在線式多晶制絨清洗設(shè)備軟件控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

高麗穎，胡彩豐，王 達(dá)，李建國，楊 浩，王青松，曹志剛，李 凡

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司，北京 100015)

在線式多晶制絨清洗設(shè)備是晶體硅太陽能電池生產(chǎn)線上用于硅片表面形成絨面，提高光電轉(zhuǎn)換效率，并進(jìn)行表面清洗，去除表面顆粒和金屬離子污染的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。本文主要介紹在線式多晶制絨清洗設(shè)備軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，該軟件控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對在線式多晶制絨清洗設(shè)備的手動和自動控制、工藝藥液配方、數(shù)據(jù)實(shí)時和歷史曲線、實(shí)時監(jiān)控、報警處理、設(shè)備維護(hù)、用戶權(quán)限管理等功能。下面將具體介紹設(shè)計中采用的四層軟件設(shè)計框架、各個功能模塊的功能和與底層通信的開發(fā)。

1 設(shè)備硬件平臺

在線式多晶制絨清洗設(shè)備整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從設(shè)備功能上可分為9個工位用以實(shí)現(xiàn)制絨工藝，各個工位在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能相對獨(dú)立，彼此耦合性低。據(jù)此特點(diǎn)，在線式多晶制絨清洗設(shè)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(shè)備硬件平臺

在線式多晶制絨清洗設(shè)備上位機(jī)采用BECKHOFF的C系列工控機(jī)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(tǒng)共有11個從站（3臺施耐德的伺服驅(qū)動器，6臺施耐德的變頻調(diào)速器，2個閥島），30余個遠(yuǎn)程I/O模塊。為保證系統(tǒng)反應(yīng)及時迅速、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有遠(yuǎn)程調(diào)試診斷功能，并為工廠自動化預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)采用了CANopen的高速現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建整個控制系統(tǒng)，上位機(jī)與PLC連接采用工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet接口。

在線式多晶制絨清洗設(shè)備軟件控制系統(tǒng)安裝于上位機(jī)，完成對整個在線式多晶制絨清洗設(shè)備各個功能工位的任務(wù)調(diào)度、參數(shù)顯示與控制、實(shí)時監(jiān)控、報警處理、設(shè)備維護(hù)等功能，保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)充性。

2 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

軟件控制系統(tǒng)以Visual C++的MFC為開發(fā)平臺，根據(jù)設(shè)備自身特點(diǎn)，該軟件系統(tǒng)采用四層結(jié)構(gòu)、八大功能模塊，設(shè)計開發(fā)了適用于工業(yè)以太網(wǎng)接口的MODBUS底層通訊協(xié)議。實(shí)現(xiàn)了對整個設(shè)備各個功能工位的手動、自動控制、實(shí)時監(jiān)控、用戶權(quán)限管理、歷史實(shí)時曲線顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的采集、設(shè)定、各種控制命令的協(xié)調(diào)和處理，保證設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在線式多晶制絨清洗設(shè)備軟件控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，整個軟件控制系統(tǒng)采用四層結(jié)構(gòu)：

（1）界面顯示層：人機(jī)交互界面，用戶通過此界面能夠?qū)崿F(xiàn)對整臺設(shè)備的監(jiān)控、操作、查看設(shè)備報警、報警歷史記錄和用戶操作日志，查閱設(shè)備重要數(shù)據(jù)的歷史記錄（歷史記錄可以圖形化的方式顯示），對設(shè)備用戶操作權(quán)限進(jìn)行設(shè)置等功能。

（2）中間控制層：主要包括八大功能模塊：總監(jiān)控模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、手動維護(hù)模塊、配方設(shè)置模塊、曲線模塊、報警模塊、日志管理模塊和用戶權(quán)限管理模塊。

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

（4）底層通訊：負(fù)責(zé)上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)與PLC邏輯處理單元通訊。

圖2 軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本軟件控制系統(tǒng)主要由8個主要功能模塊組成。其中，總監(jiān)控模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、手動維護(hù)模塊、配方設(shè)置模塊需要調(diào)用資源管理器來實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)界面的顯示，資源管理器主要實(shí)現(xiàn)對軟件系統(tǒng)界面的初始化和更新操作；總監(jiān)控模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、手動維護(hù)模塊、配方設(shè)置模塊、曲線模塊、報警模塊都需要對數(shù)據(jù)解析交換層交互數(shù)據(jù)；日志管理模塊和用戶權(quán)限管理模塊需要與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互；配方設(shè)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(shí)現(xiàn)文件（配方文件、初始化參數(shù)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(hù)。

(1)總監(jiān)控模塊：顯示設(shè)備整體信息，實(shí)時顯示九個工位模塊工作狀態(tài)及重要信息，以便用戶把握設(shè)備整體狀態(tài)。

(2)系統(tǒng)監(jiān)控模塊：系統(tǒng)監(jiān)控模塊用于分別顯示每個工位的詳細(xì)信息，在此可以查看每個工位的運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)速度、溫度、流量計和電導(dǎo)率等各類信息；查看每個工位模塊的實(shí)時報警，實(shí)時曲線。

(3)手動維護(hù)模塊：手動維護(hù)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(jìn)行設(shè)定。

(4)配方設(shè)置模塊：負(fù)責(zé)對配方文件和用戶命令進(jìn)行檢查、解釋、執(zhí)行，同時返回配方執(zhí)行狀態(tài)信息。用戶通過配方設(shè)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(shè)備運(yùn)行過程中的重要數(shù)據(jù)，可以按選定時間段顯示數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)曲線的放大功能。

(6)報警模塊：報警模塊用于顯示設(shè)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(shè)備進(jìn)行的操作，主要記錄用戶對設(shè)備配方的操作及重要操作信息。

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

2.3 底層通訊開發(fā)

在線式多晶制絨清洗設(shè)備采用施耐德PLC為邏輯處理單元，該P(yáng)LC具有32位CPU中央處理器，具有響應(yīng)時間快，邏輯程序開發(fā)簡單易用，運(yùn)行穩(wěn)定，多種內(nèi)置通訊端口，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)外圍硬件多，結(jié)構(gòu)復(fù)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(dǎo)、電機(jī)、閥門、泵等，需分析處理的數(shù)據(jù)量多達(dá)上千個，并能夠?qū)崟r響應(yīng)復(fù)雜及大量的指令，故對上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)與PLC邏輯處理單元通信的速度和準(zhǔn)確度有極高要求，通信的設(shè)計在此尤為重要。本軟件系統(tǒng)與PLC通訊的程序流程如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)與底層PLC通訊程序流程圖

該系統(tǒng)將對PLC數(shù)據(jù)發(fā)送和采集的操作放入同一線程，內(nèi)部互鎖，以避免對PLC同時進(jìn)行讀寫操作時出現(xiàn)不可預(yù)知錯誤。

系統(tǒng)上位機(jī)與PLC連接采用工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet接口，設(shè)計開發(fā)了適用于工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet接口的Modbus協(xié)議軟件。該協(xié)議軟件運(yùn)行在W indows XP操作系統(tǒng)，以動態(tài)鏈接庫的形式提供給軟件控制系統(tǒng)調(diào)用。其主要特征：

●支持基于Ethernet接口的Modbus通訊協(xié)議應(yīng)用。

●RTU傳輸模式。

●支持Modbus功能碼操作，包括對離散開關(guān)量的位操作、對單個及連續(xù)寄存器的字節(jié)操作。

●適用于實(shí)時的工業(yè)應(yīng)用。

3 關(guān)鍵問題分析

本軟件控制系統(tǒng)在設(shè)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(shè)備的數(shù)字和模擬量數(shù)據(jù)量大，種類多，PLC寄存器地址分配較為分散；同時，軟件需要實(shí)時更新所有數(shù)據(jù)及響應(yīng)設(shè)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(shù)據(jù)僅占采集數(shù)據(jù)的1/3，冗余數(shù)據(jù)的合理處理成為關(guān)鍵[3]。本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)挖掘中的聚類技術(shù)[4-6]，建立以與任務(wù)相關(guān)的屬性歸納為歸納關(guān)系，設(shè)計了對有效數(shù)據(jù)的索引映射，將映射關(guān)系以文件的形式存儲于硬盤文件中，進(jìn)入本系統(tǒng)軟件后，將映射關(guān)系文件內(nèi)容讀入內(nèi)存，以此分析過濾所有實(shí)時采集自PLC的數(shù)據(jù)。實(shí)踐證明，該方法有效地過濾了冗余數(shù)據(jù)，提高了程序的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性。

4 總 結(jié)

本文介紹了在線式多晶制絨清洗設(shè)備軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。層次化和模塊化的設(shè)計思想使軟件控制系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性和富用性。實(shí)踐證明，該軟件控制系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、交互界面友好、易于操作、具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

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