何 欣，張立達(dá)，田慶偉，陳 兵，張增雨，主子藤，趙 毓

(1.山西潞安太陽能科技有限責(zé)任公司，山西 長治 046000 2. 頓漢布什(中國)工業(yè)有限公司，山東 煙臺 264010；3.江蘇中電創(chuàng)新環(huán)境科技有限公司，江蘇 蘇州 215001)

引 言

潞安太陽能科技有限責(zé)任公司致力于太陽能發(fā)電的研究，是一家集電池、組件、光伏發(fā)電為一體的太陽能科技產(chǎn)業(yè)公司，涉及的生產(chǎn)工藝包括電池片制造工藝、組件裝配工藝及光伏發(fā)電站建設(shè)等。其主要生產(chǎn)過程包括硅片表面制絨、磷擴散及表面選擇性腐蝕、SiN化學(xué)沉積、硅片表面印刷及燒結(jié)、串焊、層疊、層壓、接線、測試等。在生產(chǎn)的過程中，廠房溫度、潔凈度必須達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，如潔凈度必須達(dá)到十萬級以上，才能滿足生產(chǎn)條件，潔凈度和溫度對提高電池片轉(zhuǎn)換率有著至關(guān)重要的作用，這就要求暖通系統(tǒng)(MAU、RAU、冷卻水系統(tǒng)、熱水系統(tǒng))必須有精確的控制，才能達(dá)到生產(chǎn)工藝的需求。公司新建2GW廠房為最新太陽能電池片PERC工藝生產(chǎn)車間，對暖通系統(tǒng)要求更為嚴(yán)格，精確的、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)不但能保證車間生產(chǎn)工藝的需求，減少運行成本同時便于人員操作[1]。

1 項目規(guī)劃

太陽能電池片生產(chǎn)廠房FMCS(facility monitoring control system廠務(wù)監(jiān)控系統(tǒng))規(guī)劃實施。將空調(diào)系統(tǒng)、水系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)全部加入智能化監(jiān)視控制。其中，MAU、RAU、熱水泵、冷卻水泵、熱排風(fēng)、酸堿排風(fēng)、硅烷排風(fēng)、有機排風(fēng)等設(shè)備做到遠(yuǎn)程自動啟停、調(diào)節(jié)閥門開度、壓力等，從而實現(xiàn)溫度、濕度、壓力自動調(diào)節(jié)；冷凍機、空壓機、干燥機等大型設(shè)備讀取系統(tǒng)運行參數(shù)，顯示故障報警等，運行人員根據(jù)整體系統(tǒng)運行需求設(shè)定參數(shù)。項目的實施實現(xiàn)了生產(chǎn)廠房溫度、濕度的精確控制，同時，優(yōu)化的自動化控制系統(tǒng)很大降低了電能的消耗，便于運行人員操作，也降低了勞動強度。

2 項目設(shè)計

經(jīng)過調(diào)研對比，最終選取施耐德MT580雙冗余熱備鏈路環(huán)網(wǎng)控制系統(tǒng)，即，在主PLC運行故障后，備用PLC自動投切運行，采用多模光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)綜合控制，具體設(shè)計如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)圖

圖1中A1、A2、C1、C1、P為分站點，B為雙冗余CPU1、CPU2集中控制點，綠色方塊為光電轉(zhuǎn)換器，線條為多模光纖，整個系統(tǒng)覆蓋了面積為26 000 m2的廠房，涵蓋了溫度、濕度、壓差的監(jiān)視控制，設(shè)備的啟停、運行狀態(tài)監(jiān)視、變頻器頻率監(jiān)視及調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了整個動力系統(tǒng)的自動化控制。

環(huán)網(wǎng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點為任何一路斷開后，都不會切斷鏈路，如，A1與P之間的光纖斷開后，A1可以從A2的方向連接通信CPU，P可以從C1的方向連接通訊到CPU，采用雙冗余CPU1、CPU2的優(yōu)點為當(dāng)正在運行的CPU1發(fā)生故障后，備用系統(tǒng)自動熱備投切，不會影響系統(tǒng)的運行。

3 項目實施

3.1 整理變量表

根據(jù)現(xiàn)場控制需求，編制數(shù)字量輸入(DI)、輸出點位(DO)，模擬量輸入(AI)、輸出(AI)點位的變量名稱，以供在現(xiàn)場接線及程序編寫時使用，變量的編寫以簡單易辨識，與實物名稱相對應(yīng)為原則。部分變量的編制如表1所示。

3.2 繪制圖紙及現(xiàn)場接線

按照設(shè)備布局確定控制柜位置，根據(jù)生產(chǎn)工藝需求確定現(xiàn)場溫濕度傳感器及壓差傳感器等安裝的位置，根據(jù)傳感器、電動閥門的類型確定接線方式為兩線制或三線制，繪制出現(xiàn)場接線圖，并根據(jù)圖紙現(xiàn)場接線如圖2所示。

表1 變量列表

圖2 施工圖紙及現(xiàn)場接線

3.3 編寫程序

程序的編寫以簡潔明了、邏輯清晰為原則，根據(jù)實際控制需求，MAU、RAU電動閥門以PID控制方式進行調(diào)節(jié)?？諌簷C冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)扇等實現(xiàn)互為備用等。

3.3.1 PID控制程序

要求送風(fēng)溫度、車間環(huán)境需求溫度為控制目標(biāo)溫度，根據(jù)溫度的變化調(diào)整電動閥門的開關(guān)來實現(xiàn)溫度的控制，PID值經(jīng)過嚴(yán)格的計算后進行設(shè)定，空壓機冷卻水泵、熱水泵實現(xiàn)兩用一備或一用兩備等互備模式，圖3為PID控制程序，其中，SP為目標(biāo)值，PV為現(xiàn)場實際值，通過SP值與PV值的大小比較來調(diào)節(jié)OUT-Y的值。

圖3 PID控制程序

3.3.2 互為備用控制方式

多臺電機運行要求實現(xiàn)設(shè)定某一臺為備用，另一臺運行電機故障后備用電機自投，如第72頁圖4所示，人機界面設(shè)定A#泵為備用電機，啟動臺數(shù)設(shè)定為1臺，現(xiàn)場選擇自動狀態(tài)后，B#電機自動啟動，當(dāng)B#電機故障或正常運行中停機時，A#電機自動啟動后投入運行，以塊調(diào)用的方式更快捷地實現(xiàn)此類控制模式，此設(shè)計無缺陷，完全滿足現(xiàn)場需求。圖5為人機界面，可以選擇備用設(shè)備編號及啟動臺數(shù)。

圖4 兩臺水泵互為備用控制程序

圖5 互為備用人機界面

3.4 Wincc人機交互界面編輯

3.4.1 控制設(shè)備界面

以MAU為例，一次加熱后溫度控制預(yù)熱閥的開度，給定一個設(shè)定溫度，假設(shè)為22 ℃，并設(shè)定調(diào)節(jié)死區(qū)為±0.5 ℃，當(dāng)實際溫度T>22.5 ℃，預(yù)熱閥門關(guān)閉，當(dāng)T<21.5 ℃時，預(yù)熱閥門打開，當(dāng)21.5 ℃

3.4.2 監(jiān)視設(shè)備界面

監(jiān)視設(shè)備主要為有設(shè)備廠家完成設(shè)備的控制系統(tǒng)和參數(shù)設(shè)定，此控制系統(tǒng)只借助OPC讀取設(shè)備自帶控制器各項控制參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，并在界面上顯示出來，報警信息加入到報警系統(tǒng)，故障等情況會第一時間產(chǎn)生報警條，圖7為冷凍機組的監(jiān)視界面，各項運行參數(shù)均能讀取顯示。

圖6 MAU設(shè)備人機界面

圖7 冷凍機監(jiān)視界面

3.5 報表

選取重要的參數(shù)加入到報表系統(tǒng)，需要對運行參數(shù)進行分析時，可以調(diào)取并以Excel形式導(dǎo)出，供技術(shù)人員進行數(shù)據(jù)分析和故障排查。如圖8為溫度報表列表，選取需要導(dǎo)出的參數(shù)，選擇導(dǎo)出的保存的位置便可以導(dǎo)出各項參數(shù)。

圖8 報表

3.6 通訊

本系統(tǒng)采用光電轉(zhuǎn)換模式的以太網(wǎng)通訊方式，通過環(huán)形鏈路，實現(xiàn)雙向通訊，提升了工業(yè)廠務(wù)運行的穩(wěn)定性和可靠性，并且采用OPC通訊助手，完全實現(xiàn)不同品牌控制器與Wincc軟件的通訊問題，本系統(tǒng)實現(xiàn)了AB、施耐德、西門子S7-1200、西門子smart等各品牌PLC模塊的通訊，完美實現(xiàn)了工業(yè)廠房的FMCS系統(tǒng)集成。

4 運行效果

4.1 溫度、濕度控制精度效果

通過一段時間的調(diào)試試運行到正式投運，對各項溫濕度及電量消耗數(shù)據(jù)進行采集對比，控制效果非常理想，節(jié)能效果明顯，完全實現(xiàn)了初步預(yù)定的控制目標(biāo)：溫度控制在22(±1) ℃范圍內(nèi)，濕度控制在50%(±10%)的范圍內(nèi)，電量消耗降低15%。具體數(shù)據(jù)對比如第73頁圖9所示。

4.1.1 濕度控制效果檢查

圖9為控制系統(tǒng)投入前、后濕度曲線，北方地區(qū)季節(jié)濕度嚴(yán)重偏低，但控制系統(tǒng)投運后，濕度不但控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，而且波動很小，完全滿足產(chǎn)線需求。

圖9 自控系統(tǒng)投入前、后濕度控制曲線對比

4.1.2 溫度控制效果檢查

圖10位控制系統(tǒng)投入前、后溫度控制曲線，季節(jié)晝夜溫差較大，但控制系統(tǒng)投運后，溫度控制很準(zhǔn)確，嚴(yán)格控制在±1 ℃范圍內(nèi)，波動很小，基本在直線，完全達(dá)到控制目標(biāo)。

圖10 自控系統(tǒng)投入前、后溫度控制曲線對比

4.2 經(jīng)濟效益分析

通過對2018年11月、12月與2019年5月、6月份自控系統(tǒng)投入前、后耗電量數(shù)據(jù)對比，電能節(jié)約效果非常顯著。

圖11為系統(tǒng)投入前、后耗電量數(shù)據(jù)柱狀圖，11月、12月份電能消耗平均值為533 423 kW·h，5月、6月電能消耗平均值為354 016.5 kW·h，即每月節(jié)約電能消耗94 406.5 kW·h，電能消耗降低了21%，節(jié)能效果非常明顯。

圖11 自控系統(tǒng)投入前、后電能消耗對比

5 問題解決

5.1 電壓電流信號轉(zhuǎn)換

現(xiàn)場電動閥門均為電壓型設(shè)備，溫度、濕度傳感器均為電流型設(shè)備，同一控制模塊內(nèi)無法做到電壓電流信號兼容，經(jīng)討論后決定加入電壓信號轉(zhuǎn)換器，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，實現(xiàn)了無論現(xiàn)場設(shè)備為何種信號模式，均可在同一模塊內(nèi)進行控制。

5.2 不同品牌PLC參數(shù)讀取

空壓機、干燥機等設(shè)備使用的AB、西門子smart等控制模塊，WINCC直接讀取時讀不到設(shè)備運行參數(shù)，借助西門子通訊牽手軟件OPC，實現(xiàn)對不同品牌PLC參數(shù)的讀取，解決了遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備通訊不兼容問題。

6 項目跟蹤及展望

鞏固措施是將改進的措施落實到文件，形成日常管理。

6.1 鞏固措施

a) 自控系統(tǒng)的運行監(jiān)視要有專人管理，對自控系統(tǒng)的運行狀態(tài)和運行穩(wěn)定性進行監(jiān)視。

b) 各類參數(shù)的調(diào)整設(shè)置必須在專業(yè)負(fù)責(zé)人或自控負(fù)責(zé)人同意后方可更改。

c) 自控管理人員及暖通專業(yè)人員進行培訓(xùn)，熟練系統(tǒng)操作。

6.2 下一步打算

a) 根據(jù)運行經(jīng)驗，調(diào)整MAU、RAU風(fēng)機變頻器參數(shù)設(shè)定值，使之達(dá)到運行頻率，達(dá)到進一步節(jié)能效果。

b) 非絲網(wǎng)印刷、檢測區(qū)域，即，清洗制絨、堿拋、PECVD等區(qū)域的溫度、濕度控制范圍適當(dāng)調(diào)整為22(±2 ℃)，跟蹤生產(chǎn)現(xiàn)場溫、濕度控制情況能否滿足生產(chǎn)需求。

c) 借鑒此自動化控制模式，將其應(yīng)用到公司其他系統(tǒng)中，實現(xiàn)節(jié)能降耗。