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(shù)有限公司,蚌埠 233010)

太陽(yáng)能作為人類社會(huì)目前可利用的最理想的清潔能源,取之不盡,用之不竭。太陽(yáng)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(yáng)能芯片”或“光電池”。目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)約23%,占據(jù)行業(yè)主導(dǎo)位置。然而,薄膜太陽(yáng)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(duì)簡(jiǎn)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(shí),目前市場(chǎng)上已經(jīng)形成量產(chǎn)規(guī)模的薄膜太陽(yáng)能電池,如碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS),其理論轉(zhuǎn)化率可達(dá)約30%,且具備良好的弱光效應(yīng)、高溫性能、透光性、柔性化、可調(diào)顏色、可回收等優(yōu)點(diǎn),使其在光伏建筑一體化(BIPV)[3]的應(yīng)用前景十分廣闊,因而市場(chǎng)潛力巨大。

基于上述大背景,隨著越來越多的資本進(jìn)入到這個(gè)市場(chǎng),一座座現(xiàn)代化、智能化的薄膜太陽(yáng)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(yáng)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(shí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 需求分析

薄膜太陽(yáng)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(shè)備、信息化和智能化這幾個(gè)維度,就生產(chǎn)線的需求進(jìn)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(shè)備,而背板從合片設(shè)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(diǎn)完成模組下片。其中在沿途指定的工藝設(shè)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(yùn)行,而傳輸系統(tǒng)則穿插在各工藝設(shè)備之間,起到基板輸送、流轉(zhuǎn)、緩存的作用。另一種是復(fù)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(jié)合,基板起點(diǎn)進(jìn)入中樞,再?gòu)闹袠羞M(jìn)入環(huán)線,經(jīng)過工藝處理,再返回中樞系統(tǒng),進(jìn)入下一個(gè)工藝,直到基板的所有前工序處理完畢,徹底離開中樞進(jìn)入封裝工藝,再與背板完成合片,進(jìn)而進(jìn)入流水線直到終點(diǎn)。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(chǔ)的需求,而下游的流水線布局則也采用分布式的倉(cāng)儲(chǔ)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(shè)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(gè)到多個(gè)不等。數(shù)量大于1個(gè)的同種工藝設(shè)備布置,通常都采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。與流水線布局相似之處,傳輸系統(tǒng)同樣布置于各工藝設(shè)備之間,負(fù)責(zé)基板輸送和流轉(zhuǎn),而不同之處在于倉(cāng)儲(chǔ)緩存的設(shè)置,此類生產(chǎn)線布局了中大型立式倉(cāng)儲(chǔ),用于集中存儲(chǔ),并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)流轉(zhuǎn),然后流經(jīng)下游工藝設(shè)備。

目前市場(chǎng)上CdTe產(chǎn)品,最大尺寸是美國(guó)First solar公司的serie6系列,達(dá)到2 m×1.23 m,中國(guó)建材集團(tuán)下屬公司的產(chǎn)品也達(dá)到了1.6 m×1.2 m,而同樣來自中國(guó)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(shè)定?；搴捅嘲宀牧贤ǔ２捎?～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(jí)較高,因而對(duì)防塵也有較高的要求。

1.2 設(shè)備需求

根據(jù)薄膜太陽(yáng)能生產(chǎn)線的整體布局和工藝設(shè)備需求,智能化傳輸系統(tǒng)需要具備的設(shè)備功能有以下幾個(gè)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(diǎn)輸送到終點(diǎn);二是轉(zhuǎn)向,無論是流水線布局,還是復(fù)合型布局,生產(chǎn)線總會(huì)有多個(gè)轉(zhuǎn)角,或有離線設(shè)備、人工取樣設(shè)備,皆需轉(zhuǎn)向功能;旋轉(zhuǎn),生產(chǎn)線的大部分工藝設(shè)備皆要求長(zhǎng)邊進(jìn)入,而少許設(shè)備則要求短邊進(jìn)入,旋轉(zhuǎn)功能可滿足這部分設(shè)備的需求,同時(shí)在轉(zhuǎn)角位置,也需要旋轉(zhuǎn),以保證長(zhǎng)邊在前的狀態(tài);三是翻轉(zhuǎn),由于部分核心鍍膜設(shè)備采用CSS(近空間升華法)[4]工藝,在基板進(jìn)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(shè)備交付基板時(shí)或需要讀取基板二維碼時(shí),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(zhǎng),工藝設(shè)備較多,則因設(shè)備故障或換料等導(dǎo)致的暫停風(fēng)險(xiǎn)大增。以流水線布局為例,假設(shè)每種工藝設(shè)備的生產(chǎn)效率達(dá)到98%,而經(jīng)過20多道工序后,整條生產(chǎn)線的運(yùn)行效率接近60%,因而為解決這個(gè)問題,必須有倉(cāng)儲(chǔ)緩存的功能。一旦某區(qū)段工藝設(shè)備宕機(jī),則其上、下游仍可以繼續(xù)生產(chǎn),可最大程度降低對(duì)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(guó)制造2025”的不斷深入,信息化和智能化的技術(shù)和設(shè)備不斷發(fā)展,步入21世紀(jì)的第2個(gè)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(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)作為光伏行業(yè)的新興領(lǐng)域和發(fā)展方向,其工廠建設(shè)自然成為智能化發(fā)展的受益者。企業(yè)資源計(jì)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(shí)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(xué),而MES對(duì)全廠設(shè)備的智能化管控,也使生產(chǎn)更加高效、穩(wěn)定[6]。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),這對(duì)傳輸系統(tǒng)的信息化和智能化提出了更高的要求,在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上,需要增加對(duì)生產(chǎn)物料的全線跟蹤系統(tǒng),需要制定與上、下游工藝設(shè)備的橫向接口規(guī)范,以滿足生產(chǎn)物料ID信息及相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳遞,更需要開發(fā)符合半導(dǎo)體行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SECS/GEM接口軟件,以實(shí)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(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念勢(shì)在必行,因而無論是流水線布置還是復(fù)合型布置,我們皆可將每?jī)膳_(tái)工藝設(shè)備之間的單元看成是由若干個(gè)傳輸單元組成,如圖3所示。每個(gè)單元的長(zhǎng)度則由基板尺寸決定。以2 m×1.23 m的產(chǎn)品為例,其標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)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?jī)膳_(tái)工藝設(shè)備之間的單元數(shù)量,需符合3個(gè)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(hù)空間;二是滿足兩臺(tái)設(shè)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(shè)定,通常不同工藝設(shè)備之前需要設(shè)定若干待片工位,以滿足連續(xù)型工藝設(shè)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(zhēng)取緩沖時(shí)間,用于突發(fā)情況的設(shè)備響應(yīng),避免對(duì)設(shè)備造成損壞。而待片工位的數(shù)量,則取決于下游工藝設(shè)備特性,以及其平均維護(hù)或換料時(shí)間等因素。

由于整個(gè)生產(chǎn)過程工藝路線較長(zhǎng),為了解決各工藝設(shè)備換料或停機(jī)時(shí)間對(duì)生產(chǎn)的影響,最大程度地提升生產(chǎn)效率,緩存?zhèn)}儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)線傳輸工藝的優(yōu)化起到關(guān)鍵作用。而緩存的設(shè)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(jié)構(gòu),即“化整為零”,把不同規(guī)模的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)放置在生產(chǎn)線的各個(gè)區(qū)域,為各工藝設(shè)備服務(wù),而存儲(chǔ)箱可進(jìn)行流轉(zhuǎn),提升利用率;而復(fù)合型布局則恰恰相反,“化零為整”,采用設(shè)置不同規(guī)模的中樞倉(cāng)儲(chǔ)區(qū),滿足多種工藝同時(shí)生產(chǎn)的需求,基板在倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)內(nèi)流轉(zhuǎn),然后流向下游的工藝設(shè)備。

2.2 設(shè)備方案

工藝決定設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化的理念來構(gòu)建,按照具體功能可基本劃分為輸送設(shè)備、轉(zhuǎn)向設(shè)備、旋轉(zhuǎn)設(shè)備、翻轉(zhuǎn)設(shè)備、人工取樣設(shè)備等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。在設(shè)備結(jié)構(gòu)上,如圖4所示,有密封要求的區(qū)域可選用箱體式鈑金結(jié)構(gòu),加上蓋密封。而無密封要求的區(qū)域則選用鋁材構(gòu)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(shè)備入口的傳輸單元,需配置正位機(jī)構(gòu),可采用氣缸驅(qū)動(dòng),確?；褰桓稌r(shí)的位置精度。運(yùn)動(dòng)控制,可采用普通變頻電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)向正位系統(tǒng),以消除重復(fù)精度誤差,防止基板位置偏移較多。檢測(cè)和控制信號(hào)較多的區(qū)域,可就近設(shè)置快插式遠(yuǎn)程IO模塊,如圖6所示,由幾臺(tái)設(shè)備共用,光電及其它傳感器信號(hào)接入遠(yuǎn)程IO模塊,其與主PLC之間通過PROFINET通訊,這樣既減少了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接入主控制柜的接線量,同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力,也大大提升設(shè)備的模塊化水平,非常便于拆裝或維護(hù)檢修。從成本角度考慮,IO遠(yuǎn)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(jì)性。而軟件部分的編寫,則可以把各基本功能單元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝,形成獨(dú)立的子模塊,而不同的設(shè)備可以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)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(hù)便利性。

倉(cāng)儲(chǔ)單元,則根據(jù)不同的需求和場(chǎng)景,可有不同的選擇方案,通常有以下幾大類別:在線倉(cāng)儲(chǔ)、小型離線倉(cāng)儲(chǔ)、中大型立庫(kù)式倉(cāng)儲(chǔ)。在線倉(cāng)儲(chǔ),如圖7所示,通常布置于生產(chǎn)線某兩個(gè)工藝段之間輸送設(shè)備上方,以滿足少量的臨時(shí)緩存需求,例如10～30片基板。此類設(shè)備可采用鋁材構(gòu)建框架,同步帶或鏈條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制,則建議采用伺服系統(tǒng),以確保位置精度和重復(fù)精度。因設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可獨(dú)立開發(fā)。小型離線倉(cāng)儲(chǔ),如圖8所示,通常放置于某兩個(gè)工藝設(shè)備之間的兩側(cè)離線區(qū)域,存儲(chǔ)規(guī)模100片基板左右,可滿足因上或下游設(shè)備停機(jī)后,未停機(jī)部分可正常生產(chǎn)若干小時(shí),當(dāng)然倉(cāng)儲(chǔ)箱建議設(shè)計(jì)為可更換,如此存儲(chǔ)規(guī)模理論上可無限增大。此類設(shè)備可采用鋼材和鋁材相結(jié)合的方式構(gòu)建,同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)橫、縱向運(yùn)動(dòng),夾爪氣缸或吸盤組件配直線單元,可滿足基板的存取。運(yùn)動(dòng)控制同樣建議采用伺服系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)高精度。因設(shè)備結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,也可獨(dú)立開發(fā)。中大型立庫(kù)式倉(cāng)儲(chǔ),如圖9所示,通常是生產(chǎn)線的核心中樞系統(tǒng),它負(fù)責(zé)銜接多道前后工序的基板流轉(zhuǎn),也承擔(dān)著大規(guī)模緩存的作用。由于立體倉(cāng)儲(chǔ)規(guī)?？蛇_(dá)到30 000片左右,且工作行程較長(zhǎng),最長(zhǎng)可達(dá)100多米,高度則可達(dá)4 m等。同時(shí),立式倉(cāng)庫(kù)的軟件控制僅僅通過PLC邏輯控制是無法運(yùn)行的,必須通過倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)(Warehouse Management System,WMS)[7]和倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)(Warehouse Control System,WCS)[8]相結(jié)合,WMS負(fù)責(zé)入庫(kù)、出庫(kù)、庫(kù)存盤點(diǎn)、虛倉(cāng)管理、日志管理等,并下達(dá)指令[9]。而WCS則負(fù)責(zé)調(diào)度和協(xié)調(diào)底層物流設(shè)備,如穿梭車,堆垛機(jī)等,執(zhí)行倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程。WMS和WCS在上架任務(wù)、揀貨任務(wù)、補(bǔ)貨任務(wù)和設(shè)備作業(yè)狀態(tài)要實(shí)時(shí)交互,以指導(dǎo)設(shè)備設(shè)施的作業(yè)操作[10]。由于立式倉(cāng)儲(chǔ)的復(fù)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(yáng)能電池生產(chǎn)線正是以工業(yè)化和信息化為基礎(chǔ)建造的智能化工廠,其通訊邏輯如圖10的金字塔結(jié)構(gòu)。頂層ERP系統(tǒng)接收到客戶訂單后,下達(dá)生產(chǎn)任務(wù),MES系統(tǒng)根據(jù)訂單進(jìn)行柔性化生產(chǎn),把任務(wù)派發(fā)給設(shè)備層執(zhí)行制造,并實(shí)時(shí)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(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行指導(dǎo)、修正,從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量[12]。

為匹配上述需求,對(duì)于智能化傳輸系統(tǒng)而言,需要解決兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的“handshake”握手信號(hào)規(guī)則,開發(fā)傳輸系統(tǒng)與工藝設(shè)備的通訊接口程序[13],且傳輸和工藝設(shè)備雙方嚴(yán)格恪守規(guī)則,確?；逍畔⒖梢詮纳嫌雾樌?、暢通地傳遞到下游[14]。同時(shí),建立一套信息識(shí)別和跟蹤系統(tǒng),通過在所有工藝設(shè)備入口前放置讀碼器(DMC Reader),對(duì)基板二維碼進(jìn)行反復(fù)識(shí)別、確認(rèn)、跟蹤,而系統(tǒng)則保持對(duì)基板ID的跟蹤記錄,及其綁定的相關(guān)產(chǎn)品信息也一并保存記錄。然后,針對(duì)傳輸系統(tǒng)可開發(fā)獨(dú)立的SCADA上位系統(tǒng),通過網(wǎng)絡(luò)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),對(duì)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(yáng)能工廠標(biāo)準(zhǔn),開發(fā)符合半導(dǎo)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(shí)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(shí)現(xiàn)從辦公室到車間集成式的管理方式。以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用總線型拓?fù)洹榱藴p少?zèng)_突并提高網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率最大化,可使用集線器來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用星型[15]。傳輸系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),可分為兩個(gè)層級(jí):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(jìn)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(jìn)行通信。此外,若生產(chǎn)線配備了中大型立庫(kù)式倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng),MES系統(tǒng)需要與WMS系統(tǒng)進(jìn)行交互,倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)部的任務(wù)則由其自身WMS系統(tǒng)下發(fā)和管理。

3 結(jié) 語(yǔ)

智能化傳輸系統(tǒng)對(duì)于薄膜太陽(yáng)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(shè)備停機(jī)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(shí),對(duì)基板的ID以及其綁定的各種關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)等重要信息,實(shí)時(shí)跟蹤、反饋,并與MES系統(tǒng)互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接,確保了信息溝通的時(shí)效性、準(zhǔn)確性,對(duì)后續(xù)MES指導(dǎo)生產(chǎn)、優(yōu)化配方、下達(dá)任務(wù)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(shè)備、信息化及智能化多角度進(jìn)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(shí)的參考價(jià)值和意義。