本文結合非晶矽太陽能電池整線製造工藝控製係統的特點，以福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池製造係統為例介紹了西門子S7-300和WinCC控製係統的應用情況，並對一些關鍵技術和引領行業發展方向的控製理論做深入探討。
摘要：
太陽能發電（光伏）與風電、hediandengtongweibeishijiegongrendeweilaixinxingnengyuanquxiang，suizhehuanbaoyaliyuelaiyueda，taiyangnengzuoweilvseqingjienengyuanzhengzhujianbeishichangjieshou，kaishixianxianjudadefazhanqianliheyingyongqianjing。muqianguoneitaiyangnengxingyezhengchuyupengbofazhanqi，zhuyaofendanjinggui、duojingguihefeijingguidengbutongdedianchileixing，zaizhenggetaiyangnengdianchijiazuzhong，feijingguibomotaiyangnengdianchiyinweiqijishuheyingyongfangmiandeyoushi，zhengzaihuodebaofaxingzengchang。2007年以來年行業增速超過100%，非fei晶jing矽gui產chan品pin以yi價jia格ge低di廉lian，汙wu染ran小xiao，製zhi造zao成cheng本ben低di等deng優you點dian受shou到dao廣guang泛fan關guan注zhu，對dui非fei晶jing矽gui太tai陽yang能neng電dian池chi的de製zhi造zao設she備bei的de需xu求qiu也ye在zai不bu斷duan增zeng加jia。福fu建jian鈞jun石shi能neng源yuan有you限xian公gong司si做zuo為wei國guo內nei非fei晶jing矽gui太tai陽yang能neng電dian池chi行xing業ye的de領ling軍jun企qi業ye，專zhuan業ye從cong事shi非fei晶jing矽gui太tai陽yang能neng電dian池chi及ji其qi應ying用yong產chan品pin以yi及ji生sheng產chan設she備bei的de設she計ji開kai發fa、製(zhi)造(zao)和(he)銷(xiao)售(shou)，在(zai)薄(bo)膜(mo)技(ji)術(shu)，真(zhen)空(kong)處(chu)理(li)及(ji)精(jing)密(mi)製(zhi)造(zao)方(fang)麵(mian)有(you)著(zhe)豐(feng)富(fu)的(de)經(jing)驗(yan)，可(ke)為(wei)客(ke)戶(hu)量(liang)身(shen)定(ding)製(zhi)具(ju)有(you)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)整(zheng)線(xian)方(fang)案(an)及(ji)設(she)備(bei)，產(chan)品(pin)組(zu)合(he)包(bao)括(kuo)：獨有的等離子體增強化學氣相沉積設備，用於光伏層的沉積；獨有的磁控濺射設備，用於沉積導電電極層；自動化整線服務，經集成的成套薄膜太陽能電池製造係統。在整線製造工藝的關鍵流程等離子體化學氣相沉積設備（PECVD）和物理氣相沉積設備（PVD）的自控環節，西門子S7-300和WinCCzuoweichengtaobomotaiyangnengdianchikongzhixitongdejiejuefangan，zaidapiliangdeyingyongzhongtixianchuwending，kekaoheguzhanglvdidetedian，baozhangcujinlefujianjunshinengyuanchengtaobomotaiyangnengdianchidefeisufazhan。
本文結合非晶矽太陽能電池整線製造工藝控製係統的特點，以福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池製造係統為例介紹了西門子S7-300和WinCC控製係統的應用情況，並對一些關鍵技術和引領行業發展方向的控製理論做深入探討。
行業概述：
太陽能發電是一種公平的、無汙染的、絕佳的傳統能源替代品。隻是局限於科技水平的現狀，特別是儲能（電池）技術的現狀，造成其發電成本過高（超過上網電價），jiazhidangqianyingyongbijiaoguangfandeshangyoutaiyangnengdianchibanshengchandezhuyaoyuancailiaoduojingguizaishengchanjiagongguochengcunzaiwuranhuanjingdewenti，shidetaiyangnengdefazhanshoudaoyixiezuli。guangfutaiyangnengfadianbanjiangtaiyangnengzhuanhuanchengdianli，jingtiguijishushiguangfugongyeshiyongdeyuanshicailiaojishu。chuantongdejingtiguitaiyangnengfadianbanshouxianbeiguangfanyingyongyutaikongweixingshang，zhezhongtaiyangnengfadianbanshiyongzhubufanfu，piliangshengchandegongxucongdanjingguihuoduojingguidexiaojingpianzhizaoercheng。suiranzhezhongjishudekaifayiqudehendadejinzhan，danshijingtiguangfufadianzujiandechengbenhaishiyinweicailiaodechengbenyijishengchanzhezhongfadianzujiansuoxudefansuogongyierchixujugaobuxia。jingtiguitaiyangnengfadianzujiantijipangda，rongyiposuierqieshengchanhaonenggengduo。shengchantaiyangnengfadianbandelingyizhongbomojishushiyongdaojinshuge，zhezhongjishusunhaihuanjingerqiezaishengchanguochengzhongjishouhoufuwushangdouxujiduodeguanliweihu。
從目前國際太陽電池的發展過程中看，其趨勢大致為單晶矽、多晶矽、帶狀矽、薄膜材料（包括微晶矽基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。而最後的“薄膜材料”（薄膜電池）正是業內對以單晶矽和多晶矽為主原料的太陽能電池的更新換代。一些薄膜電池中已經徹底放棄了對多晶矽的應用，從而解決了“環保技術不環保”光伏上遊多晶矽生產過程中存在的汙染問題。相比於傳統晶體矽電池，非晶矽薄膜太陽能電池具有以下優勢：
1、生產成本低：非晶矽薄膜太陽能電池的生產成本相比晶體矽電池的生產成本具有無可比擬的優勢；
2、能量返回期短：轉換效率為8%的非晶矽太陽能電池，其生產用電發電後收回上述能量的時間僅為1-1.5年；
3、適於大批量生產：采用大麵積多疊成矽基薄膜電池的規模生產，生產方式具有自動化程度高、生產效率高的特點；
4、高溫性能好：當太陽能電池工作溫度高於標準測試溫度25℃時，其最佳輸出功率會有所下降，非晶矽太陽能電池受溫度的影響比晶體矽太陽能電池要小得多；
5、弱光響應好，充電效率高：非晶矽材料的吸收係數在整個可見光範圍內，在實際使用中對低光強光有較好的適應；
6、薄膜柔性特質，適用性好：傳統矽晶電池存在電池主體易破碎、攜帶不便、抗震能力差等缺點，非晶矽薄膜太陽能電池所具有的柔性特質，決定了其比傳統矽晶電池的應用更廣泛。
上述獨特的技術優勢，令薄膜矽電池在民用領域具有廣闊的應用前景，如光伏建築一體化、大規模低成本發電站、太陽能照明光源等。
當然非晶矽薄膜太陽能電池產業化過程中最大的阻力就是難以提高太陽電池的光電轉換效率，相比於多晶矽太陽能電池高達22％~27％的轉化率，福建鈞石領先於業界的非晶矽薄膜太陽能電池工藝技術當前階段也隻能達到8%的轉化率，雖然最新的工藝有望達到10%的轉化率，但相比多晶矽太陽能電池來講還是存在不小得差距。
關於鈞石能源：
福建鈞石能源有限公司是國內非晶矽薄膜太陽能電池僅有的至今成功交付150＋MW成熟整線生產方案的供應商，公司專業從事太陽能電池及其應用產品以及生產設備的設計開發、製造和銷售。公司在泉州、北京、天津設有太陽能電池研發中心、太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)設(she)備(bei)研(yan)發(fa)中(zhong)心(xin)和(he)工(gong)程(cheng)中(zhong)心(xin)以(yi)及(ji)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)生(sheng)產(chan)基(ji)地(di)。企(qi)業(ye)彙(hui)聚(ju)了(le)一(yi)大(da)批(pi)國(guo)內(nei)外(wai)知(zhi)名(ming)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)和(he)管(guan)理(li)專(zhuan)家(jia)，並(bing)與(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)薄(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)領(ling)域(yu)國(guo)際(ji)權(quan)威(wei)的(de)南(nan)開(kai)大(da)學(xue)光(guang)電(dian)子(zi)研(yan)究(jiu)所(suo)緊(jin)密(mi)合(he)作(zuo)，擁(yong)有(you)薄(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)領(ling)域(yu)多(duo)項(xiang)技(ji)術(shu)專(zhuan)利(li)，技(ji)術(shu)開(kai)發(fa)能(neng)力(li)屬(shu)於(yu)同(tong)行(xing)業(ye)領(ling)先(xian)水(shui)平(ping)，公(gong)司(si)定(ding)位(wei)於(yu)成(cheng)為(wei)世(shi)界(jie)上(shang)最(zui)大(da)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)薄(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)生(sheng)產(chan)企(qi)業(ye)之(zhi)一(yi)。
福建鈞石能源有限公司的設備與技術帶有多項行業領先的創新設計，使大麵積多疊成矽基薄膜電池的商業規模生產成為可能。
福fu建jian鈞jun石shi提ti供gong的de自zi動dong化hua整zheng線xian生sheng產chan係xi統tong，具ju有you高gao效xiao的de產chan出chu率lv，高gao穩wen定ding運yun行xing及ji較jiao低di的de設she備bei維wei修xiu費fei用yong。該gai係xi統tong向xiang客ke戶hu提ti供gong業ye界jie生sheng產chan薄bo膜mo矽gui太tai陽yang能neng電dian池chi最zui佳jia性xing能neng和he最zui低di每mei瓦wa生sheng產chan成cheng本ben的de設she備bei，為wei客ke戶hu訂ding製zhi的de可ke模mo塊kuai化hua設she計ji有you助zhu於yu係xi統tong的de進jin一yi步bu升sheng級ji與yu擴kuo展zhan，從cong而er實shi現xian真zhen正zheng的de規gui模mo化hua生sheng產chan。
福建鈞石的整線係統獲得IEC及UL的認證，已向多家國內客戶提供了數百兆瓦的成套設備，並且正向亞洲的其他地區、北美及歐洲擴展，客戶通過使用福建鈞石的整線生產設備和認證支持服務已實現大規模生產並成功獲得相關認證。
福建鈞石的整線生產方案由等離子化學氣相沉積（CVD1100）和背電極磁控濺射（PVD）這兩個核心設備及其他配套裝備和技術所組成，這種模塊化的設計具有靈活可塑性，便於係統最優化和未來的升級。
CVD-1100型等離子化學氣相沉積設備
PECVD主要構成和技術：
·單室操作的不鏽鋼全加熱真空室，具備整體保溫結構；
·獨立大容量可換型反應箱，周期產量72片，總麵積57平方米；
·雙真空係統，工藝係統由無油大抽速幹泵和壓力控製係統組成，高真空係統由磁浮分子泵係統構成；
·控製係統以上位機組態軟件為監控窗口，PLC作為控製核心，係統通過PROFIBUS和工業以太網進行連接；
·工藝軟件係統由獨特的工藝指令集構成，工藝編製安全完善，數據安全保存和靈活調用，可以輕鬆實現複雜工藝的變成和全自動操作；
·控製軟件具備係統自檢和校準功能，確保規模生產的設備重複性和良品率；
·完善的安全報警機製，對係統硬件工作狀態、部件互鎖保護、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數進行實時監控；
·多RF電源穩定技術，係統包含18台RF射頻電源，通過工藝軟件進行管理的多種控製模式和專利設計的FX72反應箱，可以使放電穩定進行，避免不同電源的幹擾和串擾。
PVD磁控濺射 主要構成和技術
·十室八靶結構，可以連續鍍製AZO、Ag、Al等多種薄膜電池背電極；
·全不鏽鋼真空室，包含內部氣體隔離和加熱係統；
·采用全自動操作，可以配置接口連接其他自動設備；
·真空係統采用國際優質磁浮式分子泵和大抽速機械羅茨泵組，最快進出片節拍到小於75s，工作真空穩定，無串氣波動；
·獨立的濺射冷卻水配置係統確保大功率濺射的穩定；
·完善的安全報警機製，對係統硬件工作狀態、部件互鎖保護、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數進行實時監控；
·進口濺射電源及供氣係統；
·控製係統以上位機組態軟件為監控窗口，PLC作為控製核心，係統通過PROFIBUS和工業以太網進行連接，傳感器可以監控每個陰極、泵、腔室真空度、溫度、工件位置、速度等參數狀態，並實時顯示在桌麵和異常報警。
SIMATIC S7-300和WinCC在PVD上的應用：
背電極磁控濺射（PVD）主要用來製作太陽能電池板的背電極，它對整個電池產品的質量起到非常重要的作用，因此對PVD設備的控製要求也相對較高。PVD設備要求將鋁或氧化鋅等背電極材料通過磁控濺射的形式鍍到電池片上，並能根據生產工藝的要求對濺射電源的功率、傳動速度、濺射壓力以及氣體流量等工藝參數進行調節。整套控製係統由以下幾部分組成:真空控製單元、傳動控製單元、流量控製單元、電源控製單元、測試檢驗單元、數據采集單元、真空測量單元、烘烤加熱單元。
控kong製zhi係xi統tong選xuan型xing考kao慮lv到dao係xi統tong對dui於yu穩wen定ding性xing功gong能neng性xing的de需xu求qiu和he需xu要yao不bu斷duan地di進jin行xing工gong藝yi改gai進jin從cong而er對dui控kong製zhi係xi統tong技ji術shu服fu務wu的de依yi賴lai性xing要yao求qiu，基ji於yu西xi門men子zi周zhou到dao的de行xing業ye經jing理li定ding點dian定ding人ren的de售shou後hou服fu務wu模mo式shi，綜zong合he考kao慮lv最zui終zhong確que定ding了le西xi門men子ziSIMATIC S7-300係列可編程控製器做為集成自動化控製係統中的控製核心。由於對設備中的泵、電源、變頻器的實時監控要求較高，需要交互的參數和信息量大，並且需要根據工藝的變化迅速作出實時的調整，考慮到PROFIBUS總線通訊速率可達12M，且使用靈活(可根據GSD文件靈活選擇所需功能塊)，可擴展從站數量多，並被大量控製係統廣泛采用和支持，所以自動化控製係統采用PROFIBUS總線的方式來搭建。
考慮控製係統連接的PROFIBUS從站較多和對通訊速率、係統循環掃描周期以及工作內存等要求較高故選擇CPU317做為控製係統控製核心。CP340通訊模塊既能用於RS485通訊，又分擔了控製器的一部分工作負荷，兩者搭配適用提高了控製係統整體的工作效率，確保了通訊的可靠性。
真空控製單元控製係統功能說明：包括對分子泵，機械泵，羅茨泵，幹泵和若幹真空閥門的監控，其中分子泵需要讀取轉速和狀態等參數。
傳動控製單元控製係統功能說明：每個真空室和進出片架上都有傳動電機，每個電機分別由一個變頻器獨立控製，要求控製變頻器的開關、監測狀態和設定頻率。
流量控製單元控製係統功能說明：要求對質量流量計的當前流量進行讀取，並能夠設定工藝流量。采用高精度的模擬量輸入和輸出模塊可以實現所需功能。
電源控製單元控製係統功能說明：要求對8台直流濺射電源的開關進行控製，采集當前的功率值、電流值、電壓值，並選擇控製方式和寫入設定值。
測試檢驗單元控製係統功能說明：鍍膜工藝結束後，通過測試電池片上的電阻來檢驗鍍膜的厚度和質量，采集到的模擬信號通過PLC運算然後再WinCC控製界麵顯示供工藝操作人員實時調節工藝參數。
數據采集單元控製係統功能說明：條碼槍通過RS485通訊將電池片上的條碼信息讀入PLC，再由PLC將條碼和電池片的相關參數傳給WinCC，由WinCC建立一個TXT文本保存這些工藝參數，並將這個文本發送到指定的文件夾中供EMS（生產製造執行係統）調用。
真空測量單元控製係統功能說明：由高真空計和低真空計以及負責工藝真空測量的薄膜規組成，采用高精度的模擬量輸入模塊將這些模擬量信號采集到PLC，再由PLC進行計算處理將轉換好的真空度值數值實時地在WinCC上進行監控顯示。
烘烤加熱單元控製係統功能說明：由熱電偶、溫控表、可控矽模塊、碘鎢燈組成的三路獨立閉環PID調節控製功能，采用RS485通訊與PLC進行數據交互實現溫度的PID閉環調節。
WinCC7.0 亞洲版軟件相對於WinCC6.0在各個方麵都有很大的提高和改進，支持VBS、C語言和對API函數的調用給編程者實現係統功能提供了很大方便。通過安裝WinCC的各種配套附件如DATABRIDGE、WEBNAVIGATE、DATAMONITOR方便地實現擴展聯網和數據采集發布功能。WinCC是(shi)一(yi)個(ge)功(gong)能(neng)強(qiang)大(da)的(de)開(kai)放(fang)的(de)上(shang)位(wei)組(zu)態(tai)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)，既(ji)適(shi)用(yong)於(yu)小(xiao)規(gui)模(mo)簡(jian)單(dan)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)，也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)複(fu)雜(za)的(de)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)。在(zai)本(ben)係(xi)統(tong)中(zhong)，配(pei)合(he)西(xi)門(men)子(zi)SIMATIC S7-300係列可編程控製器，WinCC更好地實現了整個控製係統功能的無障礙交互。
應用結論：
使用SIMATIC S7-300和WinCC作為自動控製係統解決方案的PVD設she備bei經jing過guo出chu廠chang前qian廠chang家jia調tiao試shi以yi及ji客ke戶hu現xian場chang調tiao驗yan，滿man足zu工gong藝yi正zheng常chang運yun行xing的de要yao求qiu，自zi動dong控kong製zhi係xi統tong驗yan收shou完wan全quan合he格ge。最zui早zao出chu廠chang的de設she備bei已yi經jing過guo一yi年nian多duo的de現xian場chang使shi用yong沒mei有you發fa生sheng任ren何he影ying響xiang正zheng常chang生sheng產chan的de故gu障zhang及ji問wen題ti，已yi經jing累lei積ji完wan成cheng生sheng產chan電dian池chi片pian30wanpian，qudelekehudeyizhihaoping，weikehudailaixianzhuliyi。tongshiximenzixizhidexingyejingligenzongfuwumoshiyeweichangjiahekehujiejuelezidonghuaxitongshiyongdegezhonghouguzhiyou。
