太阳能电池智能工厂分析

文/刘 刚，查辰坤，王佳心 上海哥瑞利软件股份有限公司

随着工业4.0的推进，太阳能行业也加入到了数字化工厂转型中，本文分析了太阳能电池智能工厂建设中数据采集的重要性。

智能化工厂的认知

（1）智能制造的“过程论”

“过程论”是智能制造最流行的一种观点，它从生产技术角度对智能制造加以理解，是一种基础性理解。这种观点的核心是生产过程的智能化，目的在于通过先进制造技术、互联网、物联网、大数据和云计算等技术手段改进生产工艺、降低生产成本、提高生产效率。智能制造主要聚焦制造产业链的生产制造环节，侧重于实现生产手段的智能化。

（2）智能制造的“产品论”

“产品论”是从产出物质性质角度对智能化的理解，是一种中间层面的理解。这种观点认为智能制造最终是产品的智能化，目的在于提供智能化产品（包括智能化工业品和智能化消费品）。当前火热的智能硬件就是典型例子。在这种观点下，生产过程的智能化不能导致产品智能化，就不能认为是智能制造。这种观点称为“制造智能”。

（3）智能制造的“系统论”

随着认识的深入，“系统论”观点日益得到大家的认可。这种观点是从产业链和创新链的系统角度对智能制造加以理解。该观点认为，企业的智能制造不只是生产制造环节的智能化，也不只是最终产品的智能化，而是涵盖产业链和创新链所有环节，涉及企业战略、运营、组织功能，超越传统硬件和装备的开放式系统。更具体地讲，系统化的智能制造至少包括需求个性化、设计智能化、制造智能化、物流智能化、销售与服务智能化等关键环节，这种观点概括为“系统智能”。

太阳能行业智能化现状

国际半导体制造领域，晶圆追踪管理系统均采用城市信息模型（Computer Integrated Manufacturing，CIM）系统，以实现工厂自动化（Factory Automation，FA），来最大限度提升制造能力。目前，国产太阳能设备与设备之间，设备与管理机之间无法共通交流，有部分设备之间可以互联通信但是没有统一的通信标准，这是国内设备目前普遍存在的问题，这种问题限制了国产太阳能设备的国际竞争力以及未来全自动成套设备的兼容性和整线自动化水平，并影响太阳能电池片生产商的采购决策。而国际一流生产厂商设计的太阳能生产设备已经形成统一的准入接口标准。协议规定光伏生产线设备必须在生产运行期间与工厂主机保持密切联系，以接收来自主机计算机的控制或查询，并且能够及时回应主机的指令，回报执行的结果，除此之外，也要主动回报目前设备的运行情况以及异常情况。

以应用材料为例，现在的太阳能国外厂商使用的是SECS/GEM协议、日本YAC厂商使用了三菱MC协议，他们做出了预留口以及二次开发的接口，使设备更好地融入到数字化生产车间。

其他行业也有成熟的数字化接入方式，半导体行业使用了SECS/GEM通信协议用于数字化工厂的通信，液晶面板行业与PLC通信使用的CC-Link IE、EIP协议、Fl-net 协议、MC协议，整厂生产将会是统一的通信协议，太阳能行业工厂有很多协议，如西门子S7协议、Modbus协议、OPC协议、ADS协议和EIP协议等，这些协议将会使实施和维护增加很大的成本。

图1 太阳能组件成品

太阳能行业数字化接入在实施中需要通过中间件进行统一连接设备，使用KAPWARE进行连接各种PLC协议，从EAP系统转换为OPC，上层进行统一，下面设备出现问题维护时需要专职人员进行排查。

要解决这个问题就需要从业人员具有专业性，比如苏州迈为，他们在HJT生产线使用整线交付的方式，自动化设备和主设备均是自己生产，这样将会统一使用通信协议，EAP/MES将会根据这种协议完成规格书的编写。另一方面是工厂需要提高对行业的理解，不要将其他行业中出现的数据、报表等移植到太阳能行业，需要从自身出发，提取出自己需要的数据，比如生产的产量是否要对产品质量让步、品质部对关键数据的把控、设备部对设备布局厂区layout的设计以及CIM部门的技术人员对设备数据采集的评估等。

太阳能电池数字化工厂实施

太阳能电池数字化工厂的建设包括很多环境，如工厂场地的规划、设备在工厂中的layout、网络规划、产量规划、能耗规划和系统规划等。EAP是整个太阳能数字化工厂实施的基础，EAP是和设备直接对接，采集第一手数据的系统，只有EAP系统稳定、数据采集齐全，才能使后续的系统有数据保证，因此数字化工厂EAP的数据采集尤为重要。

（1）需求收集

需求收集主要有两部分，第一部分是来自上层MES的需求，这个需求是需要采集设备的数据根据定义的格式报给MES，这些数据涉及到将来报表展示、自动控制和产品质量控制等，这个需求是必须实现。另外的需求收集是设备方面，现在国内设备厂商大部分都包含部分MES功能，这时需要调研设备的通信协议、设备PLC型号和设备提供的PLC数据，包括设备的地址位、设备的制程参数等。

（2）参数收集设计

设备数据收集包括共通数据和特殊数据。共通数据包括设备状态、报警收集、工艺参数收集、CIM提示信息、人员登录登出管理、设备连线状态、NG产品踢片、上下游传递产品和过账信息等。

设备状态收集是为了更好地了解设备的运行状态，通过运行时间计算出设备的稼动率，提高设备的利用率。

报警信息的收集是为了在报表和数据处理的过程中分析出设备集中报警的信息。收集此消息可以根据集中报警的信息调整设备，提高设备的使用率，在做设备保养、备件管理时提供数据支撑。

工艺参数收集主要是指在设备开始生产的时候采集生产当前产品使用的配方，通过采集生产配方可以通过生产的产品良率进行有效调整，也可以为工艺人员调整参数提供可参考的数据。

CIM提示信息是在设备生产过程中，MES检测到产品不符合生产、产品不正当生产时下发信息，提示操作人员应该如何调整，在生产过程中将检测设备的结果上报给系统，一些低于或高于产品设定范围的产品将不会继续生产，同时提示现场操作人员需要适当调整设备参数时，也可以使用此消息提示。

人员登录登出主要是设备触摸屏权限管控，设备的触摸屏中包含很多重要功能，比如配方参数的修改，设备停机等功能，这些功能要专业的人员进行操作，必须进行人员登入登出控制。

过账信息收集是整个生产过程尤为重要的环境，了解产品经过了哪个设备，在设备哪个单元进行的加工等，便于后期人员查看设备制程能力，也可以更好地查到设备的性能。例如A设备良率99%以上，B设备生产的产品良率95%，通过过账功能，再根据工艺参数排查问题，查到这些信息有助于提高设备良率和产量。

设备连线状态主要是查看设备是否在可控状态。上下游设备传递产品，这个功能主要是防止在生产过程中下游或者上游突然断线时对产品的破坏，有这些信号的保护能够更好地保护产品不被设备问题破坏。

NG产品的踢片主要是防止不良产品对正常产品的污染，正常生产过程中产品不会一成不变，肯定会有某些产品加工过程中出现偏差，这些偏差的产品就需要隔离处理，不能影响正常产品的生产，因此需要把NG品剔除，并且也可以让生产人员根据NG品追溯出问题的原因，也可以及早发现隐藏的设备问题，防止出现大面积不良产品。

特殊参数收集包括生产温度、生产洁净度和生产时设备电流等。

在生产过程中环境因素是较大的影响，生产环境中温度对半导体（太阳能电池）影响较大，在制绒和扩散生产线主要是利用分子的扩散运动实现，分子的扩散运动取决于温度的影响，温度越高分子运动越快，因此在生产中也要采集环境温度。

生产的洁净度是指生产车间的洁净度，车间的粉尘会对镀膜造成很大的影响，在镀膜工艺中膜厚大约是四分之一波长，这时如果粉尘在产品表面附着将会影响镀膜的质量，因此生产洁净度也很重要。

生产电流会影响设备正常运行以及各种开关的打开关闭。

图2 太阳能电池片成品

（3）设备测试

在设备测试中首先要求设备安装规格书编辑软件，其次要求从业人员具备专业的知识和对规格书非常了解，还要熟知各种通信协议，以应对测试过程中出现的各种问题。

总结