刘仁杰，周大良

(中国电子科技集团第四十八研究所国家光伏装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410111)

智能制造集成系统是一种集自动化、柔性化、集成化和智能化于一体的先进制造模式，MES、MCS、EAP等工业软件则是智能制造集成系统的“大脑”和“灵魂”。工业软件使得传统的机械化、电气化、自动化的工业装备具有了数字化、网络化、智能化特征，是提高光伏电池生产线电池效率稳定性，减少人为因素干扰，增强企业自身竞争能力的重要途径。可以有效促进光伏电池工业技术发展和构建新型光伏装备的重要因素。

光伏电池数字化车间智能制造集成系统包括制造执行系统、物料控制系统、设备自动化系统等子系统，涉及到控制信息、加工信息、状态信息等大量异构信息的传输及交互。工业网络是工业领域内一种综合性集成网络，承载着生产及控制信息的传输任务。工业网络体现为安装在厂房、车间、生产线等工业生产环境中全数字化的双向通信系统。数字化车间网络环境建设包括工业以太网构建和通讯接口标准设计。本文主要介绍了包括构建工业以太网和PVECI通讯接口标准等信息网络环境，基于工业以太网的主控制系统硬件平台等数字化车间智能制造集成系统硬件环境的开发、部署、调试。通过制造执行系统、物料控制系统、设备自动化系统等工业软件，形成光伏电池数字化车间智能制造集成系统示范平台，实现企业应用推广。

1 太阳能光伏产业概况

1.1 太阳能光伏产业发展现状

太阳能光伏产业是我国政府重点支持和引导的战略新兴产业。自2002年以来，我国太阳能电池产量均以100%以上的年增长率快速发展，连续4年产量世界第一。“十一五”期间，我国太阳能光伏产业发展迅速，已成为我国为数不多、可以同步参与国际竞争、并有望达到国际领先水平的行业，我国太阳能电池继续保持产量和性价比优势，国际竞争力愈益增强。预计2012年，我国太阳能电池产能将超过40 GW，产量将超过24 GW，同比增长50%以上，仍将占据全球半壁江山。制造设备的本土化率已经超过50%，太阳能电池的质量和技术水平也逐步走向世界前列。

虽然光伏产业作为朝阳产业，未来市场将会呈现指数增长。但短期内，产业承受着较大的供给压力。与快速增长的太阳能电池供给量相比，光伏需求量增长则显得相形见绌。国内银根紧缩，同时欧洲市场宣布下调补助金额政策，一大批不具备竞争力或贸然进入光伏领域的光伏企业将在激烈的竞争中被整合或淘汰。综上所述，2012年，我国光伏产业将步入大调整期。虽然产业规模仍将保持稳步增长，产业对外依赖度逐步下降，但由于市场供需失衡严重，外加美国“双反”重压，行业竞争将愈加残酷与非理性，产业整合迫在眉睫，企业开始进入薄利时代，光伏制造和系统集成的智能化、集约化和精细化成为了产业致胜的法宝。

因此，只有以自主创新为基础，掌握高端装备和工艺集成的能力，实施光伏电池智能制造工程，走以成套工艺、自主设备制造、整线工艺集成为特色的新能源产业道路，最大限度地减少人工干预，降低制造成本和提高转换效率，打破行业同质化竞争现状，才能进一步提升我国光伏电池企业的市场竞争力，保持我国光伏产业制造大国的地位，实现我国光伏产业及高端制造装备的健康、快速、可持续发展。

1.2 太阳能光伏电池制造装备发展趋势

光伏技术是一种利用太阳能电池片将太阳光能转化为电能的技术，它是解决当前世界持续增长能源需求的一种新技术，具有无污染，可靠性高，无维护费用等优点。晶体硅电池作为一种高效低成本的光伏电池技术率先实现了大规模工业化生产，在相当长时期内主宰整个光伏发电市场，其所占比重一直在90%以上。光伏装备作为光伏产业发展的核心和基础，光伏产业链的每一个环节都离不开相应的生产装备，尤其是用于光伏电池生产的装备，是太阳能光伏产业的重要基础与支撑，是太阳能光伏产业竞争力的集中体现。

晶体硅光伏产业链主要有光伏材料提纯/薄片制造、光伏电池制造、组件制造等生产环节，其中光伏电池制造包括清洗制绒、扩散、制备减反射膜、刻蚀、丝网印刷、高温烧结、检测分选等工艺步骤。这些步骤在生产线上由清洗机、扩散炉、PECVD、刻蚀机、丝网印刷机、烧结炉、测试分选设备等多种设备完成。

1.2.1 低成本化

太阳能电池制造装备的发展目的是为了提高电池的最终产品质量、光电转换效率、整线生产效率，降低生产成本。以德国、意大利为代表的欧洲装备制造商同日本、美国装备制造商代表了当今世界相关装备的最高技术水平。其技术特征为高产能、自动化、工艺物化于装备的程度及适合越来越大（从最初的103 mm×103 mm、125 mm×125 mm方硅片发展到目前主流的156 mm×156 mm方硅片，及未来两年的210 mm×210 mm方硅片）、越来越薄（300→270→240→210→180→160 μm）的硅片工艺。

图1 晶体硅光伏电池生产线

1.2.2 新装备与新工艺成套化

“一代工艺、一代装备。”只有在一流的工艺指导下，才能研制开发出一流的装备。随着光伏产业的不断发展，为了适应大生产化的要求，要求装备与工艺有机地结合，根据光伏电池整线生产工艺的要求有针对性地进行整套生产装备的开发。而且装备的成套研发，使工艺物化到装备中，能极大地缩短生产线的建设周期，减少整线装备中各装备工艺的摸索，并能够提高生产效率和提高资金的投资回报。随着微电子平面制造工艺技术应用领域和装备功能的不断拓展，新技术伴随着新装备的涌现，同时微电子技术也不断转移扩散进入晶体硅太阳能电池领域。如：太阳能电池生产线将不同程度地大面积应用新型半导体设备技术如激光技术、离子注入掺杂技术、湿法刻蚀技术、PECVD应用等，发展整线装备与新工艺结合的“整线交钥匙”系统集成成套解决方案，是今后光伏装备生产商的主要应用方向。

1.2.3 智能化

光伏装备可归入半导体装备领域，其技术涉及物理、化学、光学、电子、材料及自动控制等数十个专业领域，具有较高的技术含量。光伏装备不仅是生产工艺技术的载体，关系到光伏产品质量的优劣，光伏装备经历了手动、半自动、全自动发展过程。智能化装备技术是确保装备与工艺完美结合的关键技术，新型高效光伏电池生产线将应用半导体MES制造经验，运用计算机技术，精密传感技术，将通过可感应、可量度和互联互通的解决方案将对任何潜在的危险或故障状况提出警报，使生产线可根据危及生产人员及产品质量安全的程度和紧迫性立即采取整改措施。实现设备自动化和成套化，流程制造电子化，包括产品全生产流程周期的监控、生产计划生产装备的调度、整线装备维护等在内的自动优化，并能够提高各种生产资源使用效率、实现自诊断，自恢复，无人工干预，减少故障处理时间和工作量、提高产品质量、减少成本和开支。用自动化、智能化的手段把光伏装备、整线工艺和大生产运营管理综合起来考虑，为客户提供成套解决方案。智能化的新一代全自动智慧生产线已经成为重要发展方向。

2 适应现代太阳能光伏电池制造装备与技术特点

光伏电池数字化车间以智能制造集成系统为代表的信息化综合集成创新是新一代光伏制造技术及高端电子装备技术的理想方案，具有重要研制意义。其智能制造集成系统的研制将开创整线装备集成化和智能化在光伏领域应用的先河，大大提高国产光伏电池生产线整线装备的自动化和智能化水平，实现光伏电池生产的集约化和精细化管理，最大限度的降低生产成本和提高电池光电转换效率，极大提升光伏电池企业的市场竞争力，最终提高我国光伏产业在国际光伏领域的地位，实现我国由光伏大国向光伏强国的转变。

2.1 适应光伏电池自动化生产的PVECI通讯

国际半导体制造领域，晶圆追踪管理系统均采用 CIM (Computer-Integrated-Manufacturing)系统，以实现工厂自动化 (Factory Automation-FA)，来最大限度地提升制造能力。目前，国产的太阳能设备基本上属于各自为政的状态：设备与设备之间，设备与管理机之间无法沟通交流，有部分设备之间可以互联通信但是没有统一的通信标准，这是国内设备目前普遍存在的问题，这样的局面如果不尽快改变将严重限制国产太阳能设备的国际竞争能力以及未来全自动成套设备的兼容性和整线自动化水平，并将最终影响太阳能电池片生产商的采购决策。与此形成鲜明对比的是国际一流生产厂商设计的太阳能生产设备已经形成统一的准入接口标准PVECI(PV Equipment Communication Interfaces）。协议规定光伏生产线设备必须在生产运转期间与工厂主机保持密切的联系，以接受来自主机电脑的控制或查询，并且能够及时回应主机的指令，回报执行结果，除此之外，也要主动回报目前设备的异常状况。

新一代的自主装备必须具备统一的接口通讯部件和功能，应用PVECI协议，并对已定型或已交付的太阳能生产设备实行自动化通信接口改造，以支持PVECI接口，并保证新增的自动化成套设备支持PVECI接口。目前，太阳能设备控制器一般可以分为两种类型：一是使用PC机作为监控、一是使用PLC作为监控。这两种类型的设备对PVECI协议的支持略有不同。使用PC机作为监控的设备需要修改原有的控制软件，并增加对PVECI协议的支持。使用PLC作为监控的设备需要增加智能显示终端（例如：触摸屏、平板计算机等），在智能显示终端上提供对PVECI的支持。

（1）基于PC控制器的通讯标准化改造。对于采用PC作为控制器的自动化设备，其通讯标准化改造主要通过对其控制软件中的通讯部分进行开发扩展。主要实现手段如图2所示，通过中间件的开发，实现对该设备进行控制的原有通讯协议数据与主控制系统硬件平台PVECI通信协议数据间的翻译。

图2 基于PC控制器的通讯标准化改造实现

（2）基于PLC控制器的通讯标准化改造。对于采用PLC作为控制器的自动化设备，其通讯标准的改造可根据其设备复杂程度，由更改PLC控制系统或增加智能控制终端的形式如图3所示两种方式实现。对于控制相对简单的自动化设备，可通过对PLC系统进行重新编程，更改其所接受的I/O信号的含义。对于控制相对复杂的自动化设备，可通过增加智能控制终端，将其转变为基于PC控制器的系统，并重新建立新的通讯标准。

2.2 光伏电池制造执行装备研究开发

在光伏专用数字化制造执行系统中需要生产调度模块来根据物料输送管理、生产管理中的实时信息，在用户自定义规则的基础上，协助计划人员安排作业、投产、备料，提示计划人员可行的方案，缩小计划人员的选择范围，提高计划的效率并减轻计划人员的负担。提供现场管理模块将生产安排结果迅速地传递到作业现场，帮助现场管理人员及时地对工作安排做出调整。

图3 基于PLC控制器的通讯标准化改造实现

在光伏专用数字化制造执行系统中，通过产品定义使得产品工程师可以方便地定义新产品，建立客户产品与企业产品之间的关联，减少合并投料的工作量。通过集中规范的工艺流程定义环境，来保证所有工艺、技术、工程、制造、质量控制在一个统一规范的环境中工作，以便于信息的及时共享，减少重复定义错误，实现完整的版本管理，保障工艺流程历史信息回溯。

系统需要实现生产调度管理、设备维护管理、质量控制管理等三大功能模块。其中生产调度管理模块主要包括工单管理、批次管理、无纸化管理、条码管理、自动标签管理、制造周期管理等。设备维护管理模块主要包括设备状态管理、保养流程管理、保养计划管理、设备异常管理、设备关键性能指标统计等。质量控制管理模块主要包括统计过程分析、异常处理计划流程、退料审查流程控制、品管报表等。

2.3 光伏电池数字化车间智能制造系统集成技术

光伏电池数字化车间智能制造集成系统主要是由制造执行系统 (Manufacturing Execution System，MES)、物料控制系统(Material Control System，MCS)和设备自动化系统(Equipment Automation Programming，EAP)组成。智能制造集成系统框架如图4所示，包括选购或开发制造执行系统及其相关中间件，搭建数字化车间网络环境，改造车间现有生产设备，最终通过集成调试和工程实施达到建设光伏电池数字化车间智能集成制造系统的预期目标。

图4 数字化车间智能制造系统框架图

3 前景展望

中国光伏产业近几年的成长速度远远超过全球平均增幅。国家政策鼓励发展，中国严峻的环保形势，客观上也急需寻找可替代能源，这些都为光伏产业的发展奠定了良好的基础。但是在我国光伏产业高速增长的环境下，光伏企业各自为政、重复建设、同质化竞争现象十分严重，各环节之间缺乏统筹规划，缺乏有效降低成本，提升转化效率的手段和创新能力，新装备和新技术的应用难以融汇、协同，未形成我国制造业的整体优势。

通过光伏电池生产线数字化车间智能制造集成系统建设，有效提升整线装备自动化、智能化技术水平，形成智能化光伏电池整线装备集成交钥匙工程的能力，有助于提升行业自主创新能力和后续发展能力，促进区域经济发展，推动我国向光伏产业大国、强国发展。同时通过该技术的规模化量产后能有效改观目前光伏智能部件完全依赖进口的局面，实现智能光伏生产线完全国产化，促使我国太阳能电池企业因投资成本减少、投资效率提高而处于非常有利的国际竞争地位，大大加快太阳能在我国的应用推广速度，逐步减少传统能源供应比例，减少污染，缓解国民经济高速增长给能源供应带来的日益严重的巨大压力。

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