为什么光伏行业需要MES

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      MES与光伏生产透明化
　　对于正在从工厂工艺中寻找每一个渐进性改进的公司而言，了解整个生产流程是一个关键性因素。普迪是一家总部位于挪威的生产执行系统（MES）公司，帮助光伏制造领导企业优化生产工艺长达七年之久。这里，普迪公司主要探讨了执行一个成功的MES给光伏制造商带来的益处。
　　光伏行业的领袖们意识到为工厂安装并使用全面实时信息系统，即称作“生产执行系统（MES）”，在实现Grid Parity（太阳发电成本下降至与传统发电成本相当）过程中起着至关重要的作用。MES系统实时采集数据，结构化地储存数据并传递信息，用以优化从订单发布到成品完成的一系列生产活动。根据MESA（生产企业解决方案协会），MES解决方案的目标是提高执行生产量达5%至15%。

　　为什么光伏行业需要ＭＥＳ
在过去几年里，由于巨大的光伏装置需求的拉动，光伏行业经历了迅猛的增长趋势。然而，金融危机改变了这个趋势，行业面临着太阳能电池、模组库存的积压。继而导致了生产放缓，新厂房建设计划搁置。特别在这样严峻的市场环境下，只有最优秀的生产商能够存活并在困难时期继续发展。
　　没有一个良好的信息系统，大规模的生产作业就不可能正常运行。光伏本质上属于高科技技术，新工厂的建立并迅速增加，科技发展的速度意味着现在人们比以往任何时候更需要信息支持。已证实MES系统的导入可以：
　　⊙ 加快新工厂产量提升的速度
　　⊙ 优化生产配方和设定点
　　⊙ 最大化产率
　　⊙ 降低生产成本
　　⊙ 提高设备利用率和效率
　　信息中心
　　实时MES系统连接到生产设备和工艺单元上来采集和管理数据。普迪光伏MES是一套实时物料追踪引擎，能够持续不断地采集数据，维持一个虚拟工厂模型。
　　当处于生产线中的物料进入流动状态，同时也在虚拟计算机模型中流动。它基于从工艺设备上自动采集数据以及通过操作员屏幕或条形码阅读器的人工数据采集。计算机模型就像一面镜子，实时显示真实工艺流程中的状态。该模型然后会提供一个关系数据库和时间序列数据库，以便以后根据不同的选择规则提取数据和分组数据，因而可以同时进行分析和优化的生产报告。
　　自动化数据采集的部署是安装MES系统的一个关键部分。光伏行业对于设备整合没有类似半导体行业SECS/GEM的统一标准。对应用于光伏行业并基于诸如OPC和SECS/GEM以及XML等其他等行业标准协议的整套设备和工艺单元，普迪在与这些设备和工艺连接方面有着非常丰富的经验。
　　普迪已经与下图所示的设备供应商的设备进行对接。在一个典型的装置中，每秒可以从工艺设备采集上千的实时数据值。MES系统也应该能连接到ERP系统。ERP系统会通常地提供原料数据和接收来自MES系统的数据，如消耗的原料，产量，质量，半成品和库存。这些数据类型通常在ERP系统中做会计用途。系统整合，数据采集和追踪是最大化利用MES系统的基础。因此，利用充足的时间和金钱投资一个优良的数据采集支柱具有重大意义。

图1: 光伏制造流程-硅片制备


图2: 光伏制造流程-设备制造

　　利用ＭＥＳ进行日常运作
　　现代光伏行业中，MES系统用于监控和观察工艺流程运作情况，更好的控制生产工艺，获得更高的产率和品质。举例，持续监控和控制的功能如下：
　　⊙ 确保只有通过质量控制和少子寿命测试的硅块才可以登记入硅片切割锯。
　　⊙ 在实时图表中显示电池片印刷线的破碎率。
　　⊙ 给出整条生产线的实时总图，并可供数据挖掘。
　　⊙ 显示实时SPC图表以确保正确的生产运行或工艺流程。
　　⊙ 显示状态，警报和关键绩效指标。
　　⊙ 显示模组生产过程中层压机温度和压力的实时数据趋势。

图3: 模组生产中的状态显示

　　利用ＭＥＳ处理偏差
　　假设MES系统在生产过程中发出警报，显示相对于从硅片线自动采集的数据，硅片产率低于正常值。当工艺工程师接收到此警报，他想要找到根本原因和解决问题的方案。他从MES系统中的获取硅片产率报告，钻研数据查找不合格的硅片是否可以追溯到特定的硅片锯、特定的原料批次或一些其他的根本原因。另外一个例子是找出设备不能正常运行的根本原因，例如切割锯的线断裂。步骤如下：
　　⊙ 比较正常运行和非正常运行的工艺参数。
　　⊙ 检查线批次用以确认来自同样批次的其他运行是否有问题。
　　⊙ 检查警报记录确认是否有任何具体的警报。
　　⊙ 检查硅块用以寻找夹杂物的迹象。 　　利用ＭＥＳ优化工艺和产品
　　当建立一座新工厂，快速达到满产对早期现金流至关重要。MES系统通过快速识别不合格品的原因，从而极大地加快了满产速度。因此安装MES系统并在工厂建立之前运行极为重要。MES系统是用来识别完成生产目标中遇到障碍的一种重要工具。当工厂建立并开始运行，MES系统依然是持续优化工艺的重要工具。
　　在达到Grid Parity的角逐中，我们需要持续不断地改进工艺。在这场竞赛中，为找到最优工艺设定点和工艺配方，MES系统起着重要的作用。工艺优化和分析例子如下：
　　⊙ 通过追踪数据找到硅片产率和硅片锯设置参数之间的关联。
　　⊙ 通过利用单个硅片追踪信息分析电池转换效率相关于印刷线工艺数据，针对电池转换率，优化电池片印刷线设置。
　　⊙ 通过数据分析在模组层压机里优化能源使用，以便找到最佳温度和压强指标保持质量，然后建立基于模型的控制器，用来执行最佳设定点和控制。
　　普迪分析工具辅助完成这类模型和分析。下面的图表是该工具的一个屏幕截图，这里会生成一个统计系谱图。该工具还可以分类数据集，分析之间的关联和相互影响。
　　通过在既定的时间内，选择一组符合特定衡量标准的半成品或成品来完成这些。硅片例子：
　　⊙ 在最后4天内生产
　　⊙ 利用切割锯1到10进行切片
　　⊙ 基于来自供应商1或多晶硅厂1或硅多晶硅厂2的原料
　　下图例子所示，工艺数据首先根据它们的采集源进行分组，即原料，CZ拉晶炉，硅片切割锯，和硅片质量数据。将每组的硅片集中起来以便相似参数的硅片在这个组别中定义一个集合，如图中方块所示。然后根据这些参数值给方块加以颜色。
　　方块之间的连线说明硅片在不同集合之间的过渡。连线的粗细与硅片的数量成比例，而连线的颜色表示参数值。可以通过看连线的颜色和粗细来了解硅片在整个过程中是如何运行的。
　　很多有效信息可以直接从该图中收集。例如，如果我们看原料第1组方块，再沿着整个过程中同样颜色的连线，我们会看到同样颜色的连线即将进入质量第2组方块，然而这种颜色的连线没有一条会进入第1组。如果这里第2组代表劣质硅片，那么结论就是原料第1组硅片很可能与劣质硅片相符合。为了进一步调查，工程师会通过系谱图深入研究细节，观察有关工艺，变量以及工具/设备等的细节。

图4: 工艺数据分组举例

　　利用ＭＥＳ进行标杆管理
　　管理层利用MES比较产率和行业标杆工厂以及生产线。以下屏幕截图显示了来自普迪某个客户利用普迪光伏MES系统的标杆图表。 备注：由于客户保密要求，所有数据是虚构数据。我们观察到第１工厂的产率在第４周急剧下降。对生产数据（工艺设备中的运行参数，原料等）进一步的分析揭示了产率损失的原因。需要采取措施提高产率。

图5：产量发展趋势图

　　我们观察到“低于限度的少子寿命”损失类别明显大于第２工厂的其他类别。有必要对第２工厂进一步分析。“硅片切割锯线断裂”损失类别在三个工厂中都很大。进一步分析硅片切割锯参数可以减少线断裂造成的损失。

图6：三个不同工厂的损失类别

　　其他的报告标杆类型报表包括OEE报表，显示特定工厂的设备时间开动率，设备性能开动率和产品合格率（产率）。可以显示整条生产线或单个设备的实时的或在既定时间内的OEE。报告举例参见图７。

图7：显示多个数据流的报告举例

　　利用ＭＥＳ预测维护需要
　　传统的维护计划是在时间基础上每隔一定间隔进行。普迪光伏MES包含一个预测维护模块（PdM）。PdM模块预测设备状态的未来趋势。这种方法利用统计过程控制，多变量技术和基于模型的评估技术原理来判断未来什么时候需要进行维护活动。
  预测维护运行最佳时间段的模型例子：
　　⊙ 为硅片切割锯注册运行时间，以便预测滑轮和导向器的更换时间。
　　⊙ 将力，温度等测量方法联合起来监控带锯。这些变量共同地用于预测模型，来判断锯条更换的最佳时间片段。该模型根据切割锯运行历史不断地改变以适应情况。
　　⊙ 恰当的利用PdM技术可以减少受监控设备的停机时间，从而增加平均产率。

　　ＭＥＳ在光伏行业的发展趋势
　　业界对MES方案提供单个产品追踪功能的兴趣日益浓厚。当今很少一种系统可以提供这种功能。（而普迪光伏MES系统可以做到）。单个产品追踪可以为生产优化进行详细的产率分析。
　　大量的自动化数据采集是核心准则。来自工艺行业启示：“测量的越多总比测量的越少好”。时间序列数据准确无误地与相关导向数据结合起来。
　　甚至可以开发更好的分析工具，模拟生产参数和产率、质量测量方法之间的关系。这有利于稳步提高生产绩效（工艺智能）。
　　对整条价值链上的数据分析和优化进行价值链追踪会显得极为平常。这种类型的追踪方便了从多晶硅到模组生产的数据分析。
　　专注于光伏行业的MES公司会不断成长强大。致力于太阳能的厂商生产专门用于太阳能的产品。普迪致力于融入这个未来，积极参与太阳能行业的研究计划。其中之一就是基于模型的优化和CZ拉晶炉的控制，此外，进一步开发基于模型的工艺智能化工具，多元和统计技术。
　　作为关注焦点之一，普迪还加入到新成立的“太阳能电池技术挪威研究中心”。合作方有普迪，NTNU,SINTEF,奥斯陆大学，Elkem Solar, Fesil Sunergy, Hydro, Norsun, REC, Scatec, Solar Cell Repower以及Umoe Solar。
　　该研究中心的主要目标是扮演现在和未来的角色，致力于在挪威太阳能电池行业获得最新技术水平和科学技能知识。研究中心预算总耗资5000万欧元，分摊到中心计划的8年时间里。


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