光伏設備控制軟件現狀及發展趨勢

彭 浩

（湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙 410221）

1 引言

隨著國家大力發展綠色清潔能源，太陽能得到了越來越多的關注，也推動了光伏市場的發展，光伏企業紛紛加大產業布局，推動新技術的落地。光伏設備作為光伏產業中至關重要的環節，隨著光伏技術的不斷突破而迭代升級，不斷往高集成、高性能和高自動化等方向發展，對設備功能性、操作性和安全性等方面的要求也越來越高。控制軟件作為設備的核心組成部分，也得到了飛速的發展。

控制軟件的作用在于讓使用者能夠對設備的運行狀態進行全面的監測和控制，作為人機交互的接口，不僅可以方便直觀地知悉設備工作狀況，而且可以及時發現設備故障進行維修，提高工作效率，更重要的是作為整個設備的“大腦”，可以對設備各個部件進行操控，保障設備按照既定規則有條不紊地運行。

2 光伏設備控制軟件現狀

2.1 設計原則

光伏行業的技術路線迭代比較快，屬于商業性應用研發，這對設備提出了更高的要求，也對設備控制軟件提出了更高的要求。總的來說，光伏設備控制軟件的設計都主要遵從以下設計原則。

（1）可靠性

控制軟件作為設備的“大腦”，負責整臺設備所有運行動作的執行，尤其是光伏行業這種高自動化的生產行業，設備上同一個動作每天可能重復上百次，一旦可靠性出現問題，產品質量甚至人身安全都可能面臨威脅。

為了確保控制軟件的可靠性，在程序的設計實現過程中，對一些重要執行信號或邏輯，要有反饋機制。比如發送方傳送出一個運行信號，接收方需要反饋一個接收成功的信號，確保信號接收成功，否則要認為發送失敗進行重發或報錯等處理。

（2）實時性

高產能、高自動化也是光伏設備的特點，這意味著設備在生產過程中高速地全自動運行，設備的各個動作信號、檢測信號都在快速地變化，這就要求監控軟件應具備很高的實時性。

為了確保控制軟件的實時性，在控制系統設計初期，要對控制對象和控制方式有一個全面的評估，根據控制需求選擇性能最優的控制器，留足控制余量；在軟件編寫過程中，要簡化控制邏輯，減少資源的浪費，提高代碼執行效率。

（3）可操作性

控制軟件作為人機交互的接口，除了需要把設備的運行狀態呈現給操作人員監視之外，更重要的是操作人員對設備的大部分控制操作都是通過控制軟件來實現的。

為了確保控制軟件的可操作性，人機交互界面需符合操作者使用習慣，界面布局規劃合理，功能完善，方便直觀。

2.2 設計模式

目前光伏設備的控制軟件采用的是上位機軟件＋下位機軟件的設計模式。

（1）上位機軟件

上位機軟件一般安裝在工控機上，提供友好直觀的人機交互界面，操作人員可通過操作菜單對設備的運行狀態、設備參數、歷史記錄和報警信息等進行一個全方位的監視，并且可以通過相關操作直接發出操控指令。常見的上位機軟件主要有兩種：

1）組態軟件。組態軟件又稱組態監控系統軟件，是指數據采集與過程控制的專用軟件，也指在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境。這些軟件實際上也是一種通過靈活的組態方式（不是編程方式），為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具優點是開發難度小，開發周期短；缺點是不靈活，價格成本高。常用的組態軟件有亞控組態王、力控和杰控等。常見應用設備如插片機、清洗機等。

某型號 PECVD 設備上位機程序界面如圖1所示。

圖 1 某型號 PECVD 設備上位機程序界面

圖 2 分選設備的控制系統示意圖

2）自行開發軟件。自行開發軟件是指程序人員為了實現設備功能，在編程開發工具的基礎上通過編寫程序生成的軟件。優點是靈活可定制化開發，功能豐富，免費；缺點是開發周期長、難度大，需要較強的軟件編程能力。常用的開發工具有 VB.NET、C# 等。常見應用設備如PECVD、低壓擴散爐等。

（2）下位機軟件

下位機軟件一般通過 PLC 實現，實現直接控制設備，獲取設備狀況的功能。PLC 是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。一般來說PLC 控制根據應用場景可分為兩種類型。

1）集中式控制系統。集中式控制系統是由1個 PLC 控制器組成，控制一個或多個被控設備，各個被控對象僅與PLC 的 IO 或拓展模塊連接，各被控對象之間不需要額外的通信線路。主要應用于輸入輸出點位少、各被控對象所處位置集中且相互之間動作有一定聯系的場合。優點是控制結構簡單、實時性好、成本低，缺點是應用于較大較長的設備時電氣接線麻煩復雜。集中式控制系統常用的 PLC 有三菱公司生產的 FX5U 系列 PLC 和西門子公司生產的 S7-200系列 PLC 等。常見應用設備如離線式分選機、方阻檢測儀等。某型號離線式雙軌太陽能電池片分選設備的控制系統如圖2所示。太陽能電池片測試分選設備是太陽能電池生產的七種關鍵工藝設備之一，可自動測試電池片的效率、串并聯電阻和漏電流等各種電參數，并根據電池片參數進行自動分類。下位機系統主要使用 PLC 控制器（基恩士KV3000系列），控制對象主要是軌道的多個傳感器、氣缸、電機等元器件構成的上料部分、測試部分和下料部分。

2）分布式控制系統。分布式系統多用于有多臺被控設備、系統裝置分布范圍比較分散且設備之間有數據信息傳送的場合。PLC 通過通信電纜與被控設備進行信息傳遞。特點是系統靈活性強、控制范圍大但價格偏高。分布式控制系統常用的 PLC 有倍福公司生產的 CX 系列PLC 和三菱公司生產的 Q 系列 PLC 等。常見應用設備如PECVD、低壓退火爐等。某型號低壓退火爐的控制系統如圖3所示。退火爐主要用于硅片太陽能器件制造中的氧化、退火工藝；也可用于半導體器件制造中的氧化、退火及合金工藝，同時還適用于對其他材料的特殊溫度處理。下位機系統由三段 PLC 構成，PLC 1 為主控制器（倍福CX9020）控制凈化臺部分推舟系統，PLC 2 和 PLC 3 分布在設備的爐體柜和氣源柜，分別控制這兩部分的溫控系統、流量系統和壓力系統。

圖 3 低壓擴散爐的控制系統示意圖

3 行業重點關注問題

3.1 穩定性

光伏行業是高強度生產型行業，設備除了定期的停機維護外，一般都是全天候的不間斷生產，對系統的穩定性要求很高，一旦設備控制軟件出現不穩定問題，有時會導致設備工藝異常停止，生產出來的產品不合格需要返工，有時會導致設備硬件損壞需要暫停生產修復故障。所以設備控制軟件的穩定性直接關系到設備產能、企業效益。

3.2 安全性

光伏生產是一個高自動化程度的生產過程，設備控制軟件的安全性也是行業備受關注的重點。控制軟件的安全性主要是指在對設備的監控過程中，對各種可能造成安全事故的操作或動作要提前在程序中做出全面合理的規避和保護的邏輯。

3.3 易用性

設備控制軟件的靈活性、簡單性和易用性可以使用戶快速熟悉設備操作，降低誤操作概率和減少誤操作可能帶來的損失，這也是用戶關注的重要部分。

4 光伏設備控制軟件發展趨勢

4.1 低能耗

為應對全球氣候不斷惡化，我國確立了2030年實現碳達峰的目標和2060年實現碳中和的愿景，在這樣的戰略背景下，以光伏為代表的新能源發電和新能源汽車的制造運用展現了廣闊的發展前景。為響應國家十四五規劃“碳達峰”“碳中和”的要求，也從企業自身經濟角度考慮，設備的能耗是廠家日益重視的問題。控制軟件可通過在線監控設備能耗的情況、智能化的調控設備加熱功率，實現用能的精細化處理，不僅有利于企業根據自身情況合理利用能源降低成本，也為國家碳中和目標做出貢獻。

4.2 萬物互聯

萬物互聯是將人和相關的數據、事物系統的結合，利用大數據分析的方法使得這些東西更加相關，更有價值。光伏行業是一個穩步向前發展的行業，在數字信息化時代要擺脫傳統制造業的方式，往智能工廠的方向發展。光伏企業工廠涉及到多個廠家多種設備協同生產，通過互聯技術將這些設備數據進行采集，統一分析管理，有利于提高設備的利用率，提高產品的品質。

4.3 云服務

云服務可以將企業所需的軟硬件、資料都放到網絡上，在任何時間、地點，使用不同的IT設備互相連接，實現數據存取、運算等目的。將設備信息上傳到云服務器，然后共享到終端，如手機、筆記本等，可以讓使用者隨時隨地了解設備運行狀態；此外還可以通過云端內上傳的前后端、上下游的設備信息、原料供應和市場價格等大數據，來幫助公司決策層做出科學合理的分析和判斷。

4.4 兼容性高

隨著國內外研發能力的進步、微電子技術的發展，各種智能芯片和智能傳感器不斷出現，設備上使用的元器件類型也越來越多。為了適應不同廠家對不同品牌元器件的需求，這就需要設備軟件兼容各種類型的元器件。

5 結束語

隨著環境問題及能源問題日益嚴峻，人類對清潔可再生能源的關注到達一個新的高度，太陽能作為最具潛力的可再生能源之一越來越得到重視。光伏設備是太陽能產業中至關重要的環節，而控制軟件又是設備的核心部分。通過對光伏設備控制軟件現狀的研究和行業重點關注問題的分析，提出了控制軟件在未來幾年的發展趨勢和拓展方向。