光伏设备控制软件现状及发展趋势

彭 浩

（湖南红太阳光电科技有限公司，湖南 长沙 410221）

1 引言

随着国家大力发展绿色清洁能源，太阳能得到了越来越多的关注，也推动了光伏市场的发展，光伏企业纷纷加大产业布局，推动新技术的落地。光伏设备作为光伏产业中至关重要的环节，随着光伏技术的不断突破而迭代升级，不断往高集成、高性能和高自动化等方向发展，对设备功能性、操作性和安全性等方面的要求也越来越高。控制软件作为设备的核心组成部分，也得到了飞速的发展。

控制软件的作用在于让使用者能够对设备的运行状态进行全面的监测和控制，作为人机交互的接口，不仅可以方便直观地知悉设备工作状况，而且可以及时发现设备故障进行维修，提高工作效率，更重要的是作为整个设备的“大脑”，可以对设备各个部件进行操控，保障设备按照既定规则有条不紊地运行。

2 光伏设备控制软件现状

2.1 设计原则

光伏行业的技术路线迭代比较快，属于商业性应用研发，这对设备提出了更高的要求，也对设备控制软件提出了更高的要求。总的来说，光伏设备控制软件的设计都主要遵从以下设计原则。

（1）可靠性

控制软件作为设备的“大脑”，负责整台设备所有运行动作的执行，尤其是光伏行业这种高自动化的生产行业，设备上同一个动作每天可能重复上百次，一旦可靠性出现问题，产品质量甚至人身安全都可能面临威胁。

为了确保控制软件的可靠性，在程序的设计实现过程中，对一些重要执行信号或逻辑，要有反馈机制。比如发送方传送出一个运行信号，接收方需要反馈一个接收成功的信号，确保信号接收成功，否则要认为发送失败进行重发或报错等处理。

（2）实时性

高产能、高自动化也是光伏设备的特点，这意味着设备在生产过程中高速地全自动运行，设备的各个动作信号、检测信号都在快速地变化，这就要求监控软件应具备很高的实时性。

为了确保控制软件的实时性，在控制系统设计初期，要对控制对象和控制方式有一个全面的评估，根据控制需求选择性能最优的控制器，留足控制余量；在软件编写过程中，要简化控制逻辑，减少资源的浪费，提高代码执行效率。

（3）可操作性

控制软件作为人机交互的接口，除了需要把设备的运行状态呈现给操作人员监视之外，更重要的是操作人员对设备的大部分控制操作都是通过控制软件来实现的。

为了确保控制软件的可操作性，人机交互界面需符合操作者使用习惯，界面布局规划合理，功能完善，方便直观。

2.2 设计模式

目前光伏设备的控制软件采用的是上位机软件＋下位机软件的设计模式。

（1）上位机软件

上位机软件一般安装在工控机上，提供友好直观的人机交互界面，操作人员可通过操作菜单对设备的运行状态、设备参数、历史记录和报警信息等进行一个全方位的监视，并且可以通过相关操作直接发出操控指令。常见的上位机软件主要有两种：

1）组态软件。组态软件又称组态监控系统软件，是指数据采集与过程控制的专用软件，也指在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境。这些软件实际上也是一种通过灵活的组态方式（不是编程方式），为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具优点是开发难度小，开发周期短；缺点是不灵活，价格成本高。常用的组态软件有亚控组态王、力控和杰控等。常见应用设备如插片机、清洗机等。

某型号 PECVD 设备上位机程序界面如图1所示。

图 1 某型号 PECVD 设备上位机程序界面

图 2 分选设备的控制系统示意图

2）自行开发软件。自行开发软件是指程序人员为了实现设备功能，在编程开发工具的基础上通过编写程序生成的软件。优点是灵活可定制化开发，功能丰富，免费；缺点是开发周期长、难度大，需要较强的软件编程能力。常用的开发工具有 VB.NET、C# 等。常见应用设备如PECVD、低压扩散炉等。

（2）下位机软件

下位机软件一般通过 PLC 实现，实现直接控制设备，获取设备状况的功能。PLC 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。一般来说PLC 控制根据应用场景可分为两种类型。

1）集中式控制系统。集中式控制系统是由1个 PLC 控制器组成，控制一个或多个被控设备，各个被控对象仅与PLC 的 IO 或拓展模块连接，各被控对象之间不需要额外的通信线路。主要应用于输入输出点位少、各被控对象所处位置集中且相互之间动作有一定联系的场合。优点是控制结构简单、实时性好、成本低，缺点是应用于较大较长的设备时电气接线麻烦复杂。集中式控制系统常用的 PLC 有三菱公司生产的 FX5U 系列 PLC 和西门子公司生产的 S7-200系列 PLC 等。常见应用设备如离线式分选机、方阻检测仪等。某型号离线式双轨太阳能电池片分选设备的控制系统如图2所示。太阳能电池片测试分选设备是太阳能电池生产的七种关键工艺设备之一，可自动测试电池片的效率、串并联电阻和漏电流等各种电参数，并根据电池片参数进行自动分类。下位机系统主要使用 PLC 控制器（基恩士KV3000系列），控制对象主要是轨道的多个传感器、气缸、电机等元器件构成的上料部分、测试部分和下料部分。

2）分布式控制系统。分布式系统多用于有多台被控设备、系统装置分布范围比较分散且设备之间有数据信息传送的场合。PLC 通过通信电缆与被控设备进行信息传递。特点是系统灵活性强、控制范围大但价格偏高。分布式控制系统常用的 PLC 有倍福公司生产的 CX 系列PLC 和三菱公司生产的 Q 系列 PLC 等。常见应用设备如PECVD、低压退火炉等。某型号低压退火炉的控制系统如图3所示。退火炉主要用于硅片太阳能器件制造中的氧化、退火工艺；也可用于半导体器件制造中的氧化、退火及合金工艺，同时还适用于对其他材料的特殊温度处理。下位机系统由三段 PLC 构成，PLC 1 为主控制器（倍福CX9020）控制净化台部分推舟系统，PLC 2 和 PLC 3 分布在设备的炉体柜和气源柜，分别控制这两部分的温控系统、流量系统和压力系统。

图 3 低压扩散炉的控制系统示意图

3 行业重点关注问题

3.1 稳定性

光伏行业是高强度生产型行业，设备除了定期的停机维护外，一般都是全天候的不间断生产，对系统的稳定性要求很高，一旦设备控制软件出现不稳定问题，有时会导致设备工艺异常停止，生产出来的产品不合格需要返工，有时会导致设备硬件损坏需要暂停生产修复故障。所以设备控制软件的稳定性直接关系到设备产能、企业效益。

3.2 安全性

光伏生产是一个高自动化程度的生产过程，设备控制软件的安全性也是行业备受关注的重点。控制软件的安全性主要是指在对设备的监控过程中，对各种可能造成安全事故的操作或动作要提前在程序中做出全面合理的规避和保护的逻辑。

3.3 易用性

设备控制软件的灵活性、简单性和易用性可以使用户快速熟悉设备操作，降低误操作概率和减少误操作可能带来的损失，这也是用户关注的重要部分。

4 光伏设备控制软件发展趋势

4.1 低能耗

为应对全球气候不断恶化，我国确立了2030年实现碳达峰的目标和2060年实现碳中和的愿景，在这样的战略背景下，以光伏为代表的新能源发电和新能源汽车的制造运用展现了广阔的发展前景。为响应国家十四五规划“碳达峰”“碳中和”的要求，也从企业自身经济角度考虑，设备的能耗是厂家日益重视的问题。控制软件可通过在线监控设备能耗的情况、智能化的调控设备加热功率，实现用能的精细化处理，不仅有利于企业根据自身情况合理利用能源降低成本，也为国家碳中和目标做出贡献。

4.2 万物互联

万物互联是将人和相关的数据、事物系统的结合，利用大数据分析的方法使得这些东西更加相关，更有价值。光伏行业是一个稳步向前发展的行业，在数字信息化时代要摆脱传统制造业的方式，往智能工厂的方向发展。光伏企业工厂涉及到多个厂家多种设备协同生产，通过互联技术将这些设备数据进行采集，统一分析管理，有利于提高设备的利用率，提高产品的品质。

4.3 云服务

云服务可以将企业所需的软硬件、资料都放到网络上，在任何时间、地点，使用不同的IT设备互相连接，实现数据存取、运算等目的。将设备信息上传到云服务器，然后共享到终端，如手机、笔记本等，可以让使用者随时随地了解设备运行状态；此外还可以通过云端内上传的前后端、上下游的设备信息、原料供应和市场价格等大数据，来帮助公司决策层做出科学合理的分析和判断。

4.4 兼容性高

随着国内外研发能力的进步、微电子技术的发展，各种智能芯片和智能传感器不断出现，设备上使用的元器件类型也越来越多。为了适应不同厂家对不同品牌元器件的需求，这就需要设备软件兼容各种类型的元器件。

5 结束语

随着环境问题及能源问题日益严峻，人类对清洁可再生能源的关注到达一个新的高度，太阳能作为最具潜力的可再生能源之一越来越得到重视。光伏设备是太阳能产业中至关重要的环节，而控制软件又是设备的核心部分。通过对光伏设备控制软件现状的研究和行业重点关注问题的分析，提出了控制软件在未来几年的发展趋势和拓展方向。