基于西门子PLC平台的非晶硅电池制造装备

非晶硅电池生产的pvd工艺主要用来制作太阳能电池板的背电极，它对整个电池产品的质量起到非常重要的作用，因此对pvd设备的控制要求也相对较高。

1  引言

太阳能作为绿色清洁能源有着广泛的应用前景和发展潜力。目前国内太阳能行业正在蓬勃发展，主要以单晶硅，多晶硅，和非晶硅产品为主。其中非晶硅产品以价格低廉，污染小，制造成本低等优点受到广泛关注。对非晶硅太阳能电池的制造设备的需求也在不断增加。包括等离子体化学气相沉积设备(pecvd)和物理气相沉积设备(pvd)下文称pvd等主要设备。本文提供了用西门子的s7-300和wincc作为pvd控制系统的方案。

wincc即windows control center(视窗控制中心)，是一个功能强大的全面开放的上位机监控系统，既可以用于小规模简单的过程监控，也可以用于复杂的工控领域。

simatic s7-300系列可编程控制器是西门子全集成自动化控制系统中的控制核心，是其集成与开放特性的重要体现，该系列稳定、可靠和故障率低，在全球自动化的各个领域有着广泛的应用和成功经验。

2  项目背景

北京经济技术开发区的北京精诚铂阳光电设备有限责任公司，隶属于铂阳太阳能技术控股有限公司(“铂阳”)。该公司专注提供经过验证的大规模薄膜太阳能电池生产设备及整套生产线。公司由专注太阳能业务的apollo precision limited在2009年11月在香港上市。其太阳能业务由一支行业领先的技术团队来领导，在薄膜技术，真空处理及精密制造方面有着丰富的经验，可为客户量身定制具有广泛应用的整线方案及设备，产品组合包括：独有的等离子体增强化学气相沉积设备，用于光伏层的沉积。独有的磁控溅射设备，用于沉积导电电极层。自动化整线服务，经集成的成套薄膜太阳能电池制造系统。

3  工艺自动化系统设计

3.1 pvd工艺

pvd是英文physical vapor deposition(物理气相沉积)的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。pvd技术出现于二十世纪七十年代末，制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。

非晶硅电池生产的pvd工艺主要用来制作太阳能电池板的背电极，它对整个电池产品的质量起到非常重要的作用，因此对pvd设备的控制要求也相对较高。pvd设备要求将铝或氧化锌等背电极材料通过磁控溅射的形式镀到电池片上，并能根据生产工艺的要求对溅射电源的功率、传动速度、溅射压力以及气体流量等工艺参数进行调节。

3.2 控制系统

整套控制系统由8部分组成：(1)真空控制单元；(2)传动控制单元；(3)流量控制单元；(4)电源控制单元；(5)测试检验单元；(6)数据采集单元；(7)真空测量单元；(8)烘烤加热单元。

(1)真空控制系统：该系统包括分子泵、机械泵、罗茨泵、干泵和若干真空阀门。其中分子泵要求读取转速和状态等参数因此采用profibus控制方式。

(2)传动控制系统：每个真空室和进出片架上都有传动电机，多个电机每个电机由一个变频器独立控制。要求对变频器的开关进行控制，状态进行读取，频率进行设定。因此采用profibus控制方式。

(3)流量控制单元：要求对质量流量计的当前流量进行读取，并能够设定工艺流量。采用高精度的模拟量输入和输出模块可以实现所需功能。

(4)电源控制单元：要求对8台直流溅射电源的开关进行控制。读取当前的功率值、电流值、电压值，并选择控制方式，送设定值。因此选择profibus控制方式实现所需要求。

(5)测试检验单元：镀膜工艺结束后。通过测试电池片上的电阻来检验镀膜的厚度和质量。以稳压电源为标准将采集到的模拟信号接入plc进行计算通过wincc控制界面显示出来供工艺人员实时调节工艺参数。

(6)数据采集单元：安装条码枪通过rs485通讯方式将电池片上的条码读到plc中。再由plc将条码和电池片的相关参数传给wincc。由wincc建立一个txt文本保存这些工艺参数，并将这个文本发送到指定的文件夹中供ems(生产制造执行系统)采集。

(7)真空测量单元：由高真空计和低真空计以及负责工艺真空测量的薄膜规组成。采用高精度的模拟量输入模块将这些模拟量信号采集进入到plc，再由plc进行计算处理将算好的真空度值实时的发送给wincc进行显示。

(8)烘烤加热单元：由热电偶、温度控制表、可控硅模块、碘钨灯组成的三路独立的闭环pid控制系统。采用rs485的通讯方式将温度的当前值发送到plc再由plc将设定的温度值送到温度控制表中。

非晶硅电池生产的pvd工艺监视画面如附图所示。

附图 pvd工艺监视画面

4  系统实现与调试

4.1西门子方案选择依据

由于设备中对泵、电源、变频器的要求较高。需要传递的参数和信息很多，且要根据工艺的变化作出实时的调整。故采用profibus总线的方式来实现需求。profibus通讯速度快最高可到12m使用灵活(可根据gsd文件灵活选择所需功能块)支持从站数量多且应用广泛目前很多产品都支持该总线。

由于系统中profibus从站较多，所以选择2dp类型的cpu，又由于对通讯速率，系统循环周期以及工作内存等的要求较高故采用cpu317。

采用cp340通讯模块来实现rs485通讯。分担了cpu的一部分工作。提高了plc整体的工作效率，确保了通讯的可靠性。

wincc7.0亚洲版软件相对于wincc6.0在各个方面都有很大的提高和改进。支持vbs和c语言给编程提供了很大方便。同时支持对api函数和控件的调用提供了很大功能扩展空间。将来可以方便得组成cs系统。通过安装wincc的各种配套附件如databridge，webnavigate，datamonitor。方便的扩展联网和数据采集发布功能。

采用cp343以太网通讯模块使上下危机之间的通讯速率达到了100m，实现了数据的快速交换确保了控制的实时性。

西门子plc的可靠性和稳定性确保程序正常运行保证设备按照设定好的工艺参数生产出合格的产品。

项目中使用的西门子自动化产品的型号、数量、类型、何种控制对象如附表所示。

附表  目中使用的西门子自动化产品数据

4.2 项目调试

在编程中将各个系统编制成fb和fc功能块方便分开调用。由于需要控制的量很多所以在使用m区地址和定时器计数器时要额外注意不能冲突。实际调试时因为需要控制的东西很多所以要按照一定步骤顺序调试。只有前一步的调试完成了才能进行后面的调试工作。例如先调试阀门和泵。在调试电源和流量计最后才能溅射起辉光调试工艺自动。调试自动步骤时由于好多信号仿真起来不太方便所以只能现场全部接好线手动都调试完后最后再进行自动调试。

4.3 项目运行

pvd设备经过出场调试以及客户现场调试。满足工艺运行的要求，验收合格。经过一年多的正常使用没有大个故障及问题。已经累积生产完成电池片30万片。取得了客户的一致好评。为客户盈利以及清洁能源的普及做出了贡献。

5  结束语

通过对西门子s7-300以及wincc的应用，作者充分体验到西门子全集成自动化理念的先进性能。熟练掌握了s7-300系列plc组态和集成开发技术。对于s7-300的更高级的功能如higragh编程、cba通讯、系统自诊断、各种fb、fc功能块等还有待进一步了解和掌握。

西门子的产品和软件对于没有基础的人来说上手不是很容易，但是其本身强大的功能以及可开发和扩展的功能十分有帮助。西门子plc体系的自顶向下的软件工程开发体系对于大型复杂系统的编程时效，是常规的plc线性编程流程无法比拟的。

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