薄膜太陽能電池生產(chǎn)線智能化傳輸系統(tǒng)解決方案

劉 洋,王開西,張一琦,陳承新,苗新念,段鳳江

(蚌埠凱盛工程技術有限公司,蚌埠 233010)

太陽能作為人類社會目前可利用的最理想的清潔能源,取之不盡,用之不竭。太陽能電池就是利用光電材料將光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置,又稱為“太陽能芯片”或“光電池”。目前市場上的主流產(chǎn)品晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達約23%,占據(jù)行業(yè)主導位置。然而,薄膜太陽能電池作為后起之秀,其光電轉(zhuǎn)換材料只需幾微米厚,制造工藝相對簡化,部分類型的生產(chǎn)成本有所降低,具有更好的發(fā)展前景[1,2]。同時,目前市場上已經(jīng)形成量產(chǎn)規(guī)模的薄膜太陽能電池,如碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS),其理論轉(zhuǎn)化率可達約30%,且具備良好的弱光效應、高溫性能、透光性、柔性化、可調(diào)顏色、可回收等優(yōu)點,使其在光伏建筑一體化(BIPV)[3]的應用前景十分廣闊,因而市場潛力巨大。

基于上述大背景,隨著越來越多的資本進入到這個市場,一座座現(xiàn)代化、智能化的薄膜太陽能電池生產(chǎn)工廠正拔地而起。而筆者想要探討的是如何在智能化薄膜太陽能電池生產(chǎn)線,搭建一套智能化的傳輸系統(tǒng),用于銜接各工藝流程,實現(xiàn)基板傳送、流轉(zhuǎn)、緩存,以及信息采集、跟蹤、交互,從而為智能化生產(chǎn)奠定堅實的基礎。

1 需求分析

薄膜太陽能電池生產(chǎn)線,通常需完成20～30道大小工序后,才能形成最終的組件,其中鍍膜、激光刻線、封裝是三大核心工藝。以下將分別從工藝、設備、信息化和智能化這幾個維度,就生產(chǎn)線的需求進行分析。

1.1 工藝需求

生產(chǎn)線的工藝布局,通常有兩種類型,一種是流水線布置,如圖1所示,基板從起始端沿著工藝路線一路向下流經(jīng)沿途工藝設備,而背板從合片設備的另一端等待與基板完成合片,再經(jīng)下游的工序,最終至終點完成模組下片。其中在沿途指定的工藝設備前后建立分布式的離線或在線緩存,以滿足生產(chǎn)線的連續(xù)運行,而傳輸系統(tǒng)則穿插在各工藝設備之間,起到基板輸送、流轉(zhuǎn)、緩存的作用。另一種是復合型布置,如圖2所示,通過中樞系統(tǒng)、工藝環(huán)形布局及流水線布局相結合,基板起點進入中樞,再從中樞進入環(huán)線,經(jīng)過工藝處理,再返回中樞系統(tǒng),進入下一個工藝,直到基板的所有前工序處理完畢,徹底離開中樞進入封裝工藝,再與背板完成合片,進而進入流水線直到終點。其中中樞系統(tǒng)也是中樞緩存,既滿足了工藝流轉(zhuǎn),又滿足了緩存?zhèn)}儲的需求,而下游的流水線布局則也采用分布式的倉儲系統(tǒng),以滿足生產(chǎn)緩存和連續(xù)性的需求。而單種工藝設備的數(shù)量,則取決于其自身處理周期以及產(chǎn)能需求,由1個到多個不等。數(shù)量大于1個的同種工藝設備布置,通常都采用并聯(lián)結構。與流水線布局相似之處,傳輸系統(tǒng)同樣布置于各工藝設備之間,負責基板輸送和流轉(zhuǎn),而不同之處在于倉儲緩存的設置,此類生產(chǎn)線布局了中大型立式倉儲,用于集中存儲,并在內(nèi)部實現(xiàn)流轉(zhuǎn),然后流經(jīng)下游工藝設備。

目前市場上CdTe產(chǎn)品,最大尺寸是美國First solar公司的serie6系列,達到2 m×1.23 m,中國建材集團下屬公司的產(chǎn)品也達到了1.6 m×1.2 m,而同樣來自中國建材下屬公司的CIGS產(chǎn)品則為1.2 m×0.6 m。生產(chǎn)線的節(jié)拍則從十幾秒到幾十秒不等,主要取決于基板的尺寸和產(chǎn)能的設定。基板和背板材料通常采用2～4 mm的高透光率鋼化玻璃。由于薄膜電池生產(chǎn)線的潔凈等級較高,因而對防塵也有較高的要求。

1.2 設備需求

根據(jù)薄膜太陽能生產(chǎn)線的整體布局和工藝設備需求,智能化傳輸系統(tǒng)需要具備的設備功能有以下幾個方面:一是輸送,傳輸系統(tǒng)最基本也是最本質(zhì)的功能,就是將物料從生產(chǎn)線的起點輸送到終點;二是轉(zhuǎn)向,無論是流水線布局,還是復合型布局,生產(chǎn)線總會有多個轉(zhuǎn)角,或有離線設備、人工取樣設備,皆需轉(zhuǎn)向功能;旋轉(zhuǎn),生產(chǎn)線的大部分工藝設備皆要求長邊進入,而少許設備則要求短邊進入,旋轉(zhuǎn)功能可滿足這部分設備的需求,同時在轉(zhuǎn)角位置,也需要旋轉(zhuǎn),以保證長邊在前的狀態(tài);三是翻轉(zhuǎn),由于部分核心鍍膜設備采用CSS(近空間升華法)[4]工藝,在基板進入腔體前需將其鍍膜面從正上方翻轉(zhuǎn)至正下方,而完成鍍膜后,則需要再次翻轉(zhuǎn)成初始狀態(tài);四是正位,傳輸系統(tǒng)在與工藝設備交付基板時或需要讀取基板二維碼時,皆需保證其位置的精度,因而需要正位功能,克服其在輸送過程中產(chǎn)生的偏移,精度要求±1 mm以內(nèi);五是緩存,由于生產(chǎn)線工藝路線較長,工藝設備較多,則因設備故障或換料等導致的暫停風險大增。以流水線布局為例,假設每種工藝設備的生產(chǎn)效率達到98%,而經(jīng)過20多道工序后,整條生產(chǎn)線的運行效率接近60%,因而為解決這個問題,必須有倉儲緩存的功能。一旦某區(qū)段工藝設備宕機,則其上、下游仍可以繼續(xù)生產(chǎn),可最大程度降低對生產(chǎn)線效率的影響。

1.3 信息化和智能化需求

隨著“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”的不斷深入,信息化和智能化的技術和設備不斷發(fā)展,步入21世紀的第2個10年,智能化工廠已不僅僅停留在概念上,而是如雨后春筍般涌現(xiàn)[5]。薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)作為光伏行業(yè)的新興領域和發(fā)展方向,其工廠建設自然成為智能化發(fā)展的受益者。企業(yè)資源計劃系統(tǒng)ERP和執(zhí)行制造系統(tǒng)MES的打通,意味著生產(chǎn)線訂單可滿足定制化、柔性化,同時生產(chǎn)工藝可由智能化手段提供決策依據(jù),生產(chǎn)更加科學,而MES對全廠設備的智能化管控,也使生產(chǎn)更加高效、穩(wěn)定[6]。

為實現(xiàn)上述目標,這對傳輸系統(tǒng)的信息化和智能化提出了更高的要求,在自動化的基礎上,需要增加對生產(chǎn)物料的全線跟蹤系統(tǒng),需要制定與上、下游工藝設備的橫向接口規(guī)范,以滿足生產(chǎn)物料ID信息及相關生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳遞,更需要開發(fā)符合半導體行業(yè)標準的SECS/GEM接口軟件,以實現(xiàn)與MES系統(tǒng)的縱向信息傳遞。

2 解決方案

2.1 工藝方案

為了滿足生產(chǎn)線的快速搭建需求,模塊化和標準化的設計理念勢在必行,因而無論是流水線布置還是復合型布置,我們皆可將每兩臺工藝設備之間的單元看成是由若干個傳輸單元組成,如圖3所示。每個單元的長度則由基板尺寸決定。以2 m×1.23 m的產(chǎn)品為例,其標準長度定為2.4 m較為合適,前后各留出200 mm距離,用于加減速和基板定位。每兩臺工藝設備之間的單元數(shù)量,需符合3個原則:一是符合廠房的整體布局要求,無干涉,且有足夠的操作和維護空間;二是滿足兩臺設備之間的工藝功能要求,基板是否在此過程中需要轉(zhuǎn)向、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、緩存等需求;三是待片工位的設定,通常不同工藝設備之前需要設定若干待片工位,以滿足連續(xù)型工藝設備生產(chǎn)過程中,一旦上游發(fā)生故障,物料中斷的情況下,最大程度地爭取緩沖時間,用于突發(fā)情況的設備響應,避免對設備造成損壞。而待片工位的數(shù)量,則取決于下游工藝設備特性,以及其平均維護或換料時間等因素。

由于整個生產(chǎn)過程工藝路線較長,為了解決各工藝設備換料或停機時間對生產(chǎn)的影響,最大程度地提升生產(chǎn)效率,緩存?zhèn)}儲系統(tǒng)的應用對于整個生產(chǎn)線傳輸工藝的優(yōu)化起到關鍵作用。而緩存的設置,則可以根據(jù)不同生產(chǎn)線的布局,有不同的解決方案:流水線布局方式,可采用分布式結構,即“化整為零”,把不同規(guī)模的倉儲系統(tǒng)放置在生產(chǎn)線的各個區(qū)域,為各工藝設備服務,而存儲箱可進行流轉(zhuǎn),提升利用率;而復合型布局則恰恰相反,“化零為整”,采用設置不同規(guī)模的中樞倉儲區(qū),滿足多種工藝同時生產(chǎn)的需求,基板在倉儲區(qū)內(nèi)流轉(zhuǎn),然后流向下游的工藝設備。

2.2 設備方案

工藝決定設備,因而傳輸單元按照上述工藝要求,需完全基于模塊化和標準化的理念來構建,按照具體功能可基本劃分為輸送設備、轉(zhuǎn)向設備、旋轉(zhuǎn)設備、翻轉(zhuǎn)設備、人工取樣設備等標準設備。在設備結構上,如圖4所示,有密封要求的區(qū)域可選用箱體式鈑金結構,加上蓋密封。而無密封要求的區(qū)域則選用鋁材構建,輕便小巧,如圖5所示。輸送載體可選用同步帶或膠輪兩種形式,均可滿足輸送要求。工藝設備入口的傳輸單元,需配置正位機構,可采用氣缸驅(qū)動,確?；褰桓稌r的位置精度。運動控制,可采用普通變頻電機或伺服電機驅(qū)動方式,其中普通變頻控制需考慮在部分傳輸單元增加前端或側向正位系統(tǒng),以消除重復精度誤差,防止基板位置偏移較多。檢測和控制信號較多的區(qū)域,可就近設置快插式遠程IO模塊,如圖6所示,由幾臺設備共用,光電及其它傳感器信號接入遠程IO模塊,其與主PLC之間通過PROFINET通訊,這樣既減少了現(xiàn)場信號接入主控制柜的接線量,同時增強了系統(tǒng)信號傳輸?shù)目垢蓴_能力,也大大提升設備的模塊化水平,非常便于拆裝或維護檢修。從成本角度考慮,IO遠程模塊也可以用接線端子替代,犧牲一定的便利性換取經(jīng)濟性。而軟件部分的編寫,則可以把各基本功能單元進行標準化封裝,形成獨立的子模塊,而不同的設備可以調(diào)用標準模塊,如此將大大提升軟件的模塊化程度,有效縮短調(diào)試周期,大大提升維護便利性。

倉儲單元,則根據(jù)不同的需求和場景,可有不同的選擇方案,通常有以下幾大類別:在線倉儲、小型離線倉儲、中大型立庫式倉儲。在線倉儲,如圖7所示,通常布置于生產(chǎn)線某兩個工藝段之間輸送設備上方,以滿足少量的臨時緩存需求,例如10～30片基板。此類設備可采用鋁材構建框架,同步帶或鏈條機構驅(qū)動基板升降,夾爪氣缸或吸盤組件搭配直線單元,用于處理基板存取。而運動控制,則建議采用伺服系統(tǒng),以確保位置精度和重復精度。因設備結構簡單,可獨立開發(fā)。小型離線倉儲,如圖8所示,通常放置于某兩個工藝設備之間的兩側離線區(qū)域,存儲規(guī)模100片基板左右,可滿足因上或下游設備停機后,未停機部分可正常生產(chǎn)若干小時,當然倉儲箱建議設計為可更換,如此存儲規(guī)模理論上可無限增大。此類設備可采用鋼材和鋁材相結合的方式構建,同步帶機構驅(qū)動橫、縱向運動,夾爪氣缸或吸盤組件配直線單元,可滿足基板的存取。運動控制同樣建議采用伺服系統(tǒng)以實現(xiàn)高精度。因設備結構并不復雜,也可獨立開發(fā)。中大型立庫式倉儲,如圖9所示,通常是生產(chǎn)線的核心中樞系統(tǒng),它負責銜接多道前后工序的基板流轉(zhuǎn),也承擔著大規(guī)模緩存的作用。由于立體倉儲規(guī)模可達到30 000片左右,且工作行程較長,最長可達100多米,高度則可達4 m等。同時,立式倉庫的軟件控制僅僅通過PLC邏輯控制是無法運行的,必須通過倉庫管理系統(tǒng)(Warehouse Management System,WMS)[7]和倉庫控制系統(tǒng)(Warehouse Control System,WCS)[8]相結合,WMS負責入庫、出庫、庫存盤點、虛倉管理、日志管理等,并下達指令[9]。而WCS則負責調(diào)度和協(xié)調(diào)底層物流設備,如穿梭車,堆垛機等,執(zhí)行倉儲系統(tǒng)的業(yè)務流程。WMS和WCS在上架任務、揀貨任務、補貨任務和設備作業(yè)狀態(tài)要實時交互,以指導設備設施的作業(yè)操作[10]。由于立式倉儲的復雜性和專業(yè)性,可選用專業(yè)廠家定制產(chǎn)品來滿足生產(chǎn)線的需求。

2.3 信息化和智能化方案

智能化是信息化發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物,其核心是工業(yè)化和信息化的高度融合[11]。而薄膜太陽能電池生產(chǎn)線正是以工業(yè)化和信息化為基礎建造的智能化工廠,其通訊邏輯如圖10的金字塔結構。頂層ERP系統(tǒng)接收到客戶訂單后,下達生產(chǎn)任務,MES系統(tǒng)根據(jù)訂單進行柔性化生產(chǎn),把任務派發(fā)給設備層執(zhí)行制造,并實時跟蹤反饋生產(chǎn)信息和數(shù)據(jù),MES系統(tǒng)收集海量數(shù)據(jù)整合、分析,并通過智能算法尋求最佳生產(chǎn)路徑和生產(chǎn)配方,再對生產(chǎn)過程進行指導、修正,從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量[12]。

為匹配上述需求,對于智能化傳輸系統(tǒng)而言,需要解決兩個主要問題:一是生產(chǎn)數(shù)據(jù)跟蹤和采集,二是與MES數(shù)據(jù)交互。

數(shù)據(jù)跟蹤和采集方案為:首先,以PROFINET通訊協(xié)議為規(guī)范,制定標準的“handshake”握手信號規(guī)則,開發(fā)傳輸系統(tǒng)與工藝設備的通訊接口程序[13],且傳輸和工藝設備雙方嚴格恪守規(guī)則,確?；逍畔⒖梢詮纳嫌雾樌惩ǖ貍鬟f到下游[14]。同時,建立一套信息識別和跟蹤系統(tǒng),通過在所有工藝設備入口前放置讀碼器(DMC Reader),對基板二維碼進行反復識別、確認、跟蹤,而系統(tǒng)則保持對基板ID的跟蹤記錄,及其綁定的相關產(chǎn)品信息也一并保存記錄。然后,針對傳輸系統(tǒng)可開發(fā)獨立的SCADA上位系統(tǒng),通過網(wǎng)絡采集生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù),對基板信息(ID、狀態(tài)、位置、流向等)集中采集和監(jiān)控,并制作成符合MES規(guī)范的文件保存。

與MES的數(shù)據(jù)交互,按照薄膜太陽能工廠標準,開發(fā)符合半導體行業(yè)要求SECS/GEM的接口轉(zhuǎn)換軟件。采用TCP/IP通訊協(xié)議,通過以太網(wǎng)(Ethernet)實現(xiàn)從生成過程執(zhí)行系統(tǒng)到輥道控制系統(tǒng)的信息交互,可實現(xiàn)從辦公室到車間集成式的管理方式。以太網(wǎng)的標準拓撲結構可采用總線型拓撲。為了減少沖突并提高網(wǎng)絡速度和使用效率最大化,可使用集線器來進行網(wǎng)絡連接和組織,拓撲結構可采用星型[15]。傳輸系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡架構,可分為兩個層級:1)傳輸控制系統(tǒng)PLC與所在上位系統(tǒng)SCADA之間通過Ethernet方式,以TCP/IP傳輸協(xié)議進行通信。2)上位系統(tǒng)SCADA與MES系統(tǒng)之間通過Ethernet方式,以TCP/IP傳輸協(xié)議進行通信。此外,若生產(chǎn)線配備了中大型立庫式倉儲系統(tǒng),MES系統(tǒng)需要與WMS系統(tǒng)進行交互,倉儲內(nèi)部的任務則由其自身WMS系統(tǒng)下發(fā)和管理。

3 結 語

智能化傳輸系統(tǒng)對于薄膜太陽能電池生產(chǎn)線而言,起著承上啟下和緩存的重要作用,既可保障其高效、連續(xù)地生產(chǎn),也可在部分設備停機的狀態(tài)下,仍然維持其他工藝段的生產(chǎn)能力,最大程度地保證產(chǎn)能的輸出。同時,對基板的ID以及其綁定的各種關鍵生產(chǎn)指標等重要信息,實時跟蹤、反饋,并與MES系統(tǒng)互聯(lián)互通,實現(xiàn)無縫對接,確保了信息溝通的時效性、準確性,對后續(xù)MES指導生產(chǎn)、優(yōu)化配方、下達任務等提供了最有力的支撐。而該文就智能化傳輸系統(tǒng)的解決方案,分別從工藝、設備、信息化及智能化多角度進行分析研究,為此類生產(chǎn)線傳輸系統(tǒng)地快速搭建,有非?，F(xiàn)實的參考價值和意義。