引言
作為可再生能源的重要分支，太陽能以其清潔，相對便利的使用也得到了飛速發(fā)展，其中的硅材料太陽能電池在近幾年的發(fā)展尤為迅速。硅片清洗機是硅材料太陽能電池生產(chǎn)過程中的重要設備，通過清洗機對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)良的質量。作為一種高度智能并且功能多樣的設備，plc配合上位機的控制方式就成為這類設備的首選。
1 系統(tǒng)組成及功能
整個太陽能電池的生產(chǎn)是一個十分復雜的工藝過程，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，硅片清洗機應準備足夠的軟硬接口與erp系統(tǒng)和前后工序設備進行數(shù)據(jù)通訊以保證生產(chǎn)狀態(tài)的連續(xù)性。
硅片清洗機的控制大致分為4部分：
·機械手動作控制
·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)記錄全部存儲于上位機，上位機可以對plc進行工藝參數(shù)的上傳下載控制；并可以通過工業(yè)以太網(wǎng)接受上級設備傳送的硅片相關產(chǎn)品編號，工藝標準，工藝配方等多種信息，同時將產(chǎn)品的相關信息傳送至下道工序和erp系統(tǒng)。plc通過profibus上的外圍模塊進行模擬量、數(shù)字量數(shù)據(jù)的采集和相關執(zhí)行器件的工作控制。
2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構
2.1系統(tǒng)的組成
系統(tǒng)由上位計算機wincc、s7-400 plc控制器、外部i/o鏈路組成。wincc和s7-300之間通過industrial ethernet網(wǎng)絡連接，外部i/o、伺服驅動器、化學藥品流量儀表通過profibus總線進行連接。s7-400通過編程軟件step 7進行編程和機架模塊及profibus總線網(wǎng)絡的組態(tài)配置。
系統(tǒng)結構圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結構圖
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2.2控制系統(tǒng)的特點
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))上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)和plc(cpu-416-2dp)進行連接，利用工業(yè)以太網(wǎng)的高速特性將大量的設備實時數(shù)據(jù)從plc中讀取，同時在生產(chǎn)的任何時刻都可以高速穩(wěn)定的依據(jù)操作員的操作進行工藝配方的重新下載。具有大量數(shù)據(jù)的多個工藝配方存儲在上位機的硬盤中，其數(shù)量只取決于pc機硬盤的內存空間，任何時刻plc只運行唯一的工藝配方。這樣可以大大節(jié)省plc的內存空間。各種設備的實時狀態(tài)通過高速以太網(wǎng)從plc迅速及時地傳回上位機，通過wincc的報表系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)分類存檔，供erp及下游下設備進行訪問。plc通過profibus的各種外設i/o、伺服驅動器、流量計收集各種設備狀態(tài)并對設備進行控制。
(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的大容量運算內存，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。強大的自診斷功能可以幫助現(xiàn)場調試人員迅速的找到故障點并及時解決故障，通過擴展ip功能模塊cp-443-1，cpu 416-2dp實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)接口功能，使系統(tǒng)的實時通訊能力大大加強。
(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，而是選擇了德國倍福公司的分布式i/o模塊，主要原因是同樣點數(shù)的分布式系統(tǒng)，倍福公司的現(xiàn)場總線端子具有更緊湊的布局和更強大的功能。
通過現(xiàn)場耦合器的一次簡單運算可以幫助cpu完成一些基本的數(shù)學、邏輯運算，這樣大大減輕了中央處理器的運算量，使系統(tǒng)的反應速度大大提高。其總線端子對模擬量的處理也有其閃光之處，強大的故障診斷功能，短線保護的精準判斷，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性都是選擇其作為現(xiàn)場基礎總線端子的原因。
(3)上位機系統(tǒng)
系統(tǒng)上位機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的上位機軟件，用于開發(fā)和運行人機界面的應用程序。scada系統(tǒng)用來顯示輸送系統(tǒng)狀態(tài)/報警信息。操作員可以憑此監(jiān)視和控制設備的運行。
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scada系統(tǒng)經(jīng)由industrial ethernet網(wǎng)絡經(jīng)由cp-443-1和cpu-416-2dp交換系統(tǒng)信息。scada 系統(tǒng)主動從plc取得信息，而plc是被動的，也就是說，當一個事件產(chǎn)生時，plc不會主動的發(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實現(xiàn)事件信息記錄和報警功能。
(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)對話框。
2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡設置
系統(tǒng)所使用的profisbus是一個實時的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡，用于高速傳送實時的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)場總線，各種各樣的自動化設備均可通過同樣的接口交換息，適用于傳輸中小量的數(shù)據(jù)。其物理傳輸介質可以是屏蔽雙絞線、光纖或無線傳輸。而工業(yè)以太網(wǎng)是為工業(yè)應用專門設計的，而且已經(jīng)廣泛的應用于生產(chǎn)和過程自動化，適用于大量的數(shù)據(jù)傳輸和長距離通信。其物理傳輸介質可以是同軸光纜、雙絞線、光纖或無線通信。西門子工業(yè)以太網(wǎng)可以將控制網(wǎng)絡無縫集成到管理網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)。本例就是如此。
通過西門子step 7的netpro網(wǎng)絡組態(tài)軟件進行profibus現(xiàn)場總線的組態(tài)配置，通過被組態(tài)器件廠家的gsd說明文件可以很方便的將其進行組態(tài)，經(jīng)過簡單的參數(shù)設置就可以完成系統(tǒng)的組態(tài)。在實際編程中設計人員可以將伺服驅動器、遠端閥島、流量計的參數(shù)可控制指令當作簡單的數(shù)字量、模擬量進行編程，大大的簡化了設計人員的勞動強的，縮短了設計周期。
上位機的網(wǎng)絡組態(tài)通過wincc和西門子公司的simaticnet軟件實現(xiàn)對industrialnet支持，通過固定ip地址對plc，erp客戶機上、下游幾臺客戶機等ip站點的訪問。和相關客戶機歸檔數(shù)據(jù)的傳輸通過opc控件的使用實現(xiàn)，這大大減輕了程序員編程的時間；通過wincc自定義的通訊協(xié)議及外部變量實現(xiàn)同plc的實時通訊。
3 控制系統(tǒng)工作描述
上游設備在載片籃隨傳送帶傳送至清洗機上料臺后，其上位機會將相關工藝選項號，加工號，批號等基本信息通過工業(yè)以太網(wǎng)實時傳送給清洗機的上位機，清洗機上位機通過工藝選項號從硬盤數(shù)據(jù)庫中調出相應配方并將其通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送至plc。
plc在接到新的配方并進行確認后進行與設工藝流程。設備分為多種清洗槽，每個槽又可以實現(xiàn)一個或多個清洗功能，其工作順序由配方?jīng)Q定，在清洗槽中的水溫按照預設的配方工藝進行加溫并保持，其pid控制使用西門子系統(tǒng)pid功能塊實現(xiàn)。在清洗過程中水流的循環(huán)流速是通過水泵的變頻控制器實現(xiàn)的，變頻控制器的輸出頻率由plc按照配方要求運算后，通過profibus總線傳送，變頻器的狀態(tài)和實際輸出頻率通過plc的系統(tǒng)功能塊進行定期讀取。機械手的位移是通過festo公司提供的s7功能塊運算控制，控制方法是位置控制，通過將各槽的裝、卸載位置通過相應功能的運算后傳送給伺服控制器控制伺服電機運轉，在程序里對機械手的狀態(tài)進行控制和監(jiān)視。反應時間、所使用的配方、工藝選項號、工號、批號通過opc模塊傳送給相關客戶機。整個控制協(xié)調流暢，從而完成高度的自動化任務。
4 結束語
本系統(tǒng)是高度集成自動化系統(tǒng)，綜合了plc控制、計算機、網(wǎng)絡信息和現(xiàn)場總線技術.。特別是對通信有較高的要求，同時通信一直是工業(yè)控制中的一大難點，本系統(tǒng)正是利用了西門子公司提出的ti(totally integrated automation：全集成自動化)技術較好地完成了控制。從而也證明tia技術的成熟和完善。相信隨著國家對信息自動化產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展，對自動化裝備要求會越來越高，肯定會有越來越多的高度集成自動化系統(tǒng)設備面市。本系統(tǒng)于2004年7月投入運行，目前，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。為公司創(chuàng)造了較大的社會效益和經(jīng)濟效益。
（轉載）
