郭建江，崔志達(dá)，劉振亞，俞霖，陳亮

(1.常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002；2.施耐德電氣(中國)有限公司，上海200120；3.常州市歐龍自動化系統(tǒng)有限公司，江蘇常州213022)

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基于施耐德PLC的光伏焊帶鍍錫電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭建江1，崔志達(dá)2，劉振亞3，俞霖1，陳亮1

(1.常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002；2.施耐德電氣(中國)有限公司，上海200120；3.常州市歐龍自動化系統(tǒng)有限公司，江蘇常州213022)

摘要：為了滿足光伏焊帶高精度的鍍錫工藝要求，設(shè)計(jì)了一種基于施耐德M218 PLC的光伏焊帶鍍錫電控系統(tǒng)，建立了具有激光傳感、伺服驅(qū)動及氣閥吹錫等功能的硬件控制平臺，采用多功能的SoMachine軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，滿足光伏焊帶高精度鍍錫的精度要求。與目前國內(nèi)外同類系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)精度較高且成本較低，具有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光伏焊帶；施耐德M218；PLC；鍍錫控制

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源問題已成為世界各國發(fā)展的瓶頸，大力發(fā)展以太陽能為代表的新能源技術(shù)已成為解決能源危機(jī)的最好途徑[1]。光伏焊帶又稱為鍍錫銅帶或匯流帶，是光伏電池組件以及配套的光伏設(shè)備上連接導(dǎo)體，相當(dāng)于傳統(tǒng)電氣產(chǎn)業(yè)中的“電纜”和“導(dǎo)線”。其生產(chǎn)方法為對超軟超薄銅帶進(jìn)行鍍錫處理制備而成的，光伏焊帶質(zhì)量的好壞會影響電池片的使用壽命，也直接決定光伏組件電流收集效率，進(jìn)而影響光伏組件的發(fā)電功率高低[2-3]。

光伏組件對光伏焊帶質(zhì)量和精度要求較高(寬度范圍1.0～2.5 mm，厚度范圍0.1～0.3 mm，鍍錫涂層單面厚度0.005～0.01 mm)。目前，國外企業(yè)生產(chǎn)自動鍍錫機(jī)設(shè)備精度高，速度快，但價(jià)格昂貴，而國內(nèi)同類鍍錫成套設(shè)備大多無在線檢測裝置，檢測和調(diào)整多為人工離線進(jìn)行，可靠性低，導(dǎo)致光伏焊帶產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)成批的不合格產(chǎn)品[3-4]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于施耐德M218 PLC的光伏焊帶鍍錫電控系統(tǒng)，采用激光測厚在線檢測結(jié)合交流伺服精密調(diào)速方法，實(shí)現(xiàn)了較高精度的光伏焊帶鍍錫控制功能。

1電控系統(tǒng)組成

光伏焊帶鍍錫電控系統(tǒng)組成如圖1所示。實(shí)現(xiàn)光伏焊帶鍍錫采用氣壓吹錫制備工藝方法，即將鍍錫前制備好的基體銅帶通過導(dǎo)輪將其浸入加熱的錫池中，在助焊劑的作用下與錫合金熔液反應(yīng)，將錫合金熔液自然附著在基體表面，并通過特殊結(jié)構(gòu)風(fēng)刀吹氣刮錫使得錫合金液體均勻分布在銅基帶上，經(jīng)風(fēng)冷后制備成達(dá)到厚度指標(biāo)要求的光伏焊帶。氣吹鍍錫制備光伏焊帶工藝與傳統(tǒng)熱浸涂法相比，具有鍍錫速度快、精度高、焊帶表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今光伏焊帶加工的趨勢和方向[5-7]。

圖1　電控系統(tǒng)組成

光伏焊帶鍍錫電控系統(tǒng)可分為焊帶傳送、焊帶厚度激光檢測、氣閥吹錫等部分。電控系統(tǒng)工作時(shí)，首先設(shè)定光伏焊帶厚度精度要求，焊帶傳送裝置由PLC通過交流伺服驅(qū)動器控制伺服電機(jī)驅(qū)動對輥輪帶動光伏焊帶連續(xù)前行，此時(shí)放卷輪開始隨動放卷，收卷輪也隨著收卷，銅基帶通過導(dǎo)輪進(jìn)入加熱錫池，開始鍍錫。然后，PLC驅(qū)動電磁氣閥啟動氣壓通過吹錫風(fēng)刀實(shí)現(xiàn)涂層吹錫，風(fēng)冷后經(jīng)激光測量儀測量鍍錫焊帶厚度數(shù)據(jù)信號，經(jīng)模擬量輸入模塊送入PLC，并由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)處理，得出厚度誤差。

在吹錫風(fēng)力等參數(shù)確定的前提下，焊帶速度直接影響焊帶鍍錫厚度誤差。因此，依據(jù)焊帶厚度誤差采用PID參數(shù)調(diào)整實(shí)時(shí)調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)鍍錫焊帶厚度閉環(huán)控制。

2硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述鍍錫工藝的要求，設(shè)計(jì)了以施耐德M218 PLC為核心的電控系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　電控系統(tǒng)主要硬件組成

PLC采用施耐德電氣最新的緊湊型可擴(kuò)展可編程控制器M218。此外，PLC內(nèi)部集成了PID模塊以及用于電機(jī)控制的高速脈沖輸出模塊(簡稱PTO，最大100 kHz)等。為滿足模擬量處理，M218還可擴(kuò)展3～5路模擬通道，與常規(guī)PLC相比，功能集成度高，速度快，可靠性強(qiáng)。為增加通訊功能，M218內(nèi)置Modbus以及網(wǎng)絡(luò)Ethernet等協(xié)議通訊便于控制。

圖2所示硬件組成中，M218通過PTO模塊輸出脈沖驅(qū)動交流伺服電機(jī)控制光伏焊帶對輥輪帶動焊帶進(jìn)入鍍錫工藝，同時(shí)M218驅(qū)動電磁氣閥開啟氣路驅(qū)動風(fēng)刀對鍍錫后的焊帶進(jìn)行吹錫成型。進(jìn)入收卷前的光伏焊帶由激光測量儀進(jìn)行焊帶厚度實(shí)時(shí)測量，定時(shí)采集數(shù)據(jù)后由模擬量輸入模塊輸入PLC，根據(jù)焊帶設(shè)定厚度，求出厚度誤差的變化，并采用PLC內(nèi)置PID模塊整定PID參數(shù)精密調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變焊帶速度以保持厚度誤差穩(wěn)定在規(guī)定范圍，觸摸屏通過Modbus接口監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，硬件選型如表1所示。

系統(tǒng)伺服驅(qū)動電機(jī)采用施耐德Lexium23D系列交流伺服電機(jī)，該電機(jī)驅(qū)動器可根據(jù)負(fù)載慣量自動調(diào)整參數(shù)，還可自動調(diào)諧增益值，提高了伺服精度，增強(qiáng)了可靠性。

表1　電控系統(tǒng)組成部件選型

激光測量儀最小測量尺度為0.1 mm，最小精度0.001 mm，滿足鍍錫焊帶厚度測量精度要求。激光測量傳感輸出為16位0～10 V，模擬量輸入模塊精度為12位0～10 V信號，滿足鍍錫工藝測量要求。

人機(jī)界面可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與狀態(tài)監(jiān)控。

3軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)上述工藝過程與系統(tǒng)硬件配置要求，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3　電控系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)通電之后，首先是故障巡檢，之后進(jìn)行初始化設(shè)置(包括焊帶寬度、鍍錫厚度、初始焊帶速度、錫池加熱溫度等)。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、氣閥吹錫壓力以及錫池溫度都能夠進(jìn)行手動調(diào)整。進(jìn)入自動工作流程后，啟動伺服控制電機(jī)驅(qū)動對輥輪帶動焊帶前行，同時(shí)PLC開啟電磁氣閥施加風(fēng)刀于氣壓吹錫，激光測厚儀開始采集鍍錫焊帶的厚度數(shù)據(jù)，并通過模擬量輸入模塊輸入PLC，數(shù)據(jù)量隨著焊帶的移動需要去干擾數(shù)據(jù)濾波得到焊帶厚度的平均值。當(dāng)采集厚度與設(shè)定厚度的誤差變化超出范圍時(shí)，啟動PLC中PID控制模塊對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID控制，實(shí)現(xiàn)對焊帶移動速度的動態(tài)調(diào)整，以達(dá)到調(diào)整穩(wěn)定焊帶厚度的精度指標(biāo)。

軟件設(shè)計(jì)采用施耐德軟件SoMachine，與PLC傳統(tǒng)軟件編程方式不同，SoMachine可完成控制系統(tǒng)平臺中所有硬件模塊(包括伺服驅(qū)動、模擬量模塊控制)的編程、調(diào)試，并且可實(shí)現(xiàn)梯形圖和編程語言合成的程序設(shè)計(jì)，不僅編程簡單化，而且可移植性強(qiáng)。

從以上內(nèi)容可知，光伏焊帶鍍錫厚度受多種外界因素(如錫合金穩(wěn)定性、銅基帶表面等)影響導(dǎo)致鍍錫厚度誤差。本設(shè)計(jì)通過改變焊帶速度來改變焊帶在錫池中鍍錫時(shí)間，從而調(diào)整鍍錫厚度，如圖4所示。通過焊帶鍍錫厚度誤差的PID整定改變伺服電機(jī)的速度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)目的。

圖4　鍍錫厚度PID控制圖

本設(shè)計(jì)采用施耐德公司提供的 “ST語言” 與“CFC連續(xù)功能圖”程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行程序模塊化設(shè)計(jì)。

采用ST語言程序定義變量，在觸摸屏設(shè)置監(jiān)控的變量采用地址定義方法，觸摸屏上的變量類型和地址必須與PLC程序中的定義相一致。施耐德PLC中變量地址定義以“%”開頭，M表示寄存器，I表示輸入寄存器，Q表示輸出寄存器，X表示1位，B表示1個(gè)字節(jié)，W表示1個(gè)字，D表示雙字。觸摸屏與PLC通過Modbus 協(xié)議進(jìn)行通信：

VAR_GLOBAL

start AT%MX0.1:BOOL;//啟動

stop AT%MX0.0:BOOL;//停止

meter AT%MD3: REAL;//焊帶計(jì)長

current_meter:WORD;

current_thick AT%IW2:INT;//激光測厚

display_thick AT%MW20:INT;

velo_En AT%QX0.7:BOOL;

velocity AT%QW1:INT;

diaplay_velocity AT%MW21:INT;

PIDsudu: INT;//PID調(diào)節(jié)

zidongtiaojieEN AT%MX0.4 : BOOL;//手動時(shí)自動調(diào)節(jié)開關(guān)true為不調(diào)節(jié)

PIDtime AT%MD4: REAL;//PID采樣周期

P AT%MD5: REAL;

I AT%MD6: REAL;

D AT%MD7: REAL;

PIDEN: BOOL;

sifuENauto: BOOL;

zidong AT%MX0.5: BOOL;//自動標(biāo)志位

END_VAR

圖5為采用模塊式CFC連續(xù)功能圖設(shè)計(jì)的PID控制程序。從圖中看出，M218 PLC內(nèi)部設(shè)置專用PID控制模塊，直接定義PID控制模塊并與邏輯要求圖形化連接就能實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)整定功能，相比傳統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)邏輯更為清晰，功能更強(qiáng)大且移植性強(qiáng)。

圖5　PID控制程序

4系統(tǒng)運(yùn)行與性能分析

本設(shè)計(jì)的光伏焊帶鍍錫控制系統(tǒng)已應(yīng)用于無錫市某公司生產(chǎn)現(xiàn)場。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，完全達(dá)到光伏焊帶產(chǎn)品要求，能夠滿足生產(chǎn)需要。

不同焊帶電控系統(tǒng)性能比較如表2所示，可以看出本文提出的電控系統(tǒng)具有較好的性能指標(biāo)和性價(jià)比。

表2　不同焊帶電控系統(tǒng)比較

5結(jié)語

本文集成了激光厚度測量、伺服傳送及氣閥控制等模塊，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以施耐德PLC為核心的光伏焊帶鍍錫電控系統(tǒng)。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能滿足鍍錫工藝精度要求，具有控制功能集成度較高、可靠性好、程序可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，與同類系統(tǒng)相比，具有較高的性價(jià)比。本文所提出的電控系統(tǒng)為研制高精度光伏焊帶鍍錫成套設(shè)備提供了設(shè)計(jì)參考，具有一定的工程實(shí)際意義。

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責(zé)任編輯：周澤民

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.03.005

收稿日期：2016- 04 -11

基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201511055005)；常州工學(xué)院教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目(A3-4403-16-038)

作者簡介：郭建江(1970—)，男，博士生，高級工程師，副教授。

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671- 0436(2016)03- 0018- 04

Tinning Control System Design for Photovoltaic Ribbon Based on Schneider

PLC GUO Jianjiang1,CUI Zhida2,LIU Zhenya3,YU Lin1,CHEN Liang1

(1.School of Electrical and Photoelectronic Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002;2.Schneider Electric(China) Co.,Ltd.，Shanghai 200120;3.Changzhou Oulong Automatic System Co.,Ltd.，Changzhou 213022)

Abstract：In order to meet the high-precision tinning requirement for photovoltaic ribbon,a tinning control system was designed based on Schneider PLC M218.A hardware control platform was built with functions like laser sensing,servo actuation and air valve control.The SoMachine software was run to conduct programming.Actual production proves that the control system is stable and reliable,and meets the needs of the high-precision tinning requirement for photovoltaic ribbon.Compared with counterparts both in China and abroad,the system is of lower cost and higher precision,well worth more applications.

Key words：photovoltaic ribbon；Schneider M218；PLC；tinning control