本文結(jié)合非晶硅太陽能電池整線制造工藝控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，以福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池制造系統(tǒng)為例介紹了西門子S7-300和WinCC控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展方向的控制理論做深入探討。
摘要：
太陽能發(fā)電(光伏)與風(fēng)電、核電等同為被世界公認(rèn)的未來新型能源趨向，隨著環(huán)保壓力越來越大，太陽能作為綠色清潔能源正逐漸被市場(chǎng)接受，開始顯現(xiàn)巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。目前國內(nèi)太陽能行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展期，主要分單晶硅、多晶硅和非晶硅等不同的電池類型，在整個(gè)太陽能電池家族中，非晶硅薄膜太陽能電池因?yàn)槠浼夹g(shù)和應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，正在獲得爆發(fā)性增長。2007年以來年行業(yè)增速超過100%，非晶硅產(chǎn)品以價(jià)格低廉，污染小，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，對(duì)非晶硅太陽能電池的制造設(shè)備的需求也在不斷增加。福建鈞石能源有限公司做為國內(nèi)非晶硅太陽能電池行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，專業(yè)從事非晶硅太陽能電池及其應(yīng)用產(chǎn)品以及生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)、制造和銷售，在薄膜技術(shù)，真空處理及精密制造方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，可為客戶量身定制具有廣泛應(yīng)用的整線方案及設(shè)備，產(chǎn)品組合包括：獨(dú)有的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備，用于光伏層的沉積;獨(dú)有的磁控濺射設(shè)備，用于沉積導(dǎo)電電極層;自動(dòng)化整線服務(wù)，經(jīng)集成的成套薄膜太陽能電池制造系統(tǒng)。在整線制造工藝的關(guān)鍵流程等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備(PECVD)和物理氣相沉積設(shè)備(PVD)的自控環(huán)節(jié)，西門子S7-300和WinCC作為成套薄膜太陽能電池控制系統(tǒng)的解決方案，在大批量的應(yīng)用中體現(xiàn)出穩(wěn)定，可靠和故障率低的特點(diǎn)，保障促進(jìn)了福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池的飛速發(fā)展。
本文結(jié)合非晶硅太陽能電池整線制造工藝控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，以福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池制造系統(tǒng)為例介紹了西門子S7-300和WinCC控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展方向的控制理論做深入探討。
行業(yè)概述：
太陽能發(fā)電是一種公平的、無污染的、絕佳的傳統(tǒng)能源替代品。只是局限于科技水平的現(xiàn)狀，特別是儲(chǔ)能(電池)技術(shù)的現(xiàn)狀，造成其發(fā)電成本過高(超過上網(wǎng)電價(jià))，加之當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的上游太陽能電池板生產(chǎn)的主要原材料多晶硅在生產(chǎn)加工過程存在污染環(huán)境的問題，使得太陽能的發(fā)展受到一些阻力。光伏太陽能發(fā)電板將太陽能轉(zhuǎn)換成電力，晶體硅技術(shù)是光伏工業(yè)使用的原始材料技術(shù)。傳統(tǒng)的晶體硅太陽能發(fā)電板首先被廣泛應(yīng)用于太空衛(wèi)星上，這種太陽能發(fā)電板是用逐步反復(fù)，批量生產(chǎn)的工序從單晶硅或多晶硅的小晶片制造而成。雖然這種技術(shù)的開發(fā)已取得很大的進(jìn)展，但是晶體光伏發(fā)電組件的成本還是因?yàn)椴牧系某杀疽约吧a(chǎn)這種發(fā)電組件所需的煩瑣工藝而持續(xù)居高不下。晶體硅太陽能發(fā)電組件體積龐大，容易破碎而且生產(chǎn)耗能更多。生產(chǎn)太陽能發(fā)電板的另一種薄膜技術(shù)使用到金屬鎘，這種技術(shù)損害環(huán)境而且在生產(chǎn)過程中及售后服務(wù)上都需極多的管理維護(hù)。
從目前國際太陽電池的發(fā)展過程中看，其趨勢(shì)大致為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。而最后的“薄膜材料”(薄膜電池)正是業(yè)內(nèi)對(duì)以單晶硅和多晶硅為主原料的太陽能電池的更新?lián)Q代。一些薄膜電池中已經(jīng)徹底放棄了對(duì)多晶硅的應(yīng)用，從而解決了“環(huán)保技術(shù)不環(huán)保”光伏上游多晶硅生產(chǎn)過程中存在的污染問題。相比于傳統(tǒng)晶體硅電池，非晶硅薄膜太陽能電池具有以下優(yōu)勢(shì)：
1、生產(chǎn)成本低：非晶硅薄膜太陽能電池的生產(chǎn)成本相比晶體硅電池的生產(chǎn)成本具有無可比擬的優(yōu)勢(shì);
2、能量返回期短：轉(zhuǎn)換效率為8%的非晶硅太陽能電池，其生產(chǎn)用電發(fā)電后收回上述能量的時(shí)間僅為1-1.5年;
3、適于大批量生產(chǎn)：采用大面積多疊成硅基薄膜電池的規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)方式具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn);
4、高溫性能好：當(dāng)太陽能電池工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度25℃時(shí)，其最佳輸出功率會(huì)有所下降，非晶硅太陽能電池受溫度的影響比晶體硅太陽能電池要小得多;
5、弱光響應(yīng)好，充電效率高：非晶硅材料的吸收系數(shù)在整個(gè)可見光范圍內(nèi)，在實(shí)際使用中對(duì)低光強(qiáng)光有較好的適應(yīng);
6、薄膜柔性特質(zhì)，適用性好：傳統(tǒng)硅晶電池存在電池主體易破碎、攜帶不便、抗震能力差等缺點(diǎn)，非晶硅薄膜太陽能電池所具有的柔性特質(zhì)，決定了其比傳統(tǒng)硅晶電池的應(yīng)用更廣泛。
上述獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，令薄膜硅電池在民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如光伏建筑一體化、大規(guī)模低成本發(fā)電站、太陽能照明光源等。
當(dāng)然非晶硅薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)化過程中最大的阻力就是難以提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，相比于多晶硅太陽能電池高達(dá)22%~27%的轉(zhuǎn)化率，福建鈞石領(lǐng)先于業(yè)界的非晶硅薄膜太陽能電池工藝技術(shù)當(dāng)前階段也只能達(dá)到8%的轉(zhuǎn)化率，雖然最新的工藝有望達(dá)到10%的轉(zhuǎn)化率，但相比多晶硅太陽能電池來講還是存在不小得差距。
關(guān)于鈞石能源：
福建鈞石能源有限公司是國內(nèi)非晶硅薄膜太陽能電池僅有的至今成功交付150+MW成熟整線生產(chǎn)方案的供應(yīng)商，公司專業(yè)從事太陽能電池及其應(yīng)用產(chǎn)品以及生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)、制造和銷售。公司在泉州、北京、天津設(shè)有太陽能電池研發(fā)中心、太陽能電池設(shè)備研發(fā)中心和工程中心以及太陽能電池生產(chǎn)基地。企業(yè)匯聚了一大批國內(nèi)外知名太陽能電池技術(shù)和管理專家，并與太陽能薄膜電池領(lǐng)域國際權(quán)威的南開大學(xué)光電子研究所緊密合作，擁有薄膜電池領(lǐng)域多項(xiàng)技術(shù)專利，技術(shù)開發(fā)能力屬于同行業(yè)領(lǐng)先水平，公司定位于成為世界上最大的太陽能薄膜電池生產(chǎn)企業(yè)之一。
福建鈞石能源有限公司的設(shè)備與技術(shù)帶有多項(xiàng)行業(yè)領(lǐng)先的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使大面積多疊成硅基薄膜電池的商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)成為可能。
福建鈞石提供的自動(dòng)化整線生產(chǎn)系統(tǒng)，具有高效的產(chǎn)出率，高穩(wěn)定運(yùn)行及較低的設(shè)備維修費(fèi)用。該系統(tǒng)向客戶提供業(yè)界生產(chǎn)薄膜硅太陽能電池最佳性能和最低每瓦生產(chǎn)成本的設(shè)備，為客戶訂制的可模塊化設(shè)計(jì)有助于系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)與擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)真正的規(guī)?；a(chǎn)。
福建鈞石的整線系統(tǒng)獲得IEC及UL的認(rèn)證，已向多家國內(nèi)客戶提供了數(shù)百兆瓦的成套設(shè)備，并且正向亞洲的其他地區(qū)、北美及歐洲擴(kuò)展，客戶通過使用福建鈞石的整線生產(chǎn)設(shè)備和認(rèn)證支持服務(wù)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)并成功獲得相關(guān)認(rèn)證。
福建鈞石的整線生產(chǎn)方案由等離子化學(xué)氣相沉積(CVD1100)和背電極磁控濺射(PVD)這兩個(gè)核心設(shè)備及其他配套裝備和技術(shù)所組成，這種模塊化的設(shè)計(jì)具有靈活可塑性，便于系統(tǒng)最優(yōu)化和未來的升級(jí)。
CVD-1100型等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備
PECVD主要構(gòu)成和技術(shù)：
·單室操作的不銹鋼全加熱真空室，具備整體保溫結(jié)構(gòu);
·獨(dú)立大容量可換型反應(yīng)箱，周期產(chǎn)量72片，總面積57平方米;
·雙真空系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)由無油大抽速干泵和壓力控制系統(tǒng)組成，高真空系統(tǒng)由磁浮分子泵系統(tǒng)構(gòu)成;
·控制系統(tǒng)以上位機(jī)組態(tài)軟件為監(jiān)控窗口，PLC作為控制核心，系統(tǒng)通過PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接;
·工藝軟件系統(tǒng)由獨(dú)特的工藝指令集構(gòu)成，工藝編制安全完善，數(shù)據(jù)安全保存和靈活調(diào)用，可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝的變成和全自動(dòng)操作;
·控制軟件具備系統(tǒng)自檢和校準(zhǔn)功能，確保規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備重復(fù)性和良品率;
·完善的安全報(bào)警機(jī)制，對(duì)系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)、部件互鎖保護(hù)、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;
·多RF電源穩(wěn)定技術(shù)，系統(tǒng)包含18臺(tái)RF射頻電源，通過工藝軟件進(jìn)行管理的多種控制模式和專利設(shè)計(jì)的FX72反應(yīng)箱，可以使放電穩(wěn)定進(jìn)行，避免不同電源的干擾和串?dāng)_。
PVD磁控濺射 主要構(gòu)成和技術(shù)
·十室八靶結(jié)構(gòu)，可以連續(xù)鍍制AZO、Ag、Al等多種薄膜電池背電極;
·全不銹鋼真空室，包含內(nèi)部氣體隔離和加熱系統(tǒng);
·采用全自動(dòng)操作，可以配置接口連接其他自動(dòng)設(shè)備;
·真空系統(tǒng)采用國際優(yōu)質(zhì)磁浮式分子泵和大抽速機(jī)械羅茨泵組，最快進(jìn)出片節(jié)拍到小于75s，工作真空穩(wěn)定，無串氣波動(dòng);
·獨(dú)立的濺射冷卻水配置系統(tǒng)確保大功率濺射的穩(wěn)定;
·完善的安全報(bào)警機(jī)制，對(duì)系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)、部件互鎖保護(hù)、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;
·進(jìn)口濺射電源及供氣系統(tǒng);
·控制系統(tǒng)以上位機(jī)組態(tài)軟件為監(jiān)控窗口，PLC作為控制核心，系統(tǒng)通過PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，傳感器可以監(jiān)控每個(gè)陰極、泵、腔室真空度、溫度、工件位置、速度等參數(shù)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示在桌面和異常報(bào)警。
SIMATIC S7-300和WinCC在PVD上的應(yīng)用：
背電極磁控濺射(PVD)主要用來制作太陽能電池板的背電極，它對(duì)整個(gè)電池產(chǎn)品的質(zhì)量起到非常重要的作用，因此對(duì)PVD設(shè)備的控制要求也相對(duì)較高。PVD設(shè)備要求將鋁或氧化鋅等背電極材料通過磁控濺射的形式鍍到電池片上，并能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求對(duì)濺射電源的功率、傳動(dòng)速度、濺射壓力以及氣體流量等工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。整套控制系統(tǒng)由以下幾部分組成:真空控制單元、傳動(dòng)控制單元、流量控制單元、電源控制單元、測(cè)試檢驗(yàn)單元、數(shù)據(jù)采集單元、真空測(cè)量單元、烘烤加熱單元。
控制系統(tǒng)選型考慮到系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定性功能性的需求和需要不斷地進(jìn)行工藝改進(jìn)從而對(duì)控制系統(tǒng)技術(shù)服務(wù)的依賴性要求，基于西門子周到的行業(yè)經(jīng)理定點(diǎn)定人的售后服務(wù)模式，綜合考慮最終確定了西門子SIMATIC S7-300系列可編程控制器做為集成自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的控制核心。由于對(duì)設(shè)備中的泵、電源、變頻器的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求較高，需要交互的參數(shù)和信息量大，并且需要根據(jù)工藝的變化迅速作出實(shí)時(shí)的調(diào)整，考慮到PROFIBUS總線通訊速率可達(dá)12M，且使用靈活(可根據(jù)GSD文件靈活選擇所需功能塊)，可擴(kuò)展從站數(shù)量多，并被大量控制系統(tǒng)廣泛采用和支持，所以自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用PROFIBUS總線的方式來搭建。
考慮控制系統(tǒng)連接的PROFIBUS從站較多和對(duì)通訊速率、系統(tǒng)循環(huán)掃描周期以及工作內(nèi)存等要求較高故選擇CPU317做為控制系統(tǒng)控制核心。CP340通訊模塊既能用于RS485通訊，又分擔(dān)了控制器的一部分工作負(fù)荷，兩者搭配適用提高了控制系統(tǒng)整體的工作效率，確保了通訊的可靠性。
真空控制單元控制系統(tǒng)功能說明：包括對(duì)分子泵，機(jī)械泵，羅茨泵，干泵和若干真空閥門的監(jiān)控，其中分子泵需要讀取轉(zhuǎn)速和狀態(tài)等參數(shù)。
傳動(dòng)控制單元控制系統(tǒng)功能說明：每個(gè)真空室和進(jìn)出片架上都有傳動(dòng)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)分別由一個(gè)變頻器獨(dú)立控制，要求控制變頻器的開關(guān)、監(jiān)測(cè)狀態(tài)和設(shè)定頻率。
流量控制單元控制系統(tǒng)功能說明：要求對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的當(dāng)前流量進(jìn)行讀取，并能夠設(shè)定工藝流量。采用高精度的模擬量輸入和輸出模塊可以實(shí)現(xiàn)所需功能。
電源控制單元控制系統(tǒng)功能說明：要求對(duì)8臺(tái)直流濺射電源的開關(guān)進(jìn)行控制，采集當(dāng)前的功率值、電流值、電壓值，并選擇控制方式和寫入設(shè)定值。
測(cè)試檢驗(yàn)單元控制系統(tǒng)功能說明：鍍膜工藝結(jié)束后，通過測(cè)試電池片上的電阻來檢驗(yàn)鍍膜的厚度和質(zhì)量，采集到的模擬信號(hào)通過PLC運(yùn)算然后再WinCC控制界面顯示供工藝操作人員實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。
數(shù)據(jù)采集單元控制系統(tǒng)功能說明：條碼槍通過RS485通訊將電池片上的條碼信息讀入PLC，再由PLC將條碼和電池片的相關(guān)參數(shù)傳給WinCC，由WinCC建立一個(gè)TXT文本保存這些工藝參數(shù)，并將這個(gè)文本發(fā)送到指定的文件夾中供EMS(生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng))調(diào)用。
真空測(cè)量單元控制系統(tǒng)功能說明：由高真空計(jì)和低真空計(jì)以及負(fù)責(zé)工藝真空測(cè)量的薄膜規(guī)組成，采用高精度的模擬量輸入模塊將這些模擬量信號(hào)采集到PLC，再由PLC進(jìn)行計(jì)算處理將轉(zhuǎn)換好的真空度值數(shù)值實(shí)時(shí)地在WinCC上進(jìn)行監(jiān)控顯示。
烘烤加熱單元控制系統(tǒng)功能說明：由熱電偶、溫控表、可控硅模塊、碘鎢燈組成的三路獨(dú)立閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制功能，采用RS485通訊與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)溫度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。
WinCC7.0 亞洲版軟件相對(duì)于WinCC6.0在各個(gè)方面都有很大的提高和改進(jìn)，支持VBS、C語言和對(duì)API函數(shù)的調(diào)用給編程者實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能提供了很大方便。通過安裝WinCC的各種配套附件如DATABRIDGE、WEBNAVIGATE、DATAMONITOR方便地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集發(fā)布功能。WinCC是一個(gè)功能強(qiáng)大的開放的上位組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，既適用于小規(guī)模簡單的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)使用，也可以用于復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)使用。在本系統(tǒng)中，配合西門子SIMATIC S7-300系列可編程控制器，WinCC更好地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)控制系統(tǒng)功能的無障礙交互。
應(yīng)用結(jié)論：
使用SIMATIC S7-300和WinCC作為自動(dòng)控制系統(tǒng)解決方案的PVD設(shè)備經(jīng)過出廠前廠家調(diào)試以及客戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)驗(yàn)，滿足工藝正常運(yùn)行的要求，自動(dòng)控制系統(tǒng)驗(yàn)收完全合格。最早出廠的設(shè)備已經(jīng)過一年多的現(xiàn)場(chǎng)使用沒有發(fā)生任何影響正常生產(chǎn)的故障及問題，已經(jīng)累積完成生產(chǎn)電池片30萬片，取得了客戶的一致好評(píng)，為客戶帶來顯著利益。同時(shí)西門子細(xì)致的行業(yè)經(jīng)理跟蹤服務(wù)模式也為廠家和客戶解決了自動(dòng)化系統(tǒng)使用的各種后顧之憂。
（轉(zhuǎn)載）
