6ES7231-7PC22-0XA0质量保障
6ES7231-7PC22-0XA0质量保障
一、引言
在焦碳生产工艺过程中，需要将气煤、肥煤、焦煤、瘦煤四种煤按一定比例配成混合煤，然后送入焦炉进行高温炼焦。配比的准确性以及配料系统的可靠性将直接影响焦碳产品的质量。因此，通过**焦化配煤系统的可靠性、稳定性、准确性来**焦碳的质量具有非常重要的社会效益和经济效益。
焦化的配煤系统对焦炭的质量和焦炉生产操作具有重要意义，为了使煤料的配比更加准确，实现稳定可靠的自动配煤是可行的理想解决方案。
二、自动配煤系统的组成和主要功能
焦化自动配煤系统主要由称重给料机、数据采集和控制系统、电气控制系统和上位机计算机、软件及网络等构成。
|
称重给料机将经过皮带上的物料，通过称重秤架下的称重传感器进行检测重量，以确定皮带上的物料重量；装在尾部滚筒或旋转设备上的数字式测速传感器，连续测量给料速度，该速度传感器的脉冲输出正比于皮带速度；速度信号与重量信号一起送入皮带给料机控制器，产生并显示累计量/瞬时**。给料控制器将该**与设定**进行比较,由控制器输出信号控制变频器调速，实现定量给料的要求。
称重给料机的核心部分是皮带秤（如图2）。皮带秤的主要组成由秤架、积算仪和速度传感器组成；而称重给料机系统的结构特点和精度通常主要由皮带秤的设计结构决定。
焦化自动配煤系统中一般要求配料秤具有0.5%的精度；系统控制精度达到1%。
|
焦化自动配煤系统的主要功能：
（1）实时地检测各秤的**、累计量；
（2）可靠地控制各秤按给定值恒**运行；
（3）配比和总配料量优化计算、下达；
（4）现场工艺流程的动态模拟画面显示、配比、柱形图、历史曲线图等；
（5）现场工艺、操作、过程参数的设置、改写；
（6）各种故障限、报警提示及登录、自动换仓处理等；
（7）系统配比精度评价；
（8）数据库、打印输出功能。
三、西门子全集成称重方案的设计
一般地讲，配料所用的称重给料机的控制器分为三种模式：单机控制器、机组控制器和PLC型控制器。
单机控制器一般采用和皮带秤配套的带控制功能的积算仪或采用以单片机技术为基础的控制器来实现，优点是配置灵活，与称重给料机一一对应使用，一台设备出现故障不影响其他设备工作，属于分布式控制；缺点是能实现的功能受到限制，经常需要配其他控制系统才能实现较为复杂的控制功能。
机组控制器是以PC总线工控机为基础，优点是功能强大，操作直观方便，属于集中控制；缺点是系统可靠性不高，目前采用这种方式的厂家并不是很多。
PLC型控制器是以PLC这种目前在工业生产中普遍采用的控制设备为硬件，通过软件组态实现配料的功能。其优点是：组态方式灵活、通讯方式多样、性价比很高，特别适合多台称重给料机共同组成较大型的配料系统的应用；缺点是：目前很多公司采用PLC的I/O输入功能直接接受来自称重传感器的模拟量信号，不仅精度差，而且抗干扰能力非常弱，在有些单位还出现过系统整体失控的严重事故。西门子公司推出了和Siemens Simatic系统完全兼容的Siwarex FTC的解决方案，就可以很好弥补这种方案的不足。
3.1、基于TIA（全集成自动化）技术的皮带秤系统
基于西门子SIWAREX FTC全集成电子积算仪的称重系统主要由带秤桥支架的称重传感器、皮带速度传感器、SIWAREX FTC动态称重电子模块三部分组成。
西门子SIWAREX FTC动态称重电子模块可直接集成于S7-300PLC中，也可通过ET200M远程I/O方式集成于S7-400PLC/PCS 7中，是一款具有高精度、高速称重功能的PLC扩展模块，具有与SIMATIC S7/PCS7统一的设计平台和通讯功能，具有强大的可编程、自诊断和远程通讯功能。全集成称重系统示意图如图3：
图3：SIWAREX FTC全集成称重系统的组成
3.2、皮带秤工作原理
西门子皮带秤采用特有的直承式原理，只测量作用在皮带上力的垂直分量。当物料随传送带移动通过皮带秤时，它通过托辊向称重传感器施加一个正比于物料重量的力，它的合力作用在每个称重传感器上，并通过应变电阻被检测到。应变电阻由SIWAREX FTC动态称重电子模块提供激励电压，产生正比于皮带负载的电信号，送给SIWAREX FTC动态称重电子模块。
称重传感器的垂直位移受皮带秤或称重传感器含有的正向过载急停的限制，这种急停可以对称重传感器提供过载保护。
四、自动配煤称重控制系统的配置
西门子自动配煤称重控制系统仪表由PS307电源模块、S7-300CPU（或ET200M远程I/O）、SIWAREX FTC称重电子积算仪模块组成。
4.1、PS307电源模块
用于为S7-300CPU（或ET200M远程I/O）和SIWAREX FTC电子积算仪模块提供24VDC工作电源。
4.2、S7-300 CPU
全集成自动化（TIA）称重应用，适用于中等程序处理量的应用，对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力。用于称重数据的处理、储存和远程通讯。每个中央CPU可多扩展8个SIWAREX FTC称重电子积算仪，就是8台给料机可以快速集成于S7-300CPU内。通过ET200M远程I/O方式集成，每个ET200M站可多扩展7个SIWAREX FTC称重电子积算仪。
4.3、SIWAREX FTC称重电子积算仪
SIWAREX FTC （用于连续称重，皮带秤可编程技术）是用于皮带秤、失重秤的一种多功能灵活的电子称重模块。它还可以用来记录皮带输送物料的累积量、瞬时**、载荷和皮带速度。SIWAREX FTC 功能模块集成在SIMATIC S7/PCS7 中，并具有该自动化系统的系统的各种特点，诸如集成通信、 诊断和配置工具。可通过指令设置皮带的运行和显示所需要的数据。
当新的创新出现时，现有的SIWAREX FTC动态称重电子模块可随时升级！免费的升级很简便，只需下载新的固件，节省了时间和费用，并保护您的仪表收益。
无论何时对皮带秤提出高要求，SIWAREX FTC动态称重电子模块都是佳解决方案。它可以实现的典型应用：
1） 记录皮带占有情况
2） 记录流速和**
3） 记录皮带累计输送量
4） 装料和给料控制
SIWAREX FTC具有强大的自诊断功能，操作人员也可方便的通过诊断缓冲器里的运行时序记录来分析和测试整个称重过程。
SIWAREX FTC皮带秤技术特性一览
v 用SIMATIC统一配置
v 可直接在SIMATIC可编程控制系统中使用,全数字化通讯
v 通过ET 200M连接PROFIBUS DP,用于分布式设备方案
v 可测量重量或力，具有1600万间隔的高分辨率
v 高精度3*6000d
v 可按照OIML R-76标定
v SIMATIC标准操作面板显示
v 可参数化的输入和输出，自带7个DI和8个DO功能
v 统一设计，通过集成在SIMATIC S7和SIMATIC PCS 7而实现全集成式通信，灵活适应不同要求
v 用SIWATOOL FTC程序简单校准配料
v 更换模块无需重新校准配料，独特的免校称技术，防止工厂停工
v 记录称重顺序
v 8个累计存储器，可存储8个数据段的数据记录
v 可用于爆炸应用场合，模块本身具有防爆2区ATEX 95认证，通过SIWAREX IS安全栅可应用于防爆1区场合
五、全集成称重系统的特点和优点
这种基于TIA的设计，继承了西门子全集成控制系统的设计理念所提倡主要特点和优点；尤其是在用于实现数据量较大的集中控制系统时，更能体现出它的优点来。
5.1、主要特点：
Ø 协议存储于可选择的微存储卡中。可随时、快速并安全的得到数据事件记录用印时戳记录过程和称重状态。这是工厂概念化和优化的重要工具，也可用于分析不寻常事件。大存储量达8M，保证数据**丢失。
Ø 诊断缓冲器用于文本中的后100条信息
Ø 参数监测称重传感器和电缆的特征值，诊断可用于防止麻烦的、广泛的及昂贵的工厂停工期。真正意义上的预维护功能，防患于未然。
Ø 皮带仿真，不需要额外的设备。
5.2、主要优点：
1） 唯一的固体**皮带秤完全集成于PLC，并完全由PLC控制
2） 强大的诊断功能, 也可以预维护
3） 结合SIMATIC系统可以实现更多功能
4） 对于升级改造非常具有竞争性
5）西门子 Milltronics机械部分和SIWAREX电子部分是完美的解决方案
六、总结
高质量高可靠性和具竞争力的价格比是市场成功的秘诀。在称重中就意味着高度的**、长期的稳定性、卓越的可扩充性能及优的生产力。换而言之，大的生产速率配合高可靠性。能力和具竞争力的技术要求同时显现在自动化工程及称重系统中。西门子近十年在这两个领域中在全球是者。这实用的工程知识在SIWAREX FTC的发展中得到系统应用，这使其成为用于皮带秤的一种多功能灵活的称重模块。可使焦化生产工艺中煤料的配比精度更高，使自动配煤系统更加稳定可靠。
摘要：太阳能发电（光伏）与风电、核电等同为被世界公认的未来新型能源趋向，随着环保压力越来越大，太阳能作为绿色清洁能源正逐渐被市场接受，开始显现巨大的发展潜力和应用前景。目前国内太阳能行业正处于蓬勃发展期，主要分单晶硅、多晶硅和非晶硅等不同的电池类型，在整个太阳能电池家族中，非晶硅薄膜太阳能电池因为其技术和应用方面的优势，正在获得爆发性增长。2007年以来年行业增速超过，非晶硅产品以价格低廉，污染小，制造成本低等优点受到广泛关注，对非晶硅太阳能电池的制造设备的需求也在不断增加。福建钧石能源有限公司做为国内非晶硅太阳能电池行业的企业，从事非晶硅太阳能电池及其应用产品以及生产设备的设计开发、制造和销售，在薄膜技术，真空处理及精密制造方面有着丰富的经验，可为客户量身定制具有广泛应用的整线方案及设备，产品组合包括：独有的等离子体增强化学气相沉积设备，用于光伏层的沉积；独有的磁控溅射设备，用于沉积导电电极层；自动化整线服务，经集成的成套薄膜太阳能电池制造系统。在整线制造工艺的关键流程等离子体化学气相沉积设备（PECVD）和物理气相沉积设备（PVD）的自控环节，西门子S7-300和WINCC作为成套薄膜太阳能电池控制系统的解决方案，在大批量的应用中体现出稳定，可靠和故障率低的特点，保障促进了福建钧石能源成套薄膜太阳能电池的飞速发展。
本文结合非晶硅太阳能电池整线制造工艺控制系统的特点，以福建钧石能源成套薄膜太阳能电池制造系统为例介绍了西门子S7-300和WINCC控制系统的应用情况，并对一些关键技术和引领行业发展方向的控制理论做深入探讨。
关键词：
福建钧石能源 非晶硅太阳能电池 成套薄膜太阳能电池 PECVD PVD S7-300 WINCC 西门子综合解决方案
行业概述：
太阳能发电是一种公平的、无污染的、的传统能源替代品。只是局限于科技水平的现状，特别是储能（电池）技术的现状，造成其发电成本过高（超过上网电价），加之当前应用比较广泛的上游太阳能电池板生产的主要原材料多晶硅在生产加工过程存在污染环境的问题，使得太阳能的发展受到一些阻力。光伏太阳能发电板将太阳能转换成电力，晶体硅技术是光伏工业使用的原始材料技术。传统的晶体硅太阳能发电板首先被广泛应用于太空卫星上，这种太阳能发电板是用逐步反复，批量生产的工序从单晶硅或多晶硅的小晶片制造而成。虽然这种技术的开发已取得很大的进展，但是晶体光伏发电组件的成本还是因为材料的成本以及生产这种发电组件所需的烦琐工艺而持续居高不下。晶体硅太阳能发电组件体积庞大，容易破碎而且生产耗能更多。生产太阳能发电板的另一种薄膜技术使用到金属镉，这种技术损害环境而且在生产过程中及售后服务上都需极多的管理维护。
从目前国际太阳电池的发展过程中看，其趋势大致为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。而后的“薄膜材料”（薄膜电池）正是业内对以单晶硅和多晶硅为主原料的太阳能电池的更新换代。一些薄膜电池中已经彻底放弃了对多晶硅的应用，从而解决了“环保技术不环保”光伏上游多晶硅生产过程中存在的污染问题。相比于传统晶体硅电池，非晶硅薄膜太阳能电池具有以下优势：
1、生产成本低：非晶硅薄膜太阳能电池的生产成本相比晶体硅电池的生产成本具有无可比拟的优势；
2、能量返回期短：转换效率为8%的非晶硅太阳能电池，其生产用电发电后收回上述能量的时间仅为1-1.5年；
3、适于大批量生产：采用大面积多叠成硅基薄膜电池的规模生产，生产方式具有自动化程度高、生产效率高的特点；
4、高温性能好：当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时，其佳输出功率会有所下降，非晶硅太阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多；
5、弱光响应好，充电效率高：非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，在实际使用中对低光强光有较好的适应；
6、薄膜柔性特质，适用性好：传统硅晶电池存在电池主体易破碎、携带不便、抗震能力差等缺点，非晶硅薄膜太阳能电池所具有的柔性特质，决定了其比传统硅晶电池的应用更广泛。
上述独特的技术优势，令薄膜硅电池在民用领域具有广阔的应用前景，如光伏建筑一体化、大规模低成本发电站、太阳能照明光源等。
当然非晶硅薄膜太阳能电池产业化过程中大的阻力就是难以**太阳电池的光电转换效率，相比于多晶硅太阳能电池高达22％~27％的转化率，福建钧石于业界的非晶硅薄膜太阳能电池工艺技术当前阶段也只能达到8%的转化率，虽然新的工艺有望达到10%的转化率，但相比多晶硅太阳能电池来讲还是存在不小得差距。
企业介绍：
福建钧石能源有限公司是国内非晶硅薄膜太阳能电池仅有的至今成功交付150＋MW成熟整线生产方案的供应商，公司从事太阳能电池及其应用产品以及生产设备的设计开发、制造和销售。公司在泉州、北京、天津设有太阳能电池研发中心、太阳能电池设备研发中心和工程中心以及太阳能电池生产基地。企业汇聚了一大批国内外太阳能电池技术和管理专家，并与太阳能薄膜电池领域国际的南开大学光电子研究所紧密合作，拥有薄膜电池领域多项技术专利，技术开发能力属于同行业水平，公司定位于成为世界上大的太阳能薄膜电池生产企业之一。
福建钧石能源有限公司的设备与技术带有多项行业的创新设计（如下图），使大面积多叠成硅基薄膜电池的商业规模生产成为可能。
福建钧石提供的自动化整线生产系统，具有高效的产出率，高稳定运行及较低的设备维修费用。该系统向客户提供业界生产薄膜硅太阳能电池佳性能和低每瓦生产成本的设备，为客户订制的可模块化设计有助于系统的进一步升级与扩展，从而实现真正的规模化生产。
福建钧石的整线系统获得IEC及UL的认证，已向多家国内客户提供了数百兆瓦的成套设备，并且正向亚洲的其他地区、北美及欧洲扩展，客户通过使用福建钧石的整线生产设备和认证支持服务已实现大规模生产并成功获得相关认证。
福建钧石的整线生产方案由等离子化学气相沉积（CVD1100）和背电极磁控溅射（PVD）这两个核心设备及其他配套装备和技术所组成，这种模块化的设计具有灵活可塑性，便于系统优化和未来的升级。
CVD-1100型等离子化学气相沉积设备
PECVD主要构成和技术：
•单室操作的不锈钢全加热真空室，具备整体保温结构；
•独立大容量可换型反应箱，周期产量72片，总面积57平方米；
• 双真空系统，工艺系统由无油大抽速干泵和压力控制系统组成，高真空系统由磁浮分子泵系统构成；
•控制系统以上位机组态软件为监控窗口，PLC作为控制核心，系统通过PROFIBUS和工业以太网进行连接；
•工艺软件系统由独特的工艺指令集构成，工艺编制安全完善，数据安全保存和灵活调用，可以轻松实现复杂工艺的变成和全自动操作；
•控制软件具备系统自检和校准功能，确保规模生产的设备重复性和良品率；
•完善的安全报警机制，对系统硬件工作状态、部件互锁保护、电源输入、气压、水流、水温等参数进行实时监控；
•多RF电源稳定技术，系统包含18台RF射频电源，通过工艺软件进行管理的多种控制模式和专利设计的FX72反应箱，可以使放电稳定进行，避免不同电源的干扰和串扰。
PVD磁控溅射 主要构成和技术
•十室八靶结构，可以连续镀制AZO、Ag、Al等多种薄膜电池背电极；
•全不锈钢真空室，包含内部气体隔离和加热系统；
•采用全自动操作，可以配置接口连接其他自动设备；
•真空系统采用国际优质磁浮式分子泵和大抽速机械罗茨泵组，快进出片节拍到小于75s，工作真空稳定，无串气波动；
•独立的溅射冷却水配置系统确保大功率溅射的稳定；
•完善的安全报警机制，对系统硬件工作状态、部件互锁保护、电源输入、气压、水流、水温等参数进行实时监控；
•进口溅射电源及供气系统；
•控制系统以上位机组态软件为监控窗口，PLC作为控制核心，系统通过PROFIBUS和工业以太网进行连接，传感器可以监控每个阴极、泵、腔室真空度、温度、工件位置、速度等参数状态，并实时显示在桌面和异常报警。
SIMATIC S7-300和WINCC在PVD上的应用：
背电极磁控溅射（PVD）主要用来制作太阳能电池板的背电极，它对整个电池产品的质量起到非常重要的作用，因此对PVD设备的控制要求也相对较高。PVD设备要求将铝或氧化锌等背电极材料通过磁控溅射的形式镀到电池片上，并能根据生产工艺的要求对溅射电源的功率、传动速度、溅射压力以及气体**等工艺参数进行调节。整套控制系统由以下几部分组成:真空控制单元、传动控制单元、**控制单元、电源控制单元、测试检验单元、数据采集单元、真空测量单元、烘烤加热单元。
控制系统选型考虑到系统对于稳定性功能性的需求和需要不断地进行工艺改进从而对控制系统技术服务的依赖性要求，基于西门子周到的行业经理定点定人的售后服务模式，综合考虑终确定了西门子SIMATIC S7-300系列可编程控制器做为集成自动化控制系统中的控制核心。由于对设备中的泵、电源、变频器的实时监控要求较高，需要交互的参数和信息量大，并且需要根据工艺的变化迅速作出实时的调整，考虑到PROFIBUS总线通讯速率可达12M，且使用灵活(可根据GSD文件灵活选择所需功能块)，可扩展从站数量多，并被大量控制系统广泛采用和支持，所以自动化控制系统采用PROFIBUS总线的方式来搭建。
考虑控制系统连接的PROFIBUS从站较多和对通讯速率、系统循环扫描周期以及工作内存等要求较高故选择CPU317做为控制系统控制核心。CP340通讯模块既能用于RS485通讯，又分担了控制器的一部分工作负荷，两者搭配适用**了控制系统整体的工作效率，确保了通讯的可靠性。
真空控制单元控制系统功能说明：包括对分子泵，机械泵，罗茨泵，干泵和若干真空阀门的监控，其中分子泵需要读取转速和状态等参数。
传动控制单元控制系统功能说明：每个真空室和进出片架上都有传动电机，每个电机分别由一个变频器独立控制，要求控制变频器的开关、监测状态和设定频率。
**控制单元控制系统功能说明：要求对质量**计的当前**进行读取，并能够设定工艺**。采用高精度的模拟量输入和输出模块可以实现所需功能。
电源控制单元控制系统功能说明：要求对8台直流溅射电源的开关进行控制，采集当前的功率值、电流值、电压值，并选择控制方式和写入设定值。
测试检验单元控制系统功能说明：镀膜工艺结束后，通过测试电池片上的电阻来检验镀膜的厚度和质量，采集到的模拟信号通过PLC运算然后再WINCC控制界面显示供工艺 操作人员实时调节工艺参数。
数据采集单元控制系统功能说明：条码枪通过RS485通讯将电池片上的条码信息读入PLC，再由PLC将条码和电池片的相关参数传给WINCC，由WINCC建立一个TXT文本保存这些工艺参数，并将这个文本发送到指定的文件夹中供EMS（生产制造执行系统）调用。
真空测量单元控制系统功能说明：由高真空计和低真空计以及负责工艺真空测量的薄膜规组成，采用高精度的模拟量输入模块将这些模拟量信号采集到PLC，再由PLC进行计算处理将转换好的真空度值数值实时地在WINCC上进行监控显示。
烘烤加热单元控制系统功能说明：由热电偶、温控表、可控硅模块、碘钨灯组成的三路独立闭环PID调节控制功能，采用RS485通讯与PLC进行数据交互实现温度的PID闭环调节。
WINCC7.0 亚洲版软件相对于WINCC6.0在各个方面都有很大的**和改进，支持VBS、C语言和对API函数的调用给编程者实现系统功能提供了很大方便。通过安装WINCC的各种配套附件如DATABRIDGE、WEBNAVIGATE、DATAMONITOR方便地实现扩展联网和数据采集发布功能。WinCC是一个功能强大的开放的上位组态监控系统，既适用于小规模简单的数据采集监控系统使用，也可以用于复杂的过程控制系统使用。在本系统中，配合西门子SIMATIC S7-300系列可编程控制器，WinCC更好地实现了整个控制系统功能的无障碍交互。
