創(chuàng)新者:韓靈生 王虹斌

太陽能電池組件板固化室的自動(dòng)控制系統(tǒng)

創(chuàng)新者:韓靈生 王虹斌

在太陽能電池板層壓、組框后的固化環(huán)節(jié)是尤為重要的一環(huán)，固化室對(duì)溫濕度的恒定有著特殊的要求，而之前的人工搬運(yùn)固化生產(chǎn)效率十分低下。本文通過設(shè)計(jì)一個(gè)全新的自動(dòng)化固化控制系統(tǒng)，包括溫濕度控制系統(tǒng)和物料搬運(yùn)系統(tǒng)，通過PLC程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)滿足固化室的溫濕度控制和搬運(yùn)生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

隨著世界性環(huán)保產(chǎn)品的大力推廣以及各國節(jié)能減排政策的積極推行，太陽能以其環(huán)保、清潔和取之不竭的特性成為了人們渴求的理想能源。經(jīng)過多年的發(fā)展完善，將太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的光伏技術(shù)最為成熟普遍，從而帶動(dòng)了太陽能電池組件制造產(chǎn)業(yè)的突飛猛進(jìn)地發(fā)展。其中晶硅太陽能電池組件以其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換率和成熟的技術(shù)成為光伏發(fā)電的主力軍，占據(jù)了光伏產(chǎn)業(yè)的絕大部分市場。

太陽能電池板組件無論是邊框還是接線盒只要采用硅膠粘接均需要硅膠固化工序，而太陽能電池板固化，此前一直都存在自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)周期長、固化質(zhì)量不穩(wěn)定等不足之處，無法滿足太陽能電池行業(yè)市場競爭和技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，而電池板的固化質(zhì)量和效率直接影響電池板的質(zhì)量。一般都是采用人工碼垛放置于固化室內(nèi)，然后由人工清潔后再搬入檢測線，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，固化時(shí)間由人工管理，固化時(shí)間偏差大。而固化過程要求在恒定溫度和濕度下進(jìn)行，傳統(tǒng)的固化室溫度與濕度控制系統(tǒng)簡單，溫濕度的不穩(wěn)定直接影響了固化的質(zhì)量和效率。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)全自動(dòng)固化系統(tǒng)，能夠滿足廠家對(duì)太陽板固化的生產(chǎn)效率的要求。

自動(dòng)化固化室的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求，固化室主要包括溫度濕度控制統(tǒng)、機(jī)器人及其控制系統(tǒng)、固化室電氣控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、出入料口定位工作臺(tái)以及機(jī)器人滑臺(tái)、機(jī)械手和貨架的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

為了保證太陽能電池板的固化質(zhì)量，固化室內(nèi)首先要保持恒溫恒濕，即溫度為35℃，相對(duì)濕度為65，%的固化環(huán)境（溫濕度可根據(jù)不同產(chǎn)品固化工藝進(jìn)行設(shè)定），因此我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)溫濕度控制系統(tǒng)。

確認(rèn)固化室溫濕度達(dá)到設(shè)定值后，開始搬運(yùn)經(jīng)由傳送帶傳送至入料口工作臺(tái)的太陽能電池板，工作臺(tái)夾具夾緊定位后，利用機(jī)器人機(jī)械手上的吸盤將電池板吸合住，夾具松開，機(jī)器人抓起電池板，按一定順序放入貨架之中，待固化室中的電池板滿足固化時(shí)間（6h）之后，機(jī)器人再依次取出電池板翻轉(zhuǎn)180°放到出料口工作臺(tái)上，對(duì)其進(jìn)行定位夾緊，并由機(jī)器人機(jī)械手側(cè)面的刮刀在其表面進(jìn)行刮膠清理。當(dāng)溫濕度變化過大超出預(yù)設(shè)的指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)修正固化時(shí)間以保證固化質(zhì)量。固化室剛運(yùn)行時(shí)，貨架均為空置，剛放入的電池板未固化好，機(jī)器人只執(zhí)行放入動(dòng)作，待固化室內(nèi)有電池板固化完畢，固化室的生產(chǎn)節(jié)拍為機(jī)器人放入一塊取出一塊交替進(jìn)行，保證固化室處于較高的利用率之下。

固化室的電氣控制系統(tǒng)以工控機(jī)為上位機(jī)，以PLC為核心，主要由兩大部分組成:

（1）機(jī)器人控制系統(tǒng)

（2）溫濕度控制系統(tǒng)。

PLC也負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)固化系統(tǒng)。兩個(gè)控制子系統(tǒng)彼此之間是既相互獨(dú)立，又互相關(guān)聯(lián)的。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過PROFIBUS總線與PLC進(jìn)行通信。整個(gè)固化室的控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 固化室PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)太陽能電池板固化系統(tǒng)的具體要求，開發(fā)出一套性能優(yōu)異的PLC控制系統(tǒng)，滿足固化室工藝的要求，首先保證固化室處于恒溫恒濕的環(huán)境中，即溫濕度控制系統(tǒng)；其次在現(xiàn)有的機(jī)器人控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使固化室控制系統(tǒng)與機(jī)器人控制系統(tǒng)可以進(jìn)行對(duì)接，完成太陽能板的搬運(yùn)流程，組成一個(gè)更大控制系統(tǒng)，來保證整個(gè)固化系統(tǒng)安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

圖2 溫濕度控制系統(tǒng)圖

溫濕度控制系統(tǒng)

固化室溫濕度系統(tǒng)控制部分主要由溫濕度檢測裝置、控制模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象構(gòu)成。總體控制原理圖如圖2所示。

溫濕系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由加熱器、加濕器、制冷器和除濕器組成。由于溫度通道與濕度通道間會(huì)相互干擾、影響系統(tǒng)運(yùn)行，所以利用自適應(yīng)預(yù)測解耦算法，將耦合系統(tǒng)分解成兩個(gè)獨(dú)立的單輸入單輸出系統(tǒng)，求出相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的控制。

溫度通道中的自適應(yīng)預(yù)測控制模塊有兩種，一種為負(fù)責(zé)加熱的控制模塊，另一種為負(fù)責(zé)制冷的控制模塊，加濕控制模塊與除濕控制模塊共同組成加濕通道，以及溫濕度通道的自適應(yīng)解耦模塊共同構(gòu)成了控制器的主要運(yùn)行部分，由PLC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)

組件固化搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)由搬運(yùn)機(jī)器人和行走機(jī)構(gòu)組成，搬運(yùn)機(jī)器人將組框完畢的太陽能組件搬起，按順序在固化室碼放成垛并同時(shí)計(jì)時(shí)，當(dāng)固化時(shí)間到達(dá)后，搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)將太陽能組件自動(dòng)搬出，并放在人工清理線上。

由于機(jī)器人在固化室中要進(jìn)行抓取、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作，因此選取的機(jī)器人必須要有6個(gè)自由度，本固化室采用的是日本安川公司生產(chǎn)的MOTOMAN ES0165D型機(jī)器人，此型號(hào)機(jī)器人最大承載165Kg. 包括機(jī)器人本體，機(jī)器人控制柜，示教編程器三部分。

若是把機(jī)器人固定在一個(gè)位置上，其工作區(qū)域很有限，不能滿足固化室的生產(chǎn)節(jié)拍要求，因此，為機(jī)器人配備了外部伺服電機(jī)，使機(jī)器人能在固化室中的滑臺(tái)上直線運(yùn)行，大大地?cái)U(kuò)大了其工作范圍，滿足了固化室的生產(chǎn)節(jié)拍，同時(shí)提高了固化室的利用率。

工作過程如下

入料

控制器發(fā)出放置指令，機(jī)器人將入口太陽能電池板搬起，判斷板屜號(hào)及層數(shù)，行走到到指定的儲(chǔ)存架后，再將電池板放置好，輸出放置完成信號(hào)和位置板屜內(nèi)太陽能板信息。行走距離達(dá)到15米，工作范圍大。

出料

當(dāng)太陽能電池板固化達(dá)到要求后，控制器發(fā)出取出指令，機(jī)器人同樣判斷板屜號(hào)和層數(shù)，從指定的儲(chǔ)存架取出太陽能板，行走到出口位置，將太陽能板放置到出口輸送帶上，根據(jù)不同型號(hào)的電池板執(zhí)行刮膠處理。

ES165D機(jī)器人選擇搬運(yùn)用途時(shí)，其重要參數(shù)已經(jīng)按此用途初始化。也使得工作的重點(diǎn)變?yōu)楦鶕?jù)現(xiàn)場要求對(duì)機(jī)器人示教編程，再根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

總體控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

PLC控制系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其主要內(nèi)容包括溫濕度控制系統(tǒng)、出入料口工作臺(tái)自動(dòng)定位夾緊控制系統(tǒng)以及機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)。它在固化室控制系統(tǒng)中為主要控制和協(xié)調(diào)裝置，主要是接收各個(gè)設(shè)備發(fā)送過來的信號(hào)，并且把控制信號(hào)發(fā)送給各個(gè)設(shè)備和機(jī)器人控制柜，實(shí)現(xiàn)固化系統(tǒng)的正常協(xié)調(diào)工作。綜合考慮各方面的因素，選用功能比較完善的西門子S7-300 PLC來完成該部分控制運(yùn)算和邏輯控制。

PLC通過溫度及濕度傳感器采集2路信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算處理后輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而形成閉環(huán)的溫濕度控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)是與機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)相互獨(dú)立的。PLC控制系統(tǒng)還與機(jī)器人控制系統(tǒng)的通信來保證機(jī)器人本體正常有序的運(yùn)行。在固化室出、入料口工作臺(tái)自動(dòng)定位裝置中安裝了編碼器，并設(shè)計(jì)有編碼器和PLC之間的通信。并且還設(shè)計(jì)了工作臺(tái)中的電磁氣動(dòng)閥和PLC之間的通信。它通過控制電磁氣動(dòng)閥來控制工作臺(tái)的動(dòng)作，并通過PROFIBUS總線與機(jī)器人控制器進(jìn)行通信。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)全自動(dòng)太陽能電池組件板固化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了固化室的溫濕度自動(dòng)恒定控制和組件的機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)，解決了以往行業(yè)中自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)周期長等制約著生產(chǎn)效率的問題。在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了符合工作要求，提高了生產(chǎn)效率，保證了電池板固化環(huán)節(jié)的性能穩(wěn)定，可以在太陽能電池固化系統(tǒng)中推廣使用。

韓靈生 王虹斌

北京科技大學(xué)北京北科麥思科自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司

韓靈生（1971-）男，碩士，工程師，主要從事自動(dòng)化工程應(yīng)用研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001