★研祥智能科技股份有限公司

1　背景

全球能源供應(yīng)日趨緊張，能源價(jià)格持續(xù)上漲。全球大部分國(guó)家和地區(qū)都提出了“碳中和”目標(biāo)，并設(shè)立了相應(yīng)的激勵(lì)政策，世界各國(guó)都在大力推進(jìn)可再生能源的發(fā)展。歐盟、印度等國(guó)家都迎來(lái)了光伏裝機(jī)的歷史新高，且市場(chǎng)需求日益旺盛。在“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略引領(lǐng)下，中國(guó)的能源革命正在加速推進(jìn)中，光伏作為綠色可再生能源正在進(jìn)入大規(guī)模高質(zhì)量發(fā)展階段。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，國(guó)家推出多項(xiàng)政策促進(jìn)能源改革，國(guó)家發(fā)改委在《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中明確，大力推進(jìn)風(fēng)電和光伏發(fā)電基地化開發(fā)。其中，以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)加快推進(jìn)，總規(guī)模達(dá)到4.55億千瓦。

單晶硅爐是半導(dǎo)體材料直拉法晶體專用設(shè)備，其硅單晶棒料經(jīng)切割等后續(xù)工藝處理成芯片被制作為二極管、太陽(yáng)能電池、集成電路等半導(dǎo)體材料的主要器件。隨著光伏行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)硅材料的需求也日益增加，對(duì)單晶硅爐的智能化高效生產(chǎn)提出了更高的要求。本文講述的是研祥HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）智能控制設(shè)備和智能管理平臺(tái)在光伏制造領(lǐng)域中自動(dòng)化單晶硅生產(chǎn)爐中的應(yīng)用。

2　應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)工藝流程

單晶硅是半導(dǎo)體、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、集成電路等產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料。它是晶體材料的重要組成部分。而自然界中天然高純度的單晶硅數(shù)量極少，很難滿足實(shí)際的應(yīng)用要求，因此需要專門的制硅生產(chǎn)工藝來(lái)生產(chǎn)高品質(zhì)的單晶硅，直拉法就是現(xiàn)今單晶硅的主要生產(chǎn)技術(shù)之一。研祥通過(guò)HMI控制技術(shù)和智能管理平臺(tái)來(lái)助力國(guó)內(nèi)單晶硅制造企業(yè)提高單晶硅的生產(chǎn)效率和品質(zhì)。

2.1　單晶硅爐組成

單晶硅爐主要由主機(jī)爐體、加熱電源和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成。

（1）主機(jī)爐體主要包括：機(jī)架、立柱、坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、晶體提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、真空系統(tǒng)、沖氬氣系統(tǒng)及水冷系統(tǒng)等。

（2）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：底層PLC控制、上位機(jī)采用研祥HMI工業(yè)平板電腦，配備大屏觸摸式HMI人機(jī)界面、高像素CCD視覺(jué)系統(tǒng)，來(lái)拍照觀察晶體生長(zhǎng)情況。

2.2　單晶硅生長(zhǎng)工藝流程（如圖1所示）

圖1 單晶硅生長(zhǎng)工藝流程

裝料：將多晶硅原料及摻雜劑放入石英坩堝內(nèi)。

熔料：將單晶爐抽真空，并充入定量的高純氬氣來(lái)穩(wěn)定壓力，打開加熱電源加熱升溫，使原料充分熔化。

引晶：將籽晶浸入熔硅體中，使其頭部和熔硅形成固液界面，然后以一定速度向上提拉籽晶并同時(shí)旋轉(zhuǎn)引出晶體。

縮頸：生長(zhǎng)一定長(zhǎng)度的縮小的細(xì)長(zhǎng)頸的晶體，以防止籽晶中的位錯(cuò)延伸到晶體中。縮頸過(guò)程，直徑越細(xì)，位錯(cuò)越少，但直徑過(guò)細(xì)，支撐不了晶棒重量，會(huì)發(fā)生掉棒的安全事故。

放肩：放肩是減慢晶體提拉速度，降低溫度，使直徑增大，控制到所需直徑。等徑生長(zhǎng)：根據(jù)熔體和單晶爐的情況，控制晶體等徑生長(zhǎng)到所需長(zhǎng)度，等徑生長(zhǎng)是晶體生長(zhǎng)的主體部分，單晶硅片的原料從這部分獲得。收尾：等徑生長(zhǎng)完成之后，晶棒直徑逐漸縮小，直到形成一尖點(diǎn)與液面分開，離開熔體。降溫停爐：收尾結(jié)束后，單晶棒緩慢升入副室冷卻，并取出待后續(xù)加工，這是完成一次生長(zhǎng)周期。

3　應(yīng)用架構(gòu)和方案實(shí)施

早期的直拉式單晶硅生產(chǎn)完全依賴人工觀察和操作，生產(chǎn)效率低、誤差大、品質(zhì)沒(méi)有保障，可利用率低下。從單晶硅生產(chǎn)工藝來(lái)看，單晶硅的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，尤其對(duì)晶體生長(zhǎng)直徑精度控制要求高。故而單晶硅爐需要采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)，來(lái)確保單晶硅的生長(zhǎng)品質(zhì)和效率。目前行業(yè)內(nèi)主流解決方案是：控制系統(tǒng)核心采用研祥的工業(yè)觸摸一體機(jī)，友好的HMI人機(jī)界面；給高像素的CCD工業(yè)相機(jī)信號(hào)，CCD工業(yè)相機(jī)對(duì)熔煉爐內(nèi)晶體直徑、液口距、等徑斷線等生長(zhǎng)信息采集，通過(guò)視覺(jué)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視熔煉爐中的單晶硅生長(zhǎng)情況；并通過(guò)底層PLC來(lái)對(duì)各過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程是高精度閉環(huán)控制，減少了操作管理員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.1  方案難點(diǎn)

（1）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜。廠房?jī)?nèi)布置有上千臺(tái)單晶硅爐，電磁干擾嚴(yán)重，需要工控機(jī)具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

（2）防電磁干擾要求高。對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)有干擾，因此需要采用具有屏蔽功能的網(wǎng)線。

（3）7×24小時(shí)不間斷工作。由于生產(chǎn)工藝的要求，因此單晶硅爐需要7×24小時(shí)不間斷工作，對(duì)工控機(jī)的穩(wěn)定性要求高。

（4）為了保證數(shù)據(jù)的安全性，現(xiàn)場(chǎng)禁用U盤，只有獲得授權(quán)的U盤，才可以在工控機(jī)上使用。客戶目前是通過(guò)人力監(jiān)控，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不好。

（5）當(dāng)客戶需要在工控機(jī)上部署客戶對(duì)應(yīng)的軟件，要對(duì)每一臺(tái)機(jī)器進(jìn)行軟件安裝，平均每臺(tái)機(jī)器需要5～８分鐘，部署1000臺(tái)設(shè)備，一個(gè)操作員需要花費(fèi)３～５天的時(shí)間，效率低下。

3.2　應(yīng)用架構(gòu)圖（如圖2所示）

圖2 應(yīng)用架構(gòu)圖

3.3　應(yīng)用方案的實(shí)施

（1）后臺(tái)中控：研祥IPC-860工控機(jī)，出廠帶研祥智能管理平臺(tái)服務(wù)端。后臺(tái)的管理員進(jìn)行操作，可以遠(yuǎn)程監(jiān)視和操作工控機(jī)。

（2）工控機(jī)：研祥W15工業(yè)平板電腦，出廠帶研祥智能管理平臺(tái)客戶端；搭載視覺(jué)工業(yè)相機(jī)，安裝視覺(jué)軟件。核心工作是分析工業(yè)相機(jī)拍到的照片，確認(rèn)是否需要調(diào)整各工藝階段的參數(shù)，并將指令下發(fā)給PLC。

（3）工業(yè)相機(jī)：每一秒鐘上傳一張圖片（圖片大小約900K）到工控機(jī)。

（4）PLC：PLC接到工控機(jī)的指令，將指令傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，來(lái)操作熔煉爐，調(diào)整參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)操作員也可以通過(guò)PLC搭配的觸摸屏，手動(dòng)操作PLC。

3.4　研祥HMI工業(yè)平板主要特點(diǎn)

研祥W15系列是一款15.6"寬屏工業(yè)平板電腦（如圖3所示），整機(jī)采用鋁合金材質(zhì)，系統(tǒng)架構(gòu)采用主板+擴(kuò)展板設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各模塊板之間連接采用高可靠連接器對(duì)接，保證高可靠性的運(yùn)行環(huán)境，具有良好的EMC、防塵、散熱、抗振性能。該系列是面向高端MES、綜合監(jiān)控、自動(dòng)化等領(lǐng)域，主要用于生產(chǎn)線MES、綜合監(jiān)控(軌道交通，樓宇，電力等)、醫(yī)療信息化、單晶硅爐、風(fēng)電等惡劣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制應(yīng)用。

（1）產(chǎn)品圖片

圖3 研祥W15系列工業(yè)平板電腦

（2）主要特點(diǎn)

·全密閉低功耗無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)；

·工業(yè)級(jí)觸摸屏，防護(hù)等級(jí)滿足IP65；

·豐富的I/O接口，可滿足現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)傳輸采集，以及多信號(hào)控制；

·多千兆網(wǎng)口可用于冗余網(wǎng)絡(luò)；

·搭載組態(tài)軟件，友好HMI人機(jī)界面。

3.5  研祥智能管理平臺(tái)主要特點(diǎn)

（1）平臺(tái)組成：目前平臺(tái)由單個(gè)服務(wù)端和多個(gè)客戶端組成，各個(gè)客戶端獨(dú)立工作，服務(wù)端可控制接入的客戶端。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控：客戶端監(jiān)控并記錄設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備異常時(shí)，服務(wù)端處實(shí)時(shí)通知。方便快速發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備異常，運(yùn)行數(shù)據(jù)為維護(hù)和升級(jí)設(shè)備提供數(shù)據(jù)支持。

（3）遠(yuǎn)程控制：服務(wù)端處支持上傳控制文件并同步至各個(gè)客戶端，客戶端處響應(yīng)服務(wù)端命令在規(guī)定時(shí)間內(nèi)運(yùn)行控制文件。控制類型和內(nèi)容多樣，供額外開發(fā)拓展，通用性好，可支持拓展多種控制功能。

（4）U盤禁用：對(duì)客戶端的U盤使用進(jìn)行限制，只有在服務(wù)端處備案認(rèn)證過(guò)的U盤才能在客戶端處使用。

（5）穩(wěn)定性好：服務(wù)端與客戶端可長(zhǎng)時(shí)間無(wú)差錯(cuò)運(yùn)行，客戶端運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)資源占用可忽略，不影響設(shè)備軟件的正常運(yùn)行。軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件架構(gòu)圖

4　案例效益分析

早期的直拉式單晶硅生產(chǎn)完全依賴人工觀察和操作，生產(chǎn)效率低、誤差大、品質(zhì)沒(méi)有保障，可利用率低下。研祥提供的解決方案，從后臺(tái)中控、核心控制到底層控制，從軟件和硬件上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，跨層協(xié)作。助力客戶提高單晶硅產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率、降低成本，確保生產(chǎn)安全。

（1）后臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析：以前監(jiān)控1000臺(tái)單晶硅設(shè)備是否正常運(yùn)行，完全依靠現(xiàn)場(chǎng)人員人工巡檢，效率低下。而現(xiàn)在采用該方案后，后臺(tái)的管理員在研祥IPC-860智能管理平臺(tái)服務(wù)端上進(jìn)行操作，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控單晶硅設(shè)備是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備上的W15工業(yè)平板電腦是否正常運(yùn)行。

（2）部署軟件方便：以前部署1000臺(tái)設(shè)備，1個(gè)操作員需要花費(fèi)３～５天的時(shí)間；而現(xiàn)在采用該方案后，只需要３～５分鐘即可批量安裝完畢，提升效率，降低人員成本。

（3）提升產(chǎn)品品質(zhì)：該解決方案通過(guò)工控機(jī)與傳感器和圖像處理設(shè)備的配合，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析單晶硅的生長(zhǎng)特征，并根據(jù)分析結(jié)果，來(lái)確認(rèn)是否需要下層的PLC來(lái)調(diào)整各工藝階段的參數(shù)，從而提高產(chǎn)品的一致性和可靠性。

（4）確保生產(chǎn)的安全性：以前客戶現(xiàn)場(chǎng)并沒(méi)有對(duì)U盤的使用進(jìn)行限制和管理，而采用該方案后，我們從管理平臺(tái)上可以對(duì)U盤禁用，對(duì)客戶端的U盤使用進(jìn)行限制，只有在服務(wù)端備案認(rèn)證過(guò)的U盤才能在客戶端使用。這樣避免了因病毒感染導(dǎo)致機(jī)器故障，從而產(chǎn)生安全事故。

（5）確保生產(chǎn)資料的保密性：U盤禁用后，產(chǎn)品的生產(chǎn)資料不能隨意拷貝，提高了企業(yè)生產(chǎn)資料的保密性。

5　案例意義概述

從該案例可以看出，智能化的生產(chǎn)和管理貫穿了單晶硅的全工藝流程，使其生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)大幅提高；降低了生產(chǎn)過(guò)程中人員成本，保障了企業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性。研祥該解決方案各部分分開設(shè)計(jì)測(cè)試，縮短了開發(fā)周期，升級(jí)換代方便。使客戶的生產(chǎn)系統(tǒng)和企業(yè)管理系統(tǒng)更好地融于一體，真正實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)智能化。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年11月刊