太陽能電池組件板固化室的自動控制系統

創新者:韓靈生 王虹斌

太陽能電池組件板固化室的自動控制系統

創新者:韓靈生 王虹斌

在太陽能電池板層壓、組框后的固化環節是尤為重要的一環，固化室對溫濕度的恒定有著特殊的要求，而之前的人工搬運固化生產效率十分低下。本文通過設計一個全新的自動化固化控制系統，包括溫濕度控制系統和物料搬運系統，通過PLC程序的設計實現了對溫濕度控制系統執行機構、機器人搬運系統執行機構的控制。經現場實際應用，系統滿足固化室的溫濕度控制和搬運生產節拍的要求。

隨著世界性環保產品的大力推廣以及各國節能減排政策的積極推行，太陽能以其環保、清潔和取之不竭的特性成為了人們渴求的理想能源。經過多年的發展完善，將太陽光能轉換成電能的光伏技術最為成熟普遍，從而帶動了太陽能電池組件制造產業的突飛猛進地發展。其中晶硅太陽能電池組件以其優異的光電轉換率和成熟的技術成為光伏發電的主力軍，占據了光伏產業的絕大部分市場。

太陽能電池板組件無論是邊框還是接線盒只要采用硅膠粘接均需要硅膠固化工序，而太陽能電池板固化，此前一直都存在自動化程度低、勞動強度大、生產周期長、固化質量不穩定等不足之處，無法滿足太陽能電池行業市場競爭和技術發展的現狀，而電池板的固化質量和效率直接影響電池板的質量。一般都是采用人工碼垛放置于固化室內，然后由人工清潔后再搬入檢測線，作業人員勞動強度大，固化時間由人工管理，固化時間偏差大。而固化過程要求在恒定溫度和濕度下進行，傳統的固化室溫度與濕度控制系統簡單，溫濕度的不穩定直接影響了固化的質量和效率。本文設計了一個全自動固化系統，能夠滿足廠家對太陽板固化的生產效率的要求。

自動化固化室的總體設計

根據工藝要求，固化室主要包括溫度濕度控制統、機器人及其控制系統、固化室電氣控制系統、氣動系統、出入料口定位工作臺以及機器人滑臺、機械手和貨架的機械結構。

為了保證太陽能電池板的固化質量，固化室內首先要保持恒溫恒濕，即溫度為35℃，相對濕度為65，%的固化環境（溫濕度可根據不同產品固化工藝進行設定），因此我們需要設計一個溫濕度控制系統。

確認固化室溫濕度達到設定值后，開始搬運經由傳送帶傳送至入料口工作臺的太陽能電池板，工作臺夾具夾緊定位后，利用機器人機械手上的吸盤將電池板吸合住，夾具松開，機器人抓起電池板，按一定順序放入貨架之中，待固化室中的電池板滿足固化時間（6h）之后，機器人再依次取出電池板翻轉180°放到出料口工作臺上，對其進行定位夾緊，并由機器人機械手側面的刮刀在其表面進行刮膠清理。當溫濕度變化過大超出預設的指標時，系統會修正固化時間以保證固化質量。固化室剛運行時，貨架均為空置，剛放入的電池板未固化好，機器人只執行放入動作，待固化室內有電池板固化完畢，固化室的生產節拍為機器人放入一塊取出一塊交替進行，保證固化室處于較高的利用率之下。

固化室的電氣控制系統以工控機為上位機，以PLC為核心，主要由兩大部分組成:

（1）機器人控制系統

（2）溫濕度控制系統。

PLC也負責控制和協調整個固化系統。兩個控制子系統彼此之間是既相互獨立，又互相關聯的。機器人控制系統通過PROFIBUS總線與PLC進行通信。整個固化室的控制系統如圖1所示。

圖1 固化室PLC控制系統結構圖

根據太陽能電池板固化系統的具體要求，開發出一套性能優異的PLC控制系統，滿足固化室工藝的要求，首先保證固化室處于恒溫恒濕的環境中，即溫濕度控制系統；其次在現有的機器人控制系統的基礎上，使固化室控制系統與機器人控制系統可以進行對接，完成太陽能板的搬運流程，組成一個更大控制系統，來保證整個固化系統安全平穩的運行。

圖2 溫濕度控制系統圖

溫濕度控制系統

固化室溫濕度系統控制部分主要由溫濕度檢測裝置、控制模塊、執行機構和被控對象構成。總體控制原理圖如圖2所示。

溫濕系統的執行機構主要由加熱器、加濕器、制冷器和除濕器組成。由于溫度通道與濕度通道間會相互干擾、影響系統運行，所以利用自適應預測解耦算法，將耦合系統分解成兩個獨立的單輸入單輸出系統，求出相應執行機構的控制量，實現對溫濕度的控制。

溫度通道中的自適應預測控制模塊有兩種，一種為負責加熱的控制模塊，另一種為負責制冷的控制模塊，加濕控制模塊與除濕控制模塊共同組成加濕通道，以及溫濕度通道的自適應解耦模塊共同構成了控制器的主要運行部分，由PLC設計實現。

機器人控制系統

組件固化搬運機器人系統由搬運機器人和行走機構組成，搬運機器人將組框完畢的太陽能組件搬起，按順序在固化室碼放成垛并同時計時，當固化時間到達后，搬運機器人自動將太陽能組件自動搬出，并放在人工清理線上。

由于機器人在固化室中要進行抓取、翻轉等動作，因此選取的機器人必須要有6個自由度，本固化室采用的是日本安川公司生產的MOTOMAN ES0165D型機器人，此型號機器人最大承載165Kg. 包括機器人本體，機器人控制柜，示教編程器三部分。

若是把機器人固定在一個位置上，其工作區域很有限，不能滿足固化室的生產節拍要求，因此，為機器人配備了外部伺服電機，使機器人能在固化室中的滑臺上直線運行，大大地擴大了其工作范圍，滿足了固化室的生產節拍，同時提高了固化室的利用率。

工作過程如下

入料

控制器發出放置指令，機器人將入口太陽能電池板搬起，判斷板屜號及層數，行走到到指定的儲存架后，再將電池板放置好，輸出放置完成信號和位置板屜內太陽能板信息。行走距離達到15米，工作范圍大。

出料

當太陽能電池板固化達到要求后，控制器發出取出指令，機器人同樣判斷板屜號和層數，從指定的儲存架取出太陽能板，行走到出口位置，將太陽能板放置到出口輸送帶上，根據不同型號的電池板執行刮膠處理。

ES165D機器人選擇搬運用途時，其重要參數已經按此用途初始化。也使得工作的重點變為根據現場要求對機器人示教編程，再根據具體情況進行調節。

總體控制系統的實現

PLC控制系統是整個控制系統的核心，其主要內容包括溫濕度控制系統、出入料口工作臺自動定位夾緊控制系統以及機器人搬運系統。它在固化室控制系統中為主要控制和協調裝置，主要是接收各個設備發送過來的信號，并且把控制信號發送給各個設備和機器人控制柜，實現固化系統的正常協調工作。綜合考慮各方面的因素，選用功能比較完善的西門子S7-300 PLC來完成該部分控制運算和邏輯控制。

PLC通過溫度及濕度傳感器采集2路信號，經過內部運算處理后輸出給執行機構，從而形成閉環的溫濕度控制系統，這個系統是與機器人搬運系統相互獨立的。PLC控制系統還與機器人控制系統的通信來保證機器人本體正常有序的運行。在固化室出、入料口工作臺自動定位裝置中安裝了編碼器，并設計有編碼器和PLC之間的通信。并且還設計了工作臺中的電磁氣動閥和PLC之間的通信。它通過控制電磁氣動閥來控制工作臺的動作，并通過PROFIBUS總線與機器人控制器進行通信。

結語

本文設計了一個全自動太陽能電池組件板固化系統，實現了固化室的溫濕度自動恒定控制和組件的機器人自動搬運，解決了以往行業中自動化程度低、勞動強度大、生產周期長等制約著生產效率的問題。在實際現場應用結果驗證了符合工作要求，提高了生產效率，保證了電池板固化環節的性能穩定，可以在太陽能電池固化系統中推廣使用。

韓靈生 王虹斌

北京科技大學北京北科麥思科自動化工程技術有限公司

韓靈生（1971-）男，碩士，工程師，主要從事自動化工程應用研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001