韓棟梁，黃家海，權 龍，龐江瑞

HAN Dong-liang, HUANG Jia-hai, QUAN Long, PANG Jiang-rui

（太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原 030024）

0 引言

在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)中，多晶硅太陽能電池片因其生產(chǎn)成本低、光電轉換效率高等優(yōu)點，所占比例越來越大，成為目前太陽能電池生產(chǎn)中最主要的材料，多晶硅鑄錠爐隨之也成為光伏產(chǎn)業(yè)最重要的設備之一。多晶硅鑄錠爐將高純硅料熔化后通過定向凝固生長高品質(zhì)硅錠，然后將其切片加工供太陽能電池使用[1,2]。

國內(nèi)原有設備屬于半自動化設備，生產(chǎn)效率低，還需要人工參與操作，憑借著操作者經(jīng)驗進行控制，連續(xù)生產(chǎn)時晶體質(zhì)量得不到保證。且不能對工廠內(nèi)的所有鑄錠設備實現(xiàn)集中監(jiān)測。因此，自主研發(fā)多晶硅鑄錠爐控制的關鍵技術，是目前我國光伏產(chǎn)業(yè)的當務之急[3]。本文中使用奧普圖公司新型PAC控制器對多晶硅鑄錠爐原有控制系統(tǒng)進行升級改造，遠程集中控制系統(tǒng)在多晶硅鑄錠爐大生產(chǎn)中的應用使得生產(chǎn)效率大大提高，有利于設備的集中管理和資源的統(tǒng)一調(diào)配，鑄錠質(zhì)量和設備的一致性有所提高。整套系統(tǒng)適合現(xiàn)今大規(guī)模鑄錠加工企業(yè)進行自動化生產(chǎn)，對一些重要的工藝參數(shù)進行集中統(tǒng)一管理以適應集中化管理的需要。

1 生產(chǎn)工藝流程

隨著企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的不斷擴大，設備控制系統(tǒng)變化不大，隨著設備裝爐量和數(shù)量的增加，對設備工藝和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和一致性提出了更高的技術要求。本文主要研究450公斤多晶硅鑄錠爐，鑄錠爐結構如圖1所示。

圖1 多晶硅鑄錠爐結構圖

多晶硅鑄錠爐整個生產(chǎn)過程主要包括裝爐、抽真空、加熱、充氣、冷卻、出爐等工作流程，除裝爐和出爐需人工參與外，其余動作全部由設備自動完成[4]。

首先，手動啟動“爐門升降”操作，打開下爐門至最低位，電動叉車將裝好料的坩堝送入到爐體底部的工作平臺上，關閉下爐門，爐門升降時系統(tǒng)檢測到上下限位傳感器后自動停止。開啟“工藝流程啟動”按鈕后，設備自動完成加熱、熔化、長晶、退火、冷卻等工藝生長過程。當爐內(nèi)溫度低于400℃時，恢復爐體內(nèi)壓力，開門出料，整個生產(chǎn)過程完成[5]。

在晶體生長過程中，開啟機械泵和抽氣閥門對設備抽真空，真空度到達10Torr時，開啟羅茨泵，對設備進行快速抽真空，腔體內(nèi)真空度達到工作真空度后，關閉真空機組。系統(tǒng)自動檢測爐體的氣體泄漏率，當泄漏率小于設定值時，再次開啟真空機組對設備抽真空，同時啟動加熱程序，按照設定的溫度曲線對硅料進行加熱。工藝進入加熱階段，當工藝設定溫度達到1200℃時，關閉抽氣閥門和羅茨泵，同時開啟氬氣進氣閥和排氣比例閥，氬氣經(jīng)質(zhì)量流量控制器后充入腔體內(nèi)，同時機械泵通過排氣比例閥及相應的管路對腔體抽氣，使腔體內(nèi)的壓力達到設定值，整個氣體動態(tài)平衡系統(tǒng)由PID系統(tǒng)自動完成。爐體頂部的紅外測溫儀測試坩堝頂部硅料溫度的變化，當紅外測溫儀測試的溫度從穩(wěn)定到波動，再到穩(wěn)定時，同時坩堝底部石墨平臺的溫度值達到1450℃時，硅料完全熔化。工藝進入長晶階段，隔熱屏按照事先設定的速度開始提升，在熔化的硅料內(nèi)部形成垂直方向的溫度梯度，滿足晶體生長的條件。隨著長晶過程的進行，當變壓器輸出功率逐漸降低到最低，功率變化值不再明顯時，此時長晶過程結束。程序自動進入退火階段，退火完成后冷卻出爐，整個生產(chǎn)工藝流程結束。

2 PAC控制系統(tǒng)設計

圖2 控制系統(tǒng)框圖

圖3 系統(tǒng)軟件控制流程圖

PAC控制系統(tǒng)主要對各個生產(chǎn)工藝中真空機組、功率控制器、電磁閥、爐門升降電機、隔熱屏升降電機等進行控制，同時對各個流程時間進行掌控，并配合上位機進行工藝調(diào)整。PID控制器實現(xiàn)對壓力、溫度等參數(shù)的控制。控制器采用Opto Control在線修改或下裝控制程序。

本系統(tǒng)采用SNAP-PAC-S1雙網(wǎng)冗余控制器，實現(xiàn)實時多任務的操作，SNAP I/O單元模塊對生產(chǎn)過程進行智能控制，SNAP I/O模塊的I/O端與現(xiàn)場端具有4000V光電隔離，減少了外部因素對控制器本身的影響[1]。PAC系統(tǒng)采用分布式架構，控制回路運行在I/O單元上而不是主控制器上，在控制器異常情況下，I/O單元與控制器失去通訊（或者控制器無故中斷），而I/O單元和PID控制回路會繼續(xù)運行，因此保證了工藝過程的正?？刂芠6]。

PAC控制器通過數(shù)字量輸出模塊SNAP ODC5對電機、電磁閥等進行控制，SNAP ODC5輸出的控制信號經(jīng)過中間繼電器連接到電機的三相交流接觸器或電磁閥線圈上，同時通過中間繼電器反饋電機運行狀態(tài)和閥得開關狀態(tài)到數(shù)字量輸入模塊SNAP IDC5上。PAC控制器通過模擬量輸出模塊對溫度、壓力、流量、轉速等參數(shù)進行控制，如質(zhì)量流量控制器、比例閥、晶閘管調(diào)壓器、直流電機等，PAC控制器通過模擬量輸入模塊實現(xiàn)對溫度、壓力、氣體流量的檢測。熱電偶測量爐內(nèi)各個位置的溫度變化值，熱電偶采集的毫伏電壓信號經(jīng)過模擬量輸入模塊SNAP-AITM2運算后轉化為溫度值，通過PID控制回路計算后由模擬量輸出模塊SNAP-AOA輸出4～20mA信號調(diào)節(jié)可控硅的輸出，實現(xiàn)爐內(nèi)溫度的閉環(huán)控制。壓力計采集的直流電壓信號經(jīng)過模擬量輸入模塊SNAP-AIV運算后轉化為爐體內(nèi)部的壓力值，經(jīng)過控制器PID控制回路計算后由模擬量輸出模塊SNAP-AOV輸出0～5V信號調(diào)節(jié)排氣比例閥的開口大小，實現(xiàn)爐內(nèi)壓力的閉環(huán)控制。PAC控制器通過SNAP-SCM-232通訊模塊實現(xiàn)對隔熱屏提升伺服電機的速度進行控制。

電磁閥直接由24V供電，可以使用SNAP ODC5開關量輸出信號直接控制。通過數(shù)字量輸入模塊SNAP IDC5檢測位置傳感器信號，當完成某個工藝流程或設備有故障出現(xiàn)時，進行報警處理，開關量輸出模塊SNAP ODC5驅(qū)動報警器發(fā)出聲光報警，同時上位機顯示報警提示信息[7]。各個模擬量輸入以及輸出模塊與傳感器及其控制器之間需添加信號隔離模塊，以防其他信號對PAC模塊進行干擾。由于用于加熱控制的可控硅調(diào)壓器在工作時會在電網(wǎng)產(chǎn)生高次諧波信號，為防止電網(wǎng)諧波對控制系統(tǒng)的影響，在電路設計中增加了濾波裝置?？傮w控制系統(tǒng)如圖2所示。

主程序按照工藝流程進行順序控制，并使用控制器內(nèi)部定時器對每個階段的時間進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)自動記錄工藝過程中的各個參數(shù)值，并在上位機界面上實時顯示。系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖3所示。

3 上位機界面設計

采用Opto22的PAC DISPLAY軟件編成HMI 修改或組態(tài)顯示上位機界面，將界面中各個模塊與軟件程序中各個變量進行關聯(lián)。上位機與PAC控制器采用以太網(wǎng)協(xié)議進行通訊，在PAC中將上位機作為主站，控制器可以將現(xiàn)場層的生產(chǎn)數(shù)據(jù)直接通過OPTO DATALINK 實時傳送到上位機的數(shù)據(jù)庫中，同時通過企業(yè)局域網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到工廠數(shù)據(jù)庫中?？刂葡到y(tǒng)監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 上位機監(jiān)控界面

系統(tǒng)開始運行前，需要對各個參數(shù)進行設置，根據(jù)所裝載硅料的重量來選擇工藝曲線，系統(tǒng)按照設定的工藝曲線自動運行，在工藝流程運行過程中，操作人員可以視具體情況，對參數(shù)進行適當調(diào)整，對各階段時間、溫度、壓力、隔熱屏提升速度等參數(shù)進行修改。上位機界面中可以監(jiān)測各參數(shù)的實時值，系統(tǒng)可實現(xiàn)手自動之間的無擾切換。

為保障系統(tǒng)的正常運行，上位機工作站采用靈活簡便的人機交互界面?？蓪崿F(xiàn)：

分級登錄：分操作員/系統(tǒng)維護工程師/系統(tǒng)管理員三級，各級用戶對設備的操作權限不同。

本地/遠程切換：系統(tǒng)管理員可通過遠端暫停本站控制，支持遠程控制。

用戶管理：系統(tǒng)維護工程師可以在登錄后，增刪操作員用戶，同樣，系統(tǒng)管理員可對系統(tǒng)維護工程師進行管理。

數(shù)據(jù)保存及自動打?。簲?shù)據(jù)可自動保存在SQL數(shù)據(jù)庫中，可實時進行打印和查看歷史數(shù)據(jù)。

事件管理功能：用戶可查看不同時期的報警記錄、操作員對設備的操作記錄及各種數(shù)據(jù)記錄等。

4 結束語

本系統(tǒng)采用先進的PAC控制器設計了一套多晶硅鑄錠爐自動控制系統(tǒng)，根據(jù)多晶硅生長工藝對鑄錠生產(chǎn)的整個流程進行自動化控制。根據(jù)實際生產(chǎn)過程出發(fā)，系統(tǒng)能夠完成企業(yè)對生產(chǎn)工藝的要求?？梢詫崿F(xiàn)不同質(zhì)量硅錠的生產(chǎn)，系統(tǒng)管理員可以遠程監(jiān)控每臺設備的工作狀況，實現(xiàn)了多臺設備的集中監(jiān)控和管理，同時監(jiān)控界面的使用使得整個生產(chǎn)過程更操作簡便，大大提高了工作效率。各個流程由控制系統(tǒng)自動控制，避免了因人工引起的誤操作，使得鑄錠質(zhì)量有了3%～5%的提高。

[1]郭景杰,黃鋒,陳瑞潤.太陽能電池用多晶硅鑄造技術研究進展[J]. 特種鑄造及有色合金,2008,07:516-521.

[2]王建華,吳季平,徐偉.太陽能應用研究進展[J].水電能源科學,2007,04:155-158.

[3]劉超,黃杰.對多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)工藝控制技術的研究[J]. 科技創(chuàng)新與應用,2012:26-137.

[4]侯煒強.多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)工藝控制技術和設備組成[J].電子工藝技術,2008,05:291-293.

[5]唐亞楠,沈厚發(fā).多晶硅鑄造過程溫度場模擬仿真[J].系統(tǒng)仿真學報,2010,07:1614-1617.

[6]Hermans C.Broadband Opto-Electrical Receivers in Standard[M].2010:56-58.

[7]曹建偉.直拉式單晶硅生長爐的關鍵技術研究[D].浙江大學,2010:43-47.