1 引言
作為可再生能源的重要分支，太陽(yáng)能以其清潔，相對(duì)便利的使用也得到了飛速發(fā)展，其中的硅材料太陽(yáng)能電池在近幾年的發(fā)展尤為迅速。硅片清洗機(jī)是硅材料太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備，通過(guò)清洗機(jī)對(duì)原料硅片以及半成品電池的清洗保證了最終產(chǎn)品的性能穩(wěn)定和優(yōu)良的質(zhì)量。作為一種高度智能并且功能多樣的設(shè)備，plc配合上位機(jī)的控制方式就成為這類設(shè)備的首選。
2 系統(tǒng)組成及功能
整個(gè)太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)是一個(gè)十分復(fù)雜的工藝過(guò)程，即使清洗工藝也需根據(jù)工序、產(chǎn)品的區(qū)別存在多種不同配方。同時(shí)作為工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)和產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)連續(xù)傳遞的需要，硅片清洗機(jī)應(yīng)準(zhǔn)備足夠的軟硬接口與erp系統(tǒng)和前后工序設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊以保證生產(chǎn)狀態(tài)的連續(xù)性。
硅片清洗機(jī)的控制大致分為4部分：
·機(jī)械手動(dòng)作控制
·清洗槽水溫控制
·清洗槽工藝控制
·藥品定量添加控制
所有的工藝參數(shù)和狀態(tài)記錄全部存儲(chǔ)于上位機(jī)，上位機(jī)可以對(duì)plc進(jìn)行工藝參數(shù)的上傳下載控制；并可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接受上級(jí)設(shè)備傳送的硅片相關(guān)產(chǎn)品編號(hào)，工藝標(biāo)準(zhǔn)，工藝配方等多種信息，同時(shí)將產(chǎn)品的相關(guān)信息傳送至下道工序和erp系統(tǒng)。plc通過(guò)profibus上的外圍模塊進(jìn)行模擬量、數(shù)字量數(shù)據(jù)的采集和相關(guān)執(zhí)行器件的工作控制。
3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
3.1系統(tǒng)的組成
系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)wincc、s7-400 plc控制器、外部i/o鏈路組成。wincc和s7-300之間通過(guò)industrial ethernet網(wǎng)絡(luò)連接，外部i/o、伺服驅(qū)動(dòng)器、化學(xué)藥品流量?jī)x表通過(guò)profibus
總線進(jìn)行連接。s7-400通過(guò)編程軟件step 7進(jìn)行編程和機(jī)架模塊及profibus總線網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)配置。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.2控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
安裝有wincc軟件的scada(supervisory control and data acquisition:數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng))上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和plc(cpu-416-2dp)進(jìn)行連接，利用工業(yè)以太網(wǎng)的高速特性將大量的設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從plc中讀取，同時(shí)在生產(chǎn)的任何時(shí)刻都可以高速穩(wěn)定的依據(jù)操作員的操作進(jìn)行工藝配方的重新下載。具有大量數(shù)據(jù)的多個(gè)工藝配方存儲(chǔ)在上位機(jī)的硬盤中，其數(shù)量只取決于pc機(jī)硬盤的內(nèi)存空間，任何時(shí)刻plc只運(yùn)行唯一的工藝配方。這樣可以大大節(jié)省plc的內(nèi)存空間。各種設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)通過(guò)高速以太網(wǎng)從plc迅速及時(shí)地傳回上位機(jī)，通過(guò)wincc的報(bào)表系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)分類存檔，供erp及下游下設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)。plc通過(guò)profibus的各種外設(shè)i/o、伺服驅(qū)動(dòng)器、流量計(jì)收集各種設(shè)備狀態(tài)并對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。
(1)控制器
系統(tǒng)使用的plc控制器為s7-400系列的cpu 416-2dp，cpu 416-2dp具有2.8mb的大容量運(yùn)算內(nèi)存，指令執(zhí)行周期0.04us，最大尋址空間16kb，其背板k總線提供了高速數(shù)據(jù)傳輸。強(qiáng)大的自診斷功能可以幫助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員迅速的找到故障點(diǎn)并及時(shí)解決故障，通過(guò)擴(kuò)展ip功能模塊cp-443-1，cpu 416-2dp實(shí)現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)接口功能，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊能力大大加強(qiáng)。
(2)i/o模塊
系統(tǒng)并未選用西門子公司的分布式i/o模塊，而是選擇了德國(guó)倍福公司的分布式i/o模塊，主要原因是同樣點(diǎn)數(shù)的分布式系統(tǒng)，倍福公司的現(xiàn)場(chǎng)總線端子具有更緊湊的布局和更強(qiáng)大的功能。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)耦合器的一次簡(jiǎn)單運(yùn)算可以幫助cpu完成一些基本的數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算，這樣大大減輕了中央處理器的運(yùn)算量，使系統(tǒng)的反應(yīng)速度大大提高。其總線端子對(duì)模擬量的處理也有其閃光之處，強(qiáng)大的故障診斷功能，短線保護(hù)的精準(zhǔn)判斷，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性都是選擇其作為現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)總線端子的原因。
(3)上位機(jī)系統(tǒng)
系統(tǒng)上位機(jī)scada界面軟件采用西門子的wincc系統(tǒng)軟件，此軟件為西門子公司開發(fā)的基于windows的上位機(jī)軟件，用于開發(fā)和運(yùn)行人機(jī)界面的應(yīng)用程序。scada系統(tǒng)用來(lái)顯示輸送系統(tǒng)狀態(tài)/報(bào)警信息。操作員可以憑此監(jiān)視和控制設(shè)備的運(yùn)行。
scada系統(tǒng)經(jīng)由industrial ethernet網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由cp-443-1和cpu-416-2dp交換系統(tǒng)信息。scada 系統(tǒng)主動(dòng)從plc取得信息，而plc是被動(dòng)的，也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)事件產(chǎn)生時(shí)，plc不會(huì)主動(dòng)的發(fā)送信息到scada系統(tǒng)。所以，scada系統(tǒng)利用它本身的軟件功能來(lái)實(shí)現(xiàn)事件信息記錄和報(bào)警功能。
(4)編程及
組態(tài)軟件
cpu 416-2dp控制器編程采用step 7編程軟件包，具有完善的數(shù)據(jù)處理、易于使用的i/o尋址方法、自由靈活的程序編輯環(huán)境、圖形化的控制管理器及i/o組態(tài)對(duì)話框。
3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置
系統(tǒng)所使用的profisbus是一個(gè)實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，用于高速傳送實(shí)時(shí)的i/o數(shù)據(jù)和控制指令，profisbus是不依賴生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線，各種各樣的自動(dòng)化設(shè)備均可通過(guò)同樣的接口交換息，適用于傳輸中小量的數(shù)據(jù)。其物理傳輸介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖或無(wú)線傳輸。而工業(yè)以太網(wǎng)是為工業(yè)應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的，而且已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化，適用于大量的數(shù)據(jù)傳輸和長(zhǎng)距離通信。其物理傳輸介質(zhì)可以是同軸光纜、雙絞線、光纖或無(wú)線通信。西門子工業(yè)以太網(wǎng)可以將控制網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫集成到管理網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)。本例就是如此。
通過(guò)西門子step 7的netpro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件進(jìn)行profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的組態(tài)配置，通過(guò)被組態(tài)器件廠家的gsd說(shuō)明文件可以很方便的將其進(jìn)行組態(tài)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置就可以完成系統(tǒng)的組態(tài)。在實(shí)際編程中設(shè)計(jì)人員可以將伺服驅(qū)動(dòng)器、遠(yuǎn)端閥島、流量計(jì)的參數(shù)可控制指令當(dāng)作簡(jiǎn)單的數(shù)字量、模擬量進(jìn)行編程，大大的簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)的，縮短了設(shè)計(jì)周期。
上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)通過(guò)wincc和西門子公司的simaticnet軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)industrialnet支持，通過(guò)固定ip地址對(duì)plc，erp客戶機(jī)上、下游幾臺(tái)客戶機(jī)等ip站點(diǎn)的訪問(wèn)。和相關(guān)客戶機(jī)歸檔數(shù)據(jù)的傳輸通過(guò)opc控件的使用實(shí)現(xiàn)，這大大減輕了程序員編程的時(shí)間；通過(guò)wincc自定義的通訊協(xié)議及外部變量實(shí)現(xiàn)同plc的實(shí)時(shí)通訊。
4 控制系統(tǒng)工作描述
上游設(shè)備在載片籃隨傳送帶傳送至清洗機(jī)上料臺(tái)后，其上位機(jī)會(huì)將相關(guān)工藝選項(xiàng)號(hào)，加工號(hào)，批號(hào)等基本信息通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送給清洗機(jī)的上位機(jī)，清洗機(jī)上位機(jī)通過(guò)工藝選項(xiàng)號(hào)從硬盤數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相應(yīng)配方并將其通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送至plc。
plc在接到新的配方并進(jìn)行確認(rèn)后進(jìn)行與設(shè)工藝流程。設(shè)備分為多種清洗槽，每個(gè)槽又可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)清洗功能，其工作順序由配方?jīng)Q定，在清洗槽中的水溫按照預(yù)設(shè)的配方工藝進(jìn)行加溫并保持，其pid控制使用西門子系統(tǒng)pid功能塊實(shí)現(xiàn)。在清洗過(guò)程中水流的循環(huán)流速是通過(guò)
水泵的變頻控制器實(shí)現(xiàn)的，變頻控制器的輸出頻率由plc按照配方要求運(yùn)算后，通過(guò)profibus總線傳送，變頻器的狀態(tài)和實(shí)際輸出頻率通過(guò)plc的系統(tǒng)功能塊進(jìn)行定期讀取。機(jī)械手的位移是通過(guò)festo公司提供的s7功能塊運(yùn)算控制，控制方法是位置控制，通過(guò)將各槽的裝、卸載位置通過(guò)相應(yīng)功能的運(yùn)算后傳送給伺服控制器控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在程序里對(duì)機(jī)械手的狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)視。反應(yīng)時(shí)間、所使用的配方、工藝選項(xiàng)號(hào)、工號(hào)、批號(hào)通過(guò)opc模塊傳送給相關(guān)客戶機(jī)。整個(gè)控制協(xié)調(diào)流暢，從而完成高度的自動(dòng)化任務(wù)。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)是高度集成自動(dòng)化系統(tǒng)，綜合了plc控制、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信息和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù).。特別是對(duì)通信有較高的要求，同時(shí)通信一直是工業(yè)控制中的一大難點(diǎn)，本系統(tǒng)正是利用了
西門子公司提出的ti(totally integrated automation：全集成自動(dòng)化)技術(shù)較好地完成了控制。從而也證明tia技術(shù)的成熟和完善。相信隨著國(guó)家對(duì)信息自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化裝備要求會(huì)越來(lái)越高，肯定會(huì)有越來(lái)越多的高度集成自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備面市。本系統(tǒng)于2004年7月投入運(yùn)行，目前，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。為公司創(chuàng)造了較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。(e
