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★研祥智能科技股份有限公司

1　背景

全球能源供應日趨緊張，能源價格持續上漲。全球大部分國家和地區都提出了“碳中和”目標，并設立了相應的激勵政策，世界各國都在大力推進可再生能源的發展。歐盟、印度等國家都迎來了光伏裝機的歷史新高，且市場需求日益旺盛。在“碳達峰、碳中和”戰略引領下，中國的能源革命正在加速推進中，光伏作為綠色可再生能源正在進入大規模高質量發展階段。為了實現“雙碳”目標，國家推出多項政策促進能源改革，國家發改委在《“十四五”可再生能源發展規劃》中明確，大力推進風電和光伏發電基地化開發。其中，以沙漠、戈壁、荒漠地區為重點的大型風電光伏基地建設加快推進，總規模達到4.55億千瓦。

單晶硅爐是半導體材料直拉法晶體專用設備，其硅單晶棒料經切割等后續工藝處理成芯片被制作為二極管、太陽能電池、集成電路等半導體材料的主要器件。隨著光伏行業的飛速發展，對硅材料的需求也日益增加，對單晶硅爐的智能化高效生產提出了更高的要求。本文講述的是研祥HMI（Human Machine Interface，人機界面）智能控制設備和智能管理平臺在光伏制造領域中自動化單晶硅生產爐中的應用。

2　應用現場工藝流程

單晶硅是半導體、太陽能光伏發電、集成電路等產業的基礎材料。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量極少，很難滿足實際的應用要求，因此需要專門的制硅生產工藝來生產高品質的單晶硅，直拉法就是現今單晶硅的主要生產技術之一。研祥通過HMI控制技術和智能管理平臺來助力國內單晶硅制造企業提高單晶硅的生產效率和品質。

2.1　單晶硅爐組成

單晶硅爐主要由主機爐體、加熱電源和計算機控制系統三大部分組成。

（1）主機爐體主要包括：機架、立柱、坩堝提升旋轉機構、晶體提升旋轉機構、液壓驅動裝置、真空系統、沖氬氣系統及水冷系統等。

（2）計算機控制系統：底層PLC控制、上位機采用研祥HMI工業平板電腦，配備大屏觸摸式HMI人機界面、高像素CCD視覺系統，來拍照觀察晶體生長情況。

2.2　單晶硅生長工藝流程（如圖1所示）

圖1 單晶硅生長工藝流程

裝料：將多晶硅原料及摻雜劑放入石英坩堝內。

熔料：將單晶爐抽真空，并充入定量的高純氬氣來穩定壓力，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旋轉引出晶體。

縮頸：生長一定長度的縮小的細長頸的晶體，以防止籽晶中的位錯延伸到晶體中。縮頸過程，直徑越細，位錯越少，但直徑過細，支撐不了晶棒重量，會發生掉棒的安全事故。

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：根據熔體和單晶爐的情況，控制晶體等徑生長到所需長度，等徑生長是晶體生長的主體部分，單晶硅片的原料從這部分獲得。收尾：等徑生長完成之后，晶棒直徑逐漸縮小，直到形成一尖點與液面分開，離開熔體。降溫停爐：收尾結束后，單晶棒緩慢升入副室冷卻，并取出待后續加工，這是完成一次生長周期。

3　應用架構和方案實施

早期的直拉式單晶硅生產完全依賴人工觀察和操作，生產效率低、誤差大、品質沒有保障，可利用率低下。從單晶硅生產工藝來看，單晶硅的生產工藝復雜，尤其對晶體生長直徑精度控制要求高。故而單晶硅爐需要采用全自動控制系統，來確保單晶硅的生長品質和效率。目前行業內主流解決方案是：控制系統核心采用研祥的工業觸摸一體機，友好的HMI人機界面；給高像素的CCD工業相機信號，CCD工業相機對熔煉爐內晶體直徑、液口距、等徑斷線等生長信息采集，通過視覺軟件實時監視熔煉爐中的單晶硅生長情況；并通過底層PLC來對各過程進行自動調節。整個生長過程是高精度閉環控制，減少了操作管理員的勞動強度。

3.1  方案難點

（1）現場應用場景復雜。廠房內布置有上千臺單晶硅爐，電磁干擾嚴重，需要工控機具有較強的抗電磁干擾能力。

（2）防電磁干擾要求高。對網絡傳輸信號有干擾，因此需要采用具有屏蔽功能的網線。

（3）7×24小時不間斷工作。由于生產工藝的要求，因此單晶硅爐需要7×24小時不間斷工作，對工控機的穩定性要求高。

（4）為了保證數據的安全性，現場禁用U盤，只有獲得授權的U盤，才可以在工控機上使用。客戶目前是通過人力監控，費時費力，效果不好。

（5）當客戶需要在工控機上部署客戶對應的軟件，要對每一臺機器進行軟件安裝，平均每臺機器需要5～８分鐘，部署1000臺設備，一個操作員需要花費３～５天的時間，效率低下。

3.2　應用架構圖（如圖2所示）

圖2 應用架構圖

3.3　應用方案的實施

（1）后臺中控：研祥IPC-860工控機，出廠帶研祥智能管理平臺服務端。后臺的管理員進行操作，可以遠程監視和操作工控機。

（2）工控機：研祥W15工業平板電腦，出廠帶研祥智能管理平臺客戶端；搭載視覺工業相機，安裝視覺軟件。核心工作是分析工業相機拍到的照片，確認是否需要調整各工藝階段的參數，并將指令下發給PLC。

（3）工業相機：每一秒鐘上傳一張圖片（圖片大小約900K）到工控機。

（4）PLC：PLC接到工控機的指令，將指令傳遞給運動控制器，來操作熔煉爐，調整參數。現場操作員也可以通過PLC搭配的觸摸屏，手動操作PLC。

3.4　研祥HMI工業平板主要特點

研祥W15系列是一款15.6"寬屏工業平板電腦（如圖3所示），整機采用鋁合金材質，系統架構采用主板+擴展板設計方案，結構簡單，各模塊板之間連接采用高可靠連接器對接，保證高可靠性的運行環境，具有良好的EMC、防塵、散熱、抗振性能。該系列是面向高端MES、綜合監控、自動化等領域，主要用于生產線MES、綜合監控(軌道交通，樓宇，電力等)、醫療信息化、單晶硅爐、風電等惡劣工業現場控制應用。

（1）產品圖片

圖3 研祥W15系列工業平板電腦

（2）主要特點

·全密閉低功耗無風扇設計；

·工業級觸摸屏，防護等級滿足IP65；

·豐富的I/O接口，可滿足現場各種數據傳輸采集，以及多信號控制；

·多千兆網口可用于冗余網絡；

·搭載組態軟件，友好HMI人機界面。

3.5  研祥智能管理平臺主要特點

（1）平臺組成：目前平臺由單個服務端和多個客戶端組成，各個客戶端獨立工作，服務端可控制接入的客戶端。

（2）實時監控：客戶端監控并記錄設備運行狀態，設備異常時，服務端處實時通知。方便快速發現并解決設備異常，運行數據為維護和升級設備提供數據支持。

（3）遠程控制：服務端處支持上傳控制文件并同步至各個客戶端，客戶端處響應服務端命令在規定時間內運行控制文件。控制類型和內容多樣，供額外開發拓展，通用性好，可支持拓展多種控制功能。

（4）U盤禁用：對客戶端的U盤使用進行限制，只有在服務端處備案認證過的U盤才能在客戶端處使用。

（5）穩定性好：服務端與客戶端可長時間無差錯運行，客戶端運行時系統資源占用可忽略，不影響設備軟件的正常運行。軟件架構如圖4所示。

圖4 軟件架構圖

4　案例效益分析

早期的直拉式單晶硅生產完全依賴人工觀察和操作，生產效率低、誤差大、品質沒有保障，可利用率低下。研祥提供的解決方案，從后臺中控、核心控制到底層控制，從軟件和硬件上進行技術創新，跨層協作。助力客戶提高單晶硅產品品質、提高生產效率、降低成本，確保生產安全。

（1）后臺數據實時監控與分析：以前監控1000臺單晶硅設備是否正常運行，完全依靠現場人員人工巡檢，效率低下。而現在采用該方案后，后臺的管理員在研祥IPC-860智能管理平臺服務端上進行操作，可以遠程監控單晶硅設備是否正常運轉，設備上的W15工業平板電腦是否正常運行。

（2）部署軟件方便：以前部署1000臺設備，1個操作員需要花費３～５天的時間；而現在采用該方案后，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）提升產品品質：該解決方案通過工控機與傳感器和圖像處理設備的配合，可以實時監測和分析單晶硅的生長特征，并根據分析結果，來確認是否需要下層的PLC來調整各工藝階段的參數，從而提高產品的一致性和可靠性。

（4）確保生產的安全性：以前客戶現場并沒有對U盤的使用進行限制和管理，而采用該方案后，我們從管理平臺上可以對U盤禁用，對客戶端的U盤使用進行限制，只有在服務端備案認證過的U盤才能在客戶端使用。這樣避免了因病毒感染導致機器故障，從而產生安全事故。

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

5　案例意義概述

從該案例可以看出，智能化的生產和管理貫穿了單晶硅的全工藝流程，使其生產效率、產品品質大幅提高；降低了生產過程中人員成本，保障了企業生產和企業數據的安全性。研祥該解決方案各部分分開設計測試，縮短了開發周期，升級換代方便。使客戶的生產系統和企業管理系統更好地融于一體，真正實現了生產智能化。

摘自《自動化博覽》2023年11月刊