適應光伏電池生產的數字化車間智能制造系統

劉仁杰，周大良

(中國電子科技集團第四十八研究所國家光伏裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410111)

智能制造集成系統是一種集自動化、柔性化、集成化和智能化于一體的先進制造模式，MES、MCS、EAP等工業軟件則是智能制造集成系統的“大腦”和“靈魂”。工業軟件使得傳統的機械化、電氣化、自動化的工業裝備具有了數字化、網絡化、智能化特征，是提高光伏電池生產線電池效率穩定性，減少人為因素干擾，增強企業自身競爭能力的重要途徑?？梢杂行Т龠M光伏電池工業技術發展和構建新型光伏裝備的重要因素。

光伏電池數字化車間智能制造集成系統包括制造執行系統、物料控制系統、設備自動化系統等子系統，涉及到控制信息、加工信息、狀態信息等大量異構信息的傳輸及交互。工業網絡是工業領域內一種綜合性集成網絡，承載著生產及控制信息的傳輸任務。工業網絡體現為安裝在廠房、車間、生產線等工業生產環境中全數字化的雙向通信系統。數字化車間網絡環境建設包括工業以太網構建和通訊接口標準設計。本文主要介紹了包括構建工業以太網和PVECI通訊接口標準等信息網絡環境，基于工業以太網的主控制系統硬件平臺等數字化車間智能制造集成系統硬件環境的開發、部署、調試。通過制造執行系統、物料控制系統、設備自動化系統等工業軟件，形成光伏電池數字化車間智能制造集成系統示范平臺，實現企業應用推廣。

1 太陽能光伏產業概況

1.1 太陽能光伏產業發展現狀

太陽能光伏產業是我國政府重點支持和引導的戰略新興產業。自2002年以來，我國太陽能電池產量均以100%以上的年增長率快速發展，連續4年產量世界第一?！笆晃濉逼陂g，我國太陽能光伏產業發展迅速，已成為我國為數不多、可以同步參與國際競爭、并有望達到國際領先水平的行業，我國太陽能電池繼續保持產量和性價比優勢，國際競爭力愈益增強。預計2012年，我國太陽能電池產能將超過40 GW，產量將超過24 GW，同比增長50%以上，仍將占據全球半壁江山。制造設備的本土化率已經超過50%，太陽能電池的質量和技術水平也逐步走向世界前列。

雖然光伏產業作為朝陽產業，未來市場將會呈現指數增長。但短期內，產業承受著較大的供給壓力。與快速增長的太陽能電池供給量相比，光伏需求量增長則顯得相形見絀。國內銀根緊縮，同時歐洲市場宣布下調補助金額政策，一大批不具備競爭力或貿然進入光伏領域的光伏企業將在激烈的競爭中被整合或淘汰。綜上所述，2012年，我國光伏產業將步入大調整期。雖然產業規模仍將保持穩步增長，產業對外依賴度逐步下降，但由于市場供需失衡嚴重，外加美國“雙反”重壓，行業競爭將愈加殘酷與非理性，產業整合迫在眉睫，企業開始進入薄利時代，光伏制造和系統集成的智能化、集約化和精細化成為了產業致勝的法寶。

因此，只有以自主創新為基礎，掌握高端裝備和工藝集成的能力，實施光伏電池智能制造工程，走以成套工藝、自主設備制造、整線工藝集成為特色的新能源產業道路，最大限度地減少人工干預，降低制造成本和提高轉換效率，打破行業同質化競爭現狀，才能進一步提升我國光伏電池企業的市場競爭力，保持我國光伏產業制造大國的地位，實現我國光伏產業及高端制造裝備的健康、快速、可持續發展。

1.2 太陽能光伏電池制造裝備發展趨勢

光伏技術是一種利用太陽能電池片將太陽光能轉化為電能的技術，它是解決當前世界持續增長能源需求的一種新技術，具有無污染，可靠性高，無維護費用等優點。晶體硅電池作為一種高效低成本的光伏電池技術率先實現了大規模工業化生產，在相當長時期內主宰整個光伏發電市場，其所占比重一直在90%以上。光伏裝備作為光伏產業發展的核心和基礎，光伏產業鏈的每一個環節都離不開相應的生產裝備，尤其是用于光伏電池生產的裝備，是太陽能光伏產業的重要基礎與支撐，是太陽能光伏產業競爭力的集中體現。

晶體硅光伏產業鏈主要有光伏材料提純/薄片制造、光伏電池制造、組件制造等生產環節，其中光伏電池制造包括清洗制絨、擴散、制備減反射膜、刻蝕、絲網印刷、高溫燒結、檢測分選等工藝步驟。這些步驟在生產線上由清洗機、擴散爐、PECVD、刻蝕機、絲網印刷機、燒結爐、測試分選設備等多種設備完成。

1.2.1 低成本化

太陽能電池制造裝備的發展目的是為了提高電池的最終產品質量、光電轉換效率、整線生產效率，降低生產成本。以德國、意大利為代表的歐洲裝備制造商同日本、美國裝備制造商代表了當今世界相關裝備的最高技術水平。其技術特征為高產能、自動化、工藝物化于裝備的程度及適合越來越大（從最初的103 mm×103 mm、125 mm×125 mm方硅片發展到目前主流的156 mm×156 mm方硅片，及未來兩年的210 mm×210 mm方硅片）、越來越?。?00→270→240→210→180→160 μm）的硅片工藝。

圖1 晶體硅光伏電池生產線

1.2.2 新裝備與新工藝成套化

“一代工藝、一代裝備?！敝挥性谝涣鞯墓に囍笇?，才能研制開發出一流的裝備。隨著光伏產業的不斷發展，為了適應大生產化的要求，要求裝備與工藝有機地結合，根據光伏電池整線生產工藝的要求有針對性地進行整套生產裝備的開發。而且裝備的成套研發，使工藝物化到裝備中，能極大地縮短生產線的建設周期，減少整線裝備中各裝備工藝的摸索，并能夠提高生產效率和提高資金的投資回報。隨著微電子平面制造工藝技術應用領域和裝備功能的不斷拓展，新技術伴隨著新裝備的涌現，同時微電子技術也不斷轉移擴散進入晶體硅太陽能電池領域。如：太陽能電池生產線將不同程度地大面積應用新型半導體設備技術如激光技術、離子注入摻雜技術、濕法刻蝕技術、PECVD應用等，發展整線裝備與新工藝結合的“整線交鑰匙”系統集成成套解決方案，是今后光伏裝備生產商的主要應用方向。

1.2.3 智能化

光伏裝備可歸入半導體裝備領域，其技術涉及物理、化學、光學、電子、材料及自動控制等數十個專業領域，具有較高的技術含量。光伏裝備不僅是生產工藝技術的載體，關系到光伏產品質量的優劣，光伏裝備經歷了手動、半自動、全自動發展過程。智能化裝備技術是確保裝備與工藝完美結合的關鍵技術，新型高效光伏電池生產線將應用半導體MES制造經驗，運用計算機技術，精密傳感技術，將通過可感應、可量度和互聯互通的解決方案將對任何潛在的危險或故障狀況提出警報，使生產線可根據危及生產人員及產品質量安全的程度和緊迫性立即采取整改措施。實現設備自動化和成套化，流程制造電子化，包括產品全生產流程周期的監控、生產計劃生產裝備的調度、整線裝備維護等在內的自動優化，并能夠提高各種生產資源使用效率、實現自診斷，自恢復，無人工干預，減少故障處理時間和工作量、提高產品質量、減少成本和開支。用自動化、智能化的手段把光伏裝備、整線工藝和大生產運營管理綜合起來考慮，為客戶提供成套解決方案。智能化的新一代全自動智慧生產線已經成為重要發展方向。

2 適應現代太陽能光伏電池制造裝備與技術特點

光伏電池數字化車間以智能制造集成系統為代表的信息化綜合集成創新是新一代光伏制造技術及高端電子裝備技術的理想方案，具有重要研制意義。其智能制造集成系統的研制將開創整線裝備集成化和智能化在光伏領域應用的先河，大大提高國產光伏電池生產線整線裝備的自動化和智能化水平，實現光伏電池生產的集約化和精細化管理，最大限度的降低生產成本和提高電池光電轉換效率，極大提升光伏電池企業的市場競爭力，最終提高我國光伏產業在國際光伏領域的地位，實現我國由光伏大國向光伏強國的轉變。

2.1 適應光伏電池自動化生產的PVECI通訊

國際半導體制造領域，晶圓追蹤管理系統均采用 CIM (Computer-Integrated-Manufacturing)系統，以實現工廠自動化 (Factory Automation-FA)，來最大限度地提升制造能力。目前，國產的太陽能設備基本上屬于各自為政的狀態：設備與設備之間，設備與管理機之間無法溝通交流，有部分設備之間可以互聯通信但是沒有統一的通信標準，這是國內設備目前普遍存在的問題，這樣的局面如果不盡快改變將嚴重限制國產太陽能設備的國際競爭能力以及未來全自動成套設備的兼容性和整線自動化水平，并將最終影響太陽能電池片生產商的采購決策。與此形成鮮明對比的是國際一流生產廠商設計的太陽能生產設備已經形成統一的準入接口標準PVECI(PV Equipment Communication Interfaces）。協議規定光伏生產線設備必須在生產運轉期間與工廠主機保持密切的聯系，以接受來自主機電腦的控制或查詢，并且能夠及時回應主機的指令，回報執行結果，除此之外，也要主動回報目前設備的異常狀況。

新一代的自主裝備必須具備統一的接口通訊部件和功能，應用PVECI協議，并對已定型或已交付的太陽能生產設備實行自動化通信接口改造，以支持PVECI接口，并保證新增的自動化成套設備支持PVECI接口。目前，太陽能設備控制器一般可以分為兩種類型：一是使用PC機作為監控、一是使用PLC作為監控。這兩種類型的設備對PVECI協議的支持略有不同。使用PC機作為監控的設備需要修改原有的控制軟件，并增加對PVECI協議的支持。使用PLC作為監控的設備需要增加智能顯示終端（例如：觸摸屏、平板計算機等），在智能顯示終端上提供對PVECI的支持。

（1）基于PC控制器的通訊標準化改造。對于采用PC作為控制器的自動化設備，其通訊標準化改造主要通過對其控制軟件中的通訊部分進行開發擴展。主要實現手段如圖2所示，通過中間件的開發，實現對該設備進行控制的原有通訊協議數據與主控制系統硬件平臺PVECI通信協議數據間的翻譯。

圖2 基于PC控制器的通訊標準化改造實現

（2）基于PLC控制器的通訊標準化改造。對于采用PLC作為控制器的自動化設備，其通訊標準的改造可根據其設備復雜程度，由更改PLC控制系統或增加智能控制終端的形式如圖3所示兩種方式實現。對于控制相對簡單的自動化設備，可通過對PLC系統進行重新編程，更改其所接受的I/O信號的含義。對于控制相對復雜的自動化設備，可通過增加智能控制終端，將其轉變為基于PC控制器的系統，并重新建立新的通訊標準。

2.2 光伏電池制造執行裝備研究開發

在光伏專用數字化制造執行系統中需要生產調度模塊來根據物料輸送管理、生產管理中的實時信息，在用戶自定義規則的基礎上，協助計劃人員安排作業、投產、備料，提示計劃人員可行的方案，縮小計劃人員的選擇范圍，提高計劃的效率并減輕計劃人員的負擔。提供現場管理模塊將生產安排結果迅速地傳遞到作業現場，幫助現場管理人員及時地對工作安排做出調整。

圖3 基于PLC控制器的通訊標準化改造實現

在光伏專用數字化制造執行系統中，通過產品定義使得產品工程師可以方便地定義新產品，建立客戶產品與企業產品之間的關聯，減少合并投料的工作量。通過集中規范的工藝流程定義環境，來保證所有工藝、技術、工程、制造、質量控制在一個統一規范的環境中工作，以便于信息的及時共享，減少重復定義錯誤，實現完整的版本管理，保障工藝流程歷史信息回溯。

系統需要實現生產調度管理、設備維護管理、質量控制管理等三大功能模塊。其中生產調度管理模塊主要包括工單管理、批次管理、無紙化管理、條碼管理、自動標簽管理、制造周期管理等。設備維護管理模塊主要包括設備狀態管理、保養流程管理、保養計劃管理、設備異常管理、設備關鍵性能指標統計等。質量控制管理模塊主要包括統計過程分析、異常處理計劃流程、退料審查流程控制、品管報表等。

2.3 光伏電池數字化車間智能制造系統集成技術

光伏電池數字化車間智能制造集成系統主要是由制造執行系統 (Manufacturing Execution System，MES)、物料控制系統(Material Control System，MCS)和設備自動化系統(Equipment Automation Programming，EAP)組成。智能制造集成系統框架如圖4所示，包括選購或開發制造執行系統及其相關中間件，搭建數字化車間網絡環境，改造車間現有生產設備，最終通過集成調試和工程實施達到建設光伏電池數字化車間智能集成制造系統的預期目標。

圖4 數字化車間智能制造系統框架圖

3 前景展望

中國光伏產業近幾年的成長速度遠遠超過全球平均增幅。國家政策鼓勵發展，中國嚴峻的環保形勢，客觀上也急需尋找可替代能源，這些都為光伏產業的發展奠定了良好的基礎。但是在我國光伏產業高速增長的環境下，光伏企業各自為政、重復建設、同質化競爭現象十分嚴重，各環節之間缺乏統籌規劃，缺乏有效降低成本，提升轉化效率的手段和創新能力，新裝備和新技術的應用難以融匯、協同，未形成我國制造業的整體優勢。

通過光伏電池生產線數字化車間智能制造集成系統建設，有效提升整線裝備自動化、智能化技術水平，形成智能化光伏電池整線裝備集成交鑰匙工程的能力，有助于提升行業自主創新能力和后續發展能力，促進區域經濟發展，推動我國向光伏產業大國、強國發展。同時通過該技術的規?；慨a后能有效改觀目前光伏智能部件完全依賴進口的局面，實現智能光伏生產線完全國產化，促使我國太陽能電池企業因投資成本減少、投資效率提高而處于非常有利的國際競爭地位，大大加快太陽能在我國的應用推廣速度，逐步減少傳統能源供應比例，減少污染，緩解國民經濟高速增長給能源供應帶來的日益嚴重的巨大壓力。

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