壓和固化操作，最后成品由出料系統送出。

2 控制系統設計

分布式全自動太陽電池組件封裝層壓機控制模式為上下位控制方式。系統整體結構如圖3所示。本系統采用總線型結構構成分布式監控系統，由位于生產現場的下位機終端監控器和位于監控室的上位機數據處理系統構成，兩者之間通過MPI協議總線連接。下位機終端監控器是以PLC為核心的系統，完成對層壓機的溫度、真空度等信息的實時數據采集，并對采集到的信息進行處理，啟動相應的設備；PLC與變頻器間通過PROFIBUS連接，并遵循PROFIBUS-DP協議。上位機數據處理系統主要完成參數設定、數據接收、存儲、顯示和查詢等功能。

圖3 控制系統整體結構

2.1 控制系統的硬件選型

為保證設備的硬件可靠性，上位機采用西門子RACK工控機。該工控機采用最新一代的處理器，計算能力強大，尤其適用于過程組態設計或工業圖像處理的高速、大容量數據處理工作，具備極高的系統可用性和數據安全性，適合用作工業工作站或控制室和設計中心內的服務器。

下位機采用西門子S7-300 PLC及輸入輸出模塊等，溫度/壓力傳感器以及強電執行部分等組成。控制器溫度測量傳感器選用了Pt100鉑電阻，通過Pt100電阻溫度變送器把電阻值變成4～20mA的標準信號送入PLC的A/D轉換模塊，實現設備溫度的控制和顯示。設備的真空度檢測單元選用基恩士AP-C30C系列數字壓力傳感器對真空壓力檢測，能夠顯示以預先設定好的基準壓為中心的±20% 范圍內的壓力，分辨率達到同級產品中最佳的0.01kPa。

2.2 軟件設計

系統軟件結構如圖4所示，分為下位機和上位機軟件兩大部分，采用模塊化思想對下位機軟件設計，分為若干功能塊，即傳感器采樣模塊、控制設備輸出模塊、人機交互模塊和通信模塊。

2.2.1 系統主流程

圖4 系統軟件結構

全自動太陽電池組件封裝層壓機集真空控制技術、氣壓傳動技術及專家PID溫度控制技術，根據系統的工藝流程，系統主流程圖如圖5所示。

2.2.2 上位機監控軟件

上位機監控軟件在WINDOWS平臺下選用WinCC 6.0開發，實現對控制系統的實時監控。通過此軟件編程，實現控制模式選擇、設備各個參數值顯示、報警顯示、歷史數據存儲及對下位機參數設定的功能。

2.2.3 上下位機通信

WinCC組態軟件與S7-300系列PLC的通信SIMATIC WinCC是采用了最新的32位技術的過程監控軟件，具有良好的開放性和靈活性。WinCC與S7-300系列PLC的通信，可以采用MPI和PROFIBUS兩種通信協議之一進行。本系統的WinCC與PLC是通過MPI協議實現通信的。該方法優點是連接簡單，硬件投資少、可以讀寫S7-300系PLC中所有存儲區域[2]。

圖5 主流程圖

2.2.4 PLC和變頻器通信

在CPU進行硬件配置時，對掛在總線PROFIBUS的站點都分配了物理地址，PLC與變頻器進行通訊也有相應的物理地址，CPU內部有專用通訊功能塊，使用內部的寄存器DB塊存放數據，當PLC對變頻器進行數據的寫入和讀出時，依據PLC和變頻器定義的相關功能的地址進行數據的寫入和讀出，實現對變頻器的控制。

2.3 程序運行結果

圖6為開啟界面顯示，通過右邊的各個按鈕可以進入想要的畫面。通過圖7界面設置層壓各過程的參數值，同時顯示參數的剩余值。在圖7中密碼輸入框輸入密碼后，按“密碼確認”鈕，此時設置參數才會有效。操作員根據層壓工藝將各個參數設置好，然后按下圖7左上角的“參數設置確認”鈕，參數生效。操作員根據需要可選擇自動模式或手動模式。在自動模式下，層壓機自動運行，無需人工操作，窗口監視層壓過程的各個步驟，各個指示燈會指示運行過程。在手動模式下，操作者根據層壓工藝步驟和要求，通過各個按鈕來實施操作。

圖6 主界面

圖7 參數設置顯示界面圖

3 結束語

分布式層壓機控制系統采用人性化操作界面設計，滿足太陽能電池組件的封裝工藝要求。經過一段時間的運行，整個系統運行平穩、安全可靠，生產參數實時采集、生產異常及時報警，消除了安全隱患，極大改善了安全生產狀況，系統控制精度高，確保了工藝設備高效經濟運行，提高了生產的自動化水平。

[1] 石磊,陳立東,馬淑英,等.太陽能電池組件層壓機加熱系統的設計與試驗[J].河北科技師范學院學報,2009,23(4):32-35.

[2] 毛聯杰.S7-300系列PLC與組態軟件WinCC實現通信的方法[J].電氣時代,2006(9):106-107.