在线式多晶制绒清洗设备软件控制系统设计与实现

高丽颖，胡彩丰，王 达，李建国，杨 浩，王青松，曹志刚，李 凡

(北京七星华创电子股份有限公司，北京 100015)

在线式多晶制绒清洗设备是晶体硅太阳能电池生产线上用于硅片表面形成绒面，提高光电转换效率，并进行表面清洗，去除表面颗粒和金属离子污染的关键技术设备。本文主要介绍在线式多晶制绒清洗设备软件控制系统的设计与实现，该软件控制系统可以实现对在线式多晶制绒清洗设备的手动和自动控制、工艺药液配方、数据实时和历史曲线、实时监控、报警处理、设备维护、用户权限管理等功能。下面将具体介绍设计中采用的四层软件设计框架、各个功能模块的功能和与底层通信的开发。

1 设备硬件平台

在线式多晶制绒清洗设备整体结构复杂，从设备功能上可分为9个工位用以实现制绒工艺，各个工位在机械结构设计和功能相对独立，彼此耦合性低。据此特点，在线式多晶制绒清洗设备的硬件平台搭建采用如图1所示。

图1 在线式多晶制绒清洗设备硬件平台

在线式多晶制绒清洗设备上位机采用BECKHOFF的C系列工控机配19英寸触摸显示器作为管理操作平台，PLC逻辑处理单元采用施耐德PLC。整个控制系统共有11个从站（3台施耐德的伺服驱动器，6台施耐德的变频调速器，2个阀岛），30余个远程I/O模块。为保证系统反应及时迅速、运行稳定可靠，具有远程调试诊断功能，并为工厂自动化预留标准接口，系统采用了CANopen的高速现场总线通讯网络来构建整个控制系统，上位机与PLC连接采用工业以太网Ethernet接口。

在线式多晶制绒清洗设备软件控制系统安装于上位机，完成对整个在线式多晶制绒清洗设备各个功能工位的任务调度、参数显示与控制、实时监控、报警处理、设备维护等功能，保证系统的安全性、稳定性和可扩充性。

2 软件控制系统设计与实现

软件控制系统以Visual C++的MFC为开发平台，根据设备自身特点，该软件系统采用四层结构、八大功能模块，设计开发了适用于工业以太网接口的MODBUS底层通讯协议。实现了对整个设备各个功能工位的手动、自动控制、实时监控、用户权限管理、历史实时曲线显示等功能，实现了大量数据的采集、设定、各种控制命令的协调和处理，保证设备稳定可靠运行。

2.1 软件结构设计

在线式多晶制绒清洗设备软件控制系统的层次结构设计如图2所示，整个软件控制系统采用四层结构：

（1）界面显示层：人机交互界面，用户通过此界面能够实现对整台设备的监控、操作、查看设备报警、报警历史记录和用户操作日志，查阅设备重要数据的历史记录（历史记录可以图形化的方式显示），对设备用户操作权限进行设置等功能。

（2）中间控制层：主要包括八大功能模块：总监控模块、系统监控模块、手动维护模块、配方设置模块、曲线模块、报警模块、日志管理模块和用户权限管理模块。

（3）数据解析交换层：用于分析处理从设备硬件采集的所有数据，解析中间控制层命令信息。

（4）底层通讯：负责上位机软件控制系统与PLC逻辑处理单元通讯。

图2 软件控制系统结构图

2.2 软件系统功能实现

本软件控制系统主要由8个主要功能模块组成。其中，总监控模块、系统监控模块、手动维护模块、配方设置模块需要调用资源管理器来实现软件系统界面的显示，资源管理器主要实现对软件系统界面的初始化和更新操作；总监控模块、系统监控模块、手动维护模块、配方设置模块、曲线模块、报警模块都需要对数据解析交换层交互数据；日志管理模块和用户权限管理模块需要与数据库进行交互；配方设置模块、曲线模块和日志管理模块需要对文件管理器操作，文件管理器主要实现文件（配方文件、初始化参数文件、历史记录文件、报警记录文件、操作日志记录文件）的维护。

(1)总监控模块：显示设备整体信息，实时显示九个工位模块工作状态及重要信息，以便用户把握设备整体状态。

(2)系统监控模块：系统监控模块用于分别显示每个工位的详细信息，在此可以查看每个工位的运行状态、电机速度、温度、流量计和电导率等各类信息；查看每个工位模块的实时报警，实时曲线。

(3)手动维护模块：手动维护模块用于用户手动操作每个工位，对每个工位模块需要控制的信息进行设定。

(4)配方设置模块：负责对配方文件和用户命令进行检查、解释、执行，同时返回配方执行状态信息。用户通过配方设置模块可以新建、编辑、修改、下载、重载、保存、另存配方功能，并对用户对配方的操作予以记录。

(5)曲线模块：曲线模块用于以图形化的方式显示设备运行过程中的重要数据，可以按选定时间段显示数据，并可实现曲线的放大功能。

(6)报警模块：报警模块用于显示设备所有报警信息及历史报警信息。

(7)日志管理模块：日志管理模块用于记录用户对设备进行的操作，主要记录用户对设备配方的操作及重要操作信息。

(8)用户权限管理模块：用户权限管理模块用于登陆、退出系统和管理设备操作人员的权限，用户权限分级和功能分配开放给管理员，由用户根据需要任意定义管理。

2.3 底层通讯开发

在线式多晶制绒清洗设备采用施耐德PLC为逻辑处理单元，该PLC具有32位CPU中央处理器，具有响应时间快，逻辑程序开发简单易用，运行稳定，多种内置通讯端口，可扩展性强等特点。本系统外围硬件多，结构复杂，需要采集控制的对象多且种类广泛：如流量、温度、速度、传导、电机、阀门、泵等，需分析处理的数据量多达上千个，并能够实时响应复杂及大量的指令，故对上位机软件控制系统与PLC逻辑处理单元通信的速度和准确度有极高要求，通信的设计在此尤为重要。本软件系统与PLC通讯的程序流程如图3所示。

图3 软件系统与底层PLC通讯程序流程图

该系统将对PLC数据发送和采集的操作放入同一线程，内部互锁，以避免对PLC同时进行读写操作时出现不可预知错误。

系统上位机与PLC连接采用工业以太网Ethernet接口，设计开发了适用于工业以太网Ethernet接口的Modbus协议软件。该协议软件运行在W indows XP操作系统，以动态链接库的形式提供给软件控制系统调用。其主要特征：

●支持基于Ethernet接口的Modbus通讯协议应用。

●RTU传输模式。

●支持Modbus功能码操作，包括对离散开关量的位操作、对单个及连续寄存器的字节操作。

●适用于实时的工业应用。

3 关键问题分析

本软件控制系统在设计过程中遇到如下问题：软件需要控制采集来自PLC逻辑处理单元外接设备的数字和模拟量数据量大，种类多，PLC寄存器地址分配较为分散；同时，软件需要实时更新所有数据及响应设备各类输出信号，底层通讯读取大量PLC寄存器地址值，而有效数据仅占采集数据的1/3，冗余数据的合理处理成为关键[3]。本系统利用数据挖掘中的聚类技术[4-6]，建立以与任务相关的属性归纳为归纳关系，设计了对有效数据的索引映射，将映射关系以文件的形式存储于硬盘文件中，进入本系统软件后，将映射关系文件内容读入内存，以此分析过滤所有实时采集自PLC的数据。实践证明，该方法有效地过滤了冗余数据，提高了程序的运行效率和准确性。

4 总 结

本文介绍了在线式多晶制绒清洗设备软件控制系统的设计过程。层次化和模块化的设计思想使软件控制系统具有很好的扩展性和富用性。实践证明，该软件控制系统工作性能稳定、交互界面友好、易于操作、具有较强的可扩展性。

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