薄膜太阳能电池生产线智能化传输系统解决方案

刘 洋,王开西,张一琦,陈承新,苗新念,段凤江

(蚌埠凯盛工程技术有限公司,蚌埠 233010)

太阳能作为人类社会目前可利用的最理想的清洁能源,取之不尽,用之不竭。太阳能电池就是利用光电材料将光能转换为电能的装置,又称为“太阳能芯片”或“光电池”。目前市场上的主流产品晶硅太阳能电池的光电转换效率可达约23%,占据行业主导位置。然而,薄膜太阳能电池作为后起之秀,其光电转换材料只需几微米厚,制造工艺相对简化,部分类型的生产成本有所降低,具有更好的发展前景[1,2]。同时,目前市场上已经形成量产规模的薄膜太阳能电池,如碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS),其理论转化率可达约30%,且具备良好的弱光效应、高温性能、透光性、柔性化、可调颜色、可回收等优点,使其在光伏建筑一体化(BIPV)[3]的应用前景十分广阔,因而市场潜力巨大。

基于上述大背景,随着越来越多的资本进入到这个市场,一座座现代化、智能化的薄膜太阳能电池生产工厂正拔地而起。而笔者想要探讨的是如何在智能化薄膜太阳能电池生产线,搭建一套智能化的传输系统,用于衔接各工艺流程,实现基板传送、流转、缓存,以及信息采集、跟踪、交互,从而为智能化生产奠定坚实的基础。

1 需求分析

薄膜太阳能电池生产线,通常需完成20～30道大小工序后,才能形成最终的组件,其中镀膜、激光刻线、封装是三大核心工艺。以下将分别从工艺、设备、信息化和智能化这几个维度,就生产线的需求进行分析。

1.1 工艺需求

生产线的工艺布局,通常有两种类型,一种是流水线布置,如图1所示,基板从起始端沿着工艺路线一路向下流经沿途工艺设备,而背板从合片设备的另一端等待与基板完成合片,再经下游的工序,最终至终点完成模组下片。其中在沿途指定的工艺设备前后建立分布式的离线或在线缓存,以满足生产线的连续运行,而传输系统则穿插在各工艺设备之间,起到基板输送、流转、缓存的作用。另一种是复合型布置,如图2所示,通过中枢系统、工艺环形布局及流水线布局相结合,基板起点进入中枢,再从中枢进入环线,经过工艺处理,再返回中枢系统,进入下一个工艺,直到基板的所有前工序处理完毕,彻底离开中枢进入封装工艺,再与背板完成合片,进而进入流水线直到终点。其中中枢系统也是中枢缓存,既满足了工艺流转,又满足了缓存仓储的需求,而下游的流水线布局则也采用分布式的仓储系统,以满足生产缓存和连续性的需求。而单种工艺设备的数量,则取决于其自身处理周期以及产能需求,由1个到多个不等。数量大于1个的同种工艺设备布置,通常都采用并联结构。与流水线布局相似之处,传输系统同样布置于各工艺设备之间,负责基板输送和流转,而不同之处在于仓储缓存的设置,此类生产线布局了中大型立式仓储,用于集中存储,并在内部实现流转,然后流经下游工艺设备。

目前市场上CdTe产品,最大尺寸是美国First solar公司的serie6系列,达到2 m×1.23 m,中国建材集团下属公司的产品也达到了1.6 m×1.2 m,而同样来自中国建材下属公司的CIGS产品则为1.2 m×0.6 m。生产线的节拍则从十几秒到几十秒不等,主要取决于基板的尺寸和产能的设定。基板和背板材料通常采用2～4 mm的高透光率钢化玻璃。由于薄膜电池生产线的洁净等级较高,因而对防尘也有较高的要求。

1.2 设备需求

根据薄膜太阳能生产线的整体布局和工艺设备需求,智能化传输系统需要具备的设备功能有以下几个方面:一是输送,传输系统最基本也是最本质的功能,就是将物料从生产线的起点输送到终点;二是转向,无论是流水线布局,还是复合型布局,生产线总会有多个转角,或有离线设备、人工取样设备,皆需转向功能;旋转,生产线的大部分工艺设备皆要求长边进入,而少许设备则要求短边进入,旋转功能可满足这部分设备的需求,同时在转角位置,也需要旋转,以保证长边在前的状态;三是翻转,由于部分核心镀膜设备采用CSS(近空间升华法)[4]工艺,在基板进入腔体前需将其镀膜面从正上方翻转至正下方,而完成镀膜后,则需要再次翻转成初始状态;四是正位,传输系统在与工艺设备交付基板时或需要读取基板二维码时,皆需保证其位置的精度,因而需要正位功能,克服其在输送过程中产生的偏移,精度要求±1 mm以内;五是缓存,由于生产线工艺路线较长,工艺设备较多,则因设备故障或换料等导致的暂停风险大增。以流水线布局为例,假设每种工艺设备的生产效率达到98%,而经过20多道工序后,整条生产线的运行效率接近60%,因而为解决这个问题,必须有仓储缓存的功能。一旦某区段工艺设备宕机,则其上、下游仍可以继续生产,可最大程度降低对生产线效率的影响。

1.3 信息化和智能化需求

随着“工业4.0”、“中国制造2025”的不断深入,信息化和智能化的技术和设备不断发展,步入21世纪的第2个10年,智能化工厂已不仅仅停留在概念上,而是如雨后春笋般涌现[5]。薄膜太阳能电池产业作为光伏行业的新兴领域和发展方向,其工厂建设自然成为智能化发展的受益者。企业资源计划系统ERP和执行制造系统MES的打通,意味着生产线订单可满足定制化、柔性化,同时生产工艺可由智能化手段提供决策依据,生产更加科学,而MES对全厂设备的智能化管控,也使生产更加高效、稳定[6]。

为实现上述目标,这对传输系统的信息化和智能化提出了更高的要求,在自动化的基础上,需要增加对生产物料的全线跟踪系统,需要制定与上、下游工艺设备的横向接口规范,以满足生产物料ID信息及相关生产数据的传递,更需要开发符合半导体行业标准的SECS/GEM接口软件,以实现与MES系统的纵向信息传递。

2 解决方案

2.1 工艺方案

为了满足生产线的快速搭建需求,模块化和标准化的设计理念势在必行,因而无论是流水线布置还是复合型布置,我们皆可将每两台工艺设备之间的单元看成是由若干个传输单元组成,如图3所示。每个单元的长度则由基板尺寸决定。以2 m×1.23 m的产品为例,其标准长度定为2.4 m较为合适,前后各留出200 mm距离,用于加减速和基板定位。每两台工艺设备之间的单元数量,需符合3个原则:一是符合厂房的整体布局要求,无干涉,且有足够的操作和维护空间;二是满足两台设备之间的工艺功能要求,基板是否在此过程中需要转向、旋转、翻转、缓存等需求;三是待片工位的设定,通常不同工艺设备之前需要设定若干待片工位,以满足连续型工艺设备生产过程中,一旦上游发生故障,物料中断的情况下,最大程度地争取缓冲时间,用于突发情况的设备响应,避免对设备造成损坏。而待片工位的数量,则取决于下游工艺设备特性,以及其平均维护或换料时间等因素。

由于整个生产过程工艺路线较长,为了解决各工艺设备换料或停机时间对生产的影响,最大程度地提升生产效率,缓存仓储系统的应用对于整个生产线传输工艺的优化起到关键作用。而缓存的设置,则可以根据不同生产线的布局,有不同的解决方案:流水线布局方式,可采用分布式结构,即“化整为零”,把不同规模的仓储系统放置在生产线的各个区域,为各工艺设备服务,而存储箱可进行流转,提升利用率;而复合型布局则恰恰相反,“化零为整”,采用设置不同规模的中枢仓储区,满足多种工艺同时生产的需求,基板在仓储区内流转,然后流向下游的工艺设备。

2.2 设备方案

工艺决定设备,因而传输单元按照上述工艺要求,需完全基于模块化和标准化的理念来构建,按照具体功能可基本划分为输送设备、转向设备、旋转设备、翻转设备、人工取样设备等标准设备。在设备结构上,如图4所示,有密封要求的区域可选用箱体式钣金结构,加上盖密封。而无密封要求的区域则选用铝材构建,轻便小巧,如图5所示。输送载体可选用同步带或胶轮两种形式,均可满足输送要求。工艺设备入口的传输单元,需配置正位机构,可采用气缸驱动,确保基板交付时的位置精度。运动控制,可采用普通变频电机或伺服电机驱动方式,其中普通变频控制需考虑在部分传输单元增加前端或侧向正位系统,以消除重复精度误差,防止基板位置偏移较多。检测和控制信号较多的区域,可就近设置快插式远程IO模块,如图6所示,由几台设备共用,光电及其它传感器信号接入远程IO模块,其与主PLC之间通过PROFINET通讯,这样既减少了现场信号接入主控制柜的接线量,同时增强了系统信号传输的抗干扰能力,也大大提升设备的模块化水平,非常便于拆装或维护检修。从成本角度考虑,IO远程模块也可以用接线端子替代,牺牲一定的便利性换取经济性。而软件部分的编写,则可以把各基本功能单元进行标准化封装,形成独立的子模块,而不同的设备可以调用标准模块,如此将大大提升软件的模块化程度,有效缩短调试周期,大大提升维护便利性。

仓储单元,则根据不同的需求和场景,可有不同的选择方案,通常有以下几大类别:在线仓储、小型离线仓储、中大型立库式仓储。在线仓储,如图7所示,通常布置于生产线某两个工艺段之间输送设备上方,以满足少量的临时缓存需求,例如10～30片基板。此类设备可采用铝材构建框架,同步带或链条机构驱动基板升降,夹爪气缸或吸盘组件搭配直线单元,用于处理基板存取。而运动控制,则建议采用伺服系统,以确保位置精度和重复精度。因设备结构简单,可独立开发。小型离线仓储,如图8所示,通常放置于某两个工艺设备之间的两侧离线区域,存储规模100片基板左右,可满足因上或下游设备停机后,未停机部分可正常生产若干小时,当然仓储箱建议设计为可更换,如此存储规模理论上可无限增大。此类设备可采用钢材和铝材相结合的方式构建,同步带机构驱动横、纵向运动,夹爪气缸或吸盘组件配直线单元,可满足基板的存取。运动控制同样建议采用伺服系统以实现高精度。因设备结构并不复杂,也可独立开发。中大型立库式仓储,如图9所示,通常是生产线的核心中枢系统,它负责衔接多道前后工序的基板流转,也承担着大规模缓存的作用。由于立体仓储规模可达到30 000片左右,且工作行程较长,最长可达100多米,高度则可达4 m等。同时,立式仓库的软件控制仅仅通过PLC逻辑控制是无法运行的,必须通过仓库管理系统(Warehouse Management System,WMS)[7]和仓库控制系统(Warehouse Control System,WCS)[8]相结合,WMS负责入库、出库、库存盘点、虚仓管理、日志管理等,并下达指令[9]。而WCS则负责调度和协调底层物流设备,如穿梭车,堆垛机等,执行仓储系统的业务流程。WMS和WCS在上架任务、拣货任务、补货任务和设备作业状态要实时交互,以指导设备设施的作业操作[10]。由于立式仓储的复杂性和专业性,可选用专业厂家定制产品来满足生产线的需求。

2.3 信息化和智能化方案

智能化是信息化发展到一定程度的必然产物,其核心是工业化和信息化的高度融合[11]。而薄膜太阳能电池生产线正是以工业化和信息化为基础建造的智能化工厂,其通讯逻辑如图10的金字塔结构。顶层ERP系统接收到客户订单后,下达生产任务,MES系统根据订单进行柔性化生产,把任务派发给设备层执行制造,并实时跟踪反馈生产信息和数据,MES系统收集海量数据整合、分析,并通过智能算法寻求最佳生产路径和生产配方,再对生产过程进行指导、修正,从而提高生产效率和质量[12]。

为匹配上述需求,对于智能化传输系统而言,需要解决两个主要问题:一是生产数据跟踪和采集,二是与MES数据交互。

数据跟踪和采集方案为:首先,以PROFINET通讯协议为规范,制定标准的“handshake”握手信号规则,开发传输系统与工艺设备的通讯接口程序[13],且传输和工艺设备双方严格恪守规则,确保基板信息可以从上游顺利、畅通地传递到下游[14]。同时,建立一套信息识别和跟踪系统,通过在所有工艺设备入口前放置读码器(DMC Reader),对基板二维码进行反复识别、确认、跟踪,而系统则保持对基板ID的跟踪记录,及其绑定的相关产品信息也一并保存记录。然后,针对传输系统可开发独立的SCADA上位系统,通过网络采集生产现场数据,对基板信息(ID、状态、位置、流向等)集中采集和监控,并制作成符合MES规范的文件保存。

与MES的数据交互,按照薄膜太阳能工厂标准,开发符合半导体行业要求SECS/GEM的接口转换软件。采用TCP/IP通讯协议,通过以太网(Ethernet)实现从生成过程执行系统到辊道控制系统的信息交互,可实现从办公室到车间集成式的管理方式。以太网的标准拓扑结构可采用总线型拓扑。为了减少冲突并提高网络速度和使用效率最大化,可使用集线器来进行网络连接和组织,拓扑结构可采用星型[15]。传输系统的通讯网络架构,可分为两个层级:1)传输控制系统PLC与所在上位系统SCADA之间通过Ethernet方式,以TCP/IP传输协议进行通信。2)上位系统SCADA与MES系统之间通过Ethernet方式,以TCP/IP传输协议进行通信。此外,若生产线配备了中大型立库式仓储系统,MES系统需要与WMS系统进行交互,仓储内部的任务则由其自身WMS系统下发和管理。

3 结 语

智能化传输系统对于薄膜太阳能电池生产线而言,起着承上启下和缓存的重要作用,既可保障其高效、连续地生产,也可在部分设备停机的状态下,仍然维持其他工艺段的生产能力,最大程度地保证产能的输出。同时,对基板的ID以及其绑定的各种关键生产指标等重要信息,实时跟踪、反馈,并与MES系统互联互通,实现无缝对接,确保了信息沟通的时效性、准确性,对后续MES指导生产、优化配方、下达任务等提供了最有力的支撑。而该文就智能化传输系统的解决方案,分别从工艺、设备、信息化及智能化多角度进行分析研究,为此类生产线传输系统地快速搭建,有非常现实的参考价值和意义。