光伏電池片自動串焊產線信息管理系統研究與開發

江 松，李東波，顧 鋒，童一飛

(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)(2.南通職業大學繼續教育學院，江蘇 南通 226007)

自動串焊機是光伏組件制造企業的核心生產設備，提高電池片串焊效率以及焊接質量是光伏制造廠商的一致訴求。目前，國內光伏企業針對自動串焊產線的信息化管理程度不是很高，這將造成管理信息量少、查詢不便、生產數據利用率低、設備狀態無法監測等問題。

設備是企業進行生產的主要物質技術[1]，這直接關系到企業的生產效率、制造成本以及產品質量，同時設備開銷也是企業重要的固定支出，因此正確使用、精心保養、適時維護、及時檢修設備并對設備的運行性能進行監測分析，使設備保持良好的工作狀態，才能保證企業按照預定的生產計劃進行有序、高效的生產，從而提高企業的經濟效益。另外，設備綜合效率的運用能提高設備的管理水平，使設備能夠持續高效地運作[2]。同時，對設備進行OEE(overall equipment effectiveness)分析，能準確把握設備的運行狀態，實時分析出設備所存在的問題，并有助于尋找解決方案，降低設備的效率損失，維護生產的穩定、快速運行[3]。

1 需求分析

自動串焊機是將太陽能電池片通過自動化控制焊接成串的設備，該設備采用CCD(charge coupled device,電荷耦合器件)技術、可編程邏輯控制器(PLC)系統、機器人等實現對電池片串焊過程中的自動化控制，具有快節拍、高精度、低NG(過程不良)率、操控性強、自動化程度高等特點。

通過調研與分析發現，光伏制造企業對串焊機未能實施智能化的管理，主要體現于：生產數據未能展示分析；調試以及加工工藝參數未能集中管理；未能進行產品質量追溯；設備狀態信息未監測。因此，建立設備狀態監測體系，全面準確地了解設備的運行情況，并逐漸實現設備的故障預警，能有效地提高企業的設備管理水平，實現降本增效的目的[4]。

針對上述不足以及串焊機的實際情況，串焊機設備信息管理系統需求歸納如下：

1)統計生產數據，圖形化展示企業生產狀況以及設備工作效率。同時針對串焊機加工的合格品率分析各原材料廠商所提供電池片、助焊劑質量的優劣，提供原材料采購方案意見。

2)將串焊機調試參數以及工藝參數進行集中管理，方便設備使用者參考歷史數據。

3)產品質量追溯。產品質量追溯包含兩個方面，使用原材料的追溯和責任者的追溯。當所加工的電池片出現質量異常時，能夠根據產品的加工批次查詢出原材料的名稱、規格、批次以及當班責任人，及時進行問題追溯，找出問題根源。

4)實現設備狀態數據的動態采集，提取串焊機關鍵部位運行狀態的發展趨勢特征，實現智能化的串焊機故障預警。

2 自動串焊機管理系統設計

2.1 系統設計

串焊機設備管理系統基于SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis，一種Web項目軟件框架)框架開發，通過JNI(JAVA本地接口)連接底層工控機的OPC(OLE for process control, 用于過程控制的OLE)Client，實現設備實時數據采集。用戶無需安裝客戶端，通過瀏覽器即可訪問設備管理系統，同時用戶還可以通過Internet遠程訪問該系統，隨時獲知設備運行狀態[5]。系統總體架構圖如圖1所示。

圖1 串焊機設備管理系統總體架構圖

2.2 系統功能模塊設計

串焊機信息管理系統以生產數據和設備狀態數據為基礎，以生產數據的統計分析和設備狀態的監測、預警、維修等主要業務流程為主線，包括：設備基礎信息管理、生產計劃管理、生產數據統計、原料質量分析、產品質量追溯、設備實時數據采集、故障報警、故障維修管理等核心業務模塊；用戶管理、權限管理等系統模塊；報表打印、短信郵件通知等輔助模塊。系統功能模塊圖如圖2所示。下面對主要功能模塊進行簡要介紹。

圖2 系統功能模塊圖

2.2.1 基礎業務管理

基礎業務管理模塊包括用戶管理、權限管理和系統建模。

1)用戶管理模塊。該模塊主要實現管理員對用戶信息的添加及修改，查看用戶信息列表，對新增用戶進行密碼初始化。用戶本身有修改密碼及修改本人信息的權限。

2)權限管理模塊。采用RBAC(role-based access control，基于角色的訪問控制)權限模型。簡單地說，一個用戶擁有若干角色，每一個角色擁有若干權限[6]。這樣就構造成“用戶-角色-權限”的權限模型，如圖3所示。該功能模塊的目的就是對本系統的所有用戶群體進行權限劃分，一方面保障系統的安全性和可維護性，另一方面通過權限的劃分，確保各個用戶各司其職，明確職責。

圖3 RBAC權限模型

3)系統建模模塊。系統建模模塊分為車間建模模塊以及設備靜態資源管理模塊。車間建模是指建立廠際-車間-生產線-設備4層框架，在數據庫的表現形式為后者是前者的子節點。設備靜態資源管理模塊是對設備的靜態信息(包括設備名稱、設備型號、生產廠商、責任人等)進行錄入、修改、刪除操作，并可對串焊機設備基礎信息進行任一條件篩選的查詢。同時，每臺串焊機在數據庫中具有唯一的ID號，對于查詢到的串焊機可以瀏覽維護信息、維修記錄、報警信息等相關業務數據。

2.2.2 生產計劃管理

生產計劃管理模塊由相關負責人確定生產任務，制定生產計劃并將任務分配給各個生產班組。該模塊只允許生產計劃負責人對各個任務細則進行下發、修改、刪除操作。本模塊的主要功能如下：

1)添加生產計劃。相關負責人對訂單，交貨日期、人員和串焊機產能等進行評估，確定生產計劃并添加至系統中。

2)計劃查詢。查詢電池片串焊環節的生產計劃的具體細節。一方面可以了解當前正在執行計劃的完成情況，另一方面也可以記錄歷史計劃。

2.2.3 生產數據管理

生產數據管理模塊主要將自動串焊機的生產數據以圖表化的形式展示，通過車間、整線、單機3種形式并結合串焊現場實際需求全方位地統計分析生產數據，具體展示內容如圖4所示。

圖4 生產數據管理模塊內容

車間數據展示用于對整個車間的所有串焊機的生產狀況以及設備運行狀況進行統計。系統對串焊機產量、電池串的關鍵質量指標、故障停機信息以及設備綜合效率進行統計分析。串焊機產量包括合格品數量和不合格品數量，其中不合格品細分成電池串露白、電池串虛焊、起焊點錯誤等，這三大故障種類是評價串焊機正常工作與否的重要指標；故障停機的相關信息包括停機現象、停機原因、停機時長；設備綜合效率包括時間開動率、性能開動率和合格品率。用戶可以通過選擇頁面上的日報表、周報表、月報表進行查看，或者根據班次、時間等選項自定義地瀏覽生產數據。

整線數據以生產線上的所有串焊機作為統計主體，單機數據則以單臺設備作為統計對象。串焊機信息管理系統通過統計這兩類數據對串焊機的生產狀況以及設備運行狀況進行分析。

2.2.4 原材料管理

原材料管理模塊包括原材料質量分析模塊和產品質量追溯模塊。

1)原材料質量分析模塊是通過對不同電池片供應商的不同批次電池片的來料不良率、露白率和虛焊率進行統計。通過數據分析獲得對不同廠家電池片的總體評分，為用戶提供電池片采購建議。

2)產品質量追溯模塊是質量追溯人員快速定位故障電池片故障原因的模塊，包括原材料批次追溯模塊和加工工藝參數追溯模塊。其追溯數據流圖如圖5所示。

圖5 原材料批次追溯和加工工藝參數追溯數據流圖

質量追溯人員通過缺陷電池串的生產批次檢索工序流程卡，獲得工序流程卡編號，并以此編號檢索生產計劃，獲得生產計劃編號，從而實現追溯原材料來源以及加工工藝參數。

2.2.5 設備狀態監測

設備狀態監測模塊包括數據采集模塊、故障報警模塊、故障維修管理模塊。

1)數據采集模塊采用基于OPC技術的實時數據采集，為其他功能業務模塊提供數據來源。由于串焊機底層設備的接口協議各不相同，本系統采用了工業控制設備和上層軟件通訊的統一數據存取規范[7]，即OPC技術。另外，OPC是基于微軟的COM/DCOM技術開發的，傳統OPC技術應用在C/S(客戶端/服務器)架構系統中，而本系統采用B/S(瀏覽器/服務器)模型。通過將OPC Client與OPC Sever的通訊封裝成符合JNI規范的動態鏈接庫供后臺程序調用。無需安裝配置OPC客戶端即可進行數據采集，降低了維護成本和部署難度。

2)故障報警模塊通過實時數據采集模塊獲得設備故障信號，產生維修任務單，并通知相關工作人員進行故障維修。其業務流程圖如圖6所示。

圖6 故障報警模塊業務流程圖

3)故障維修管理模塊是對以往的故障維修事件進行記錄。主要記錄內容為故障發生時間、故障現象、故障原因、解決方式、解決人員等。通過對故障維修的記錄整理，為相似性故障提供維修方案，縮短設備故障維修時間。

3 系統開發

考慮到應用系統的跨平臺性、穩定性以及可擴展性。本系統采用JAVA作為主要開發語言，Redis作為實時數據緩存，Mysql存儲實時數據和歷史數據。數據服務器采用OPC標準，通過OPC Sever與底層PLC和機器人進行通訊。數據采集系統將OPC Client封裝成符合JNI規范的動態鏈接庫，采用JAVA本地接口調用本地庫實現與OPC Sever的通訊。通過工業以太網作為信息傳輸介質，同時用戶可以通過Internet實現對串焊機信息管理系統的遠程訪問。

4 結束語

本文通過對企業串焊生產現場的分析與研究，設計出符合公司生產實際的信息化管理系統。該系統實現了生產數據的可視化、設備加工過程的實時監控。通過該系統的實際應用，可以快速定位設備存在的問題，提高生產線生產效率，使企業實現信息共享、協同工作、科學管理和決策。