分布式层压机控制系统的设计与实现

2011-07-10李树珍马淑英陈立东李国昉郑立新

制造业自动化 2011年15期

张亮，李树珍，石磊,2，马淑英，陈立东，李国昉，郑立新

（1.河北科技师范学院机电工程学院，秦皇岛 066600；2.秦皇岛新禹机械设备有限公司，秦皇岛 066600）

0 引言

太阳能光伏发电已经成为可再生能源领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的领域。与此同时，蓬勃发展的行业形势给太阳能电池生产企业带来了大量商机，但太阳电池厂封装机技术水平低[1]，太阳能电池组件生产设备已成为我国光伏产业发展的瓶颈，迫切需要研制出适应专业化、自动化、智能化发展趋势的太阳能组件相关的制造设备，以提高现有设备的技术装备水平和产能。

本文结合太阳电池的封装层压工艺过程，研制出一种与太阳能电池组件封装新工艺相适合的控制系统，通过专用工控机实现全自动化的工艺过程监控，以适应太阳能电池组件的封装作业。

1 太阳电池组件层压机结构

全自动太阳电池组件层压机结构如图1所示，实物如图2所示，该设备由进料系统、层压主机、出料及冷却系统三级结构组成。

图2 全自动太阳电池组件层压机实物

该设备工作过程为：太阳电池组件由入料系统送至层压主机，加热系统通过不锈钢导热板传导热量对组件进行预热，组件预热后采用真空热压法及先进的分阶段封装工艺进行层压操作，完成层压和固化操作，最后成品由出料系统送出。

2 控制系统设计

分布式全自动太阳电池组件封装层压机控制模式为上下位控制方式。系统整体结构如图3所示。本系统采用总线型结构构成分布式监控系统，由位于生产现场的下位机终端监控器和位于监控室的上位机数据处理系统构成，两者之间通过MPI协议总线连接。下位机终端监控器是以PLC为核心的系统，完成对层压机的温度、真空度等信息的实时数据采集，并对采集到的信息进行处理，启动相应的设备；PLC与变频器间通过PROFIBUS连接，并遵循PROFIBUS-DP协议。上位机数据处理系统主要完成参数设定、数据接收、存储、显示和查询等功能。

图3 控制系统整体结构

2.1 控制系统的硬件选型

为保证设备的硬件可靠性，上位机采用西门子RACK工控机。该工控机采用最新一代的处理器，计算能力强大，尤其适用于过程组态设计或工业图像处理的高速、大容量数据处理工作，具备极高的系统可用性和数据安全性，适合用作工业工作站或控制室和设计中心内的服务器。

下位机采用西门子S7-300 PLC及输入输出模块等，温度/压力传感器以及强电执行部分等组成。控制器温度测量传感器选用了Pt100铂电阻，通过Pt100电阻温度变送器把电阻值变成4～20mA的标准信号送入PLC的A/D转换模块，实现设备温度的控制和显示。设备的真空度检测单元选用基恩士AP-C30C系列数字压力传感器对真空压力检测，能够显示以预先设定好的基准压为中心的±20% 范围内的压力，分辨率达到同级产品中最佳的0.01kPa。

2.2 软件设计

系统软件结构如图4所示，分为下位机和上位机软件两大部分，采用模块化思想对下位机软件设计，分为若干功能块，即传感器采样模块、控制设备输出模块、人机交互模块和通信模块。

2.2.1 系统主流程

图4 系统软件结构

全自动太阳电池组件封装层压机集真空控制技术、气压传动技术及专家PID温度控制技术，根据系统的工艺流程，系统主流程图如图5所示。

2.2.2 上位机监控软件

上位机监控软件在WINDOWS平台下选用WinCC 6.0开发，实现对控制系统的实时监控。通过此软件编程，实现控制模式选择、设备各个参数值显示、报警显示、历史数据存储及对下位机参数设定的功能。

2.2.3 上下位机通信

WinCC组态软件与S7-300系列PLC的通信SIMATIC WinCC是采用了最新的32位技术的过程监控软件，具有良好的开放性和灵活性。WinCC与S7-300系列PLC的通信，可以采用MPI和PROFIBUS两种通信协议之一进行。本系统的WinCC与PLC是通过MPI协议实现通信的。该方法优点是连接简单，硬件投资少、可以读写S7-300系PLC中所有存储区域[2]。

图5 主流程图

2.2.4 PLC和变频器通信

在CPU进行硬件配置时，对挂在总线PROFIBUS的站点都分配了物理地址，PLC与变频器进行通讯也有相应的物理地址，CPU内部有专用通讯功能块，使用内部的寄存器DB块存放数据，当PLC对变频器进行数据的写入和读出时，依据PLC和变频器定义的相关功能的地址进行数据的写入和读出，实现对变频器的控制。

2.3 程序运行结果

图6为开启界面显示，通过右边的各个按钮可以进入想要的画面。通过图7界面设置层压各过程的参数值，同时显示参数的剩余值。在图7中密码输入框输入密码后，按“密码确认”钮，此时设置参数才会有效。操作员根据层压工艺将各个参数设置好，然后按下图7左上角的“参数设置确认”钮，参数生效。操作员根据需要可选择自动模式或手动模式。在自动模式下，层压机自动运行，无需人工操作，窗口监视层压过程的各个步骤，各个指示灯会指示运行过程。在手动模式下，操作者根据层压工艺步骤和要求，通过各个按钮来实施操作。