★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(jià)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(jìn)可再生能源的發(fā)展。歐盟、印度等國家都迎來(lái)了光伏裝機的歷史新高，且市場(chǎng)需求日益旺盛。在“碳達峰、碳中和”戰略引領(lǐng)下，中國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)入大規模高質(zhì)量發(fā)展階段。為了實(shí)現“雙碳”目標，國家推出多項政策促進(jìn)能源改革，國家發(fā)改委在《“十四五”可再生能源發(fā)展規劃》中明確，大力推進(jìn)風(fēng)電和光伏發(fā)電基地化開(kāi)發(fā)。其中，以沙漠、戈壁、荒漠地區為重點(diǎn)的大型風(fēng)電光伏基地建設加快推進(jìn)，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(zhuān)用設備，其硅單晶棒料經(jīng)切割等后續工藝處理成芯片被制作為二極管、太陽(yáng)能電池、集成電路等半導體材料的主要器件。隨著(zhù)光伏行業(yè)的飛速發(fā)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(chǎn)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(lǐng)域中自動(dòng)化單晶硅生產(chǎn)爐中的應用。

2　應用現場(chǎng)工藝流程

單晶硅是半導體、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、集成電路等產(chǎn)業(yè)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(mǎn)足實(shí)際的應用要求，因此需要專(zhuān)門(mén)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)和智能管理平臺來(lái)助力國內單晶硅制造企業(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(dòng)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(yè)平板電腦，配備大屏觸摸式HMI人機界面、高像素CCD視覺(jué)系統，來(lái)拍照觀(guān)察晶體生長(cháng)情況。

2.2　單晶硅生長(cháng)工藝流程（如圖1所示）

圖1 單晶硅生長(cháng)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(lái)穩定壓力，打開(kāi)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)旋轉引出晶體。

縮頸：生長(cháng)一定長(cháng)度的縮小的細長(cháng)頸的晶體，以防止籽晶中的位錯延伸到晶體中?？s頸過(guò)程，直徑越細，位錯越少，但直徑過(guò)細，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(cháng)：根據熔體和單晶爐的情況，控制晶體等徑生長(cháng)到所需長(cháng)度，等徑生長(cháng)是晶體生長(cháng)的主體部分，單晶硅片的原料從這部分獲得。收尾：等徑生長(cháng)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(kāi)，離開(kāi)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(cháng)周期。

3　應用架構和方案實(shí)施

早期的直拉式單晶硅生產(chǎn)完全依賴(lài)人工觀(guān)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)工藝復雜，尤其對晶體生長(cháng)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，來(lái)確保單晶硅的生長(cháng)品質(zhì)和效率。目前行業(yè)內主流解決方案是：控制系統核心采用研祥的工業(yè)觸摸一體機，友好的HMI人機界面；給高像素的CCD工業(yè)相機信號，CCD工業(yè)相機對熔煉爐內晶體直徑、液口距、等徑斷線(xiàn)等生長(cháng)信息采集，通過(guò)視覺(jué)軟件實(shí)時(shí)監視熔煉爐中的單晶硅生長(cháng)情況；并通過(guò)底層PLC來(lái)對各過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調節。整個(gè)生長(cháng)過(guò)程是高精度閉環(huán)控制，減少了操作管理員的勞動(dòng)強度。

3.1  方案難點(diǎn)

（1）現場(chǎng)應用場(chǎng)景復雜。廠(chǎng)房?jì)炔贾糜猩锨_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(wǎng)絡(luò )傳輸信號有干擾，因此需要采用具有屏蔽功能的網(wǎng)線(xiàn)。

（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，對工控機的穩定性要求高。

（4）為了保證數據的安全性，現場(chǎng)禁用U盤(pán)，只有獲得授權的U盤(pán)，才可以在工控機上使用?？蛻?hù)目前是通過(guò)人力監控，費時(shí)費力，效果不好。

（5）當客戶(hù)需要在工控機上部署客戶(hù)對應的軟件，要對每一臺機器進(jìn)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(gè)操作員需要花費３～５天的時(shí)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(shí)施

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

（2）工控機：研祥W15工業(yè)平板電腦，出廠(chǎng)帶研祥智能管理平臺客戶(hù)端；搭載視覺(jué)工業(yè)相機，安裝視覺(jué)軟件。核心工作是分析工業(yè)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(fā)給PLC。

（3）工業(yè)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(dòng)控制器，來(lái)操作熔煉爐，調整參數?，F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），整機采用鋁合金材質(zhì)，系統架構采用主板+擴展板設計方案，結構簡(jiǎn)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(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、綜合監控、自動(dòng)化等領(lǐng)域，主要用于生產(chǎn)線(xiàn)MES、綜合監控(軌道交通，樓宇，電力等)、醫療信息化、單晶硅爐、風(fēng)電等惡劣工業(yè)現場(chǎng)控制應用。

（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)扇設計；

·工業(yè)級觸摸屏，防護等級滿(mǎn)足IP65；

·豐富的I/O接口，可滿(mǎn)足現場(chǎng)各種數據傳輸采集，以及多信號控制；

·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人機界面。

3.5  研祥智能管理平臺主要特點(diǎn)

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

（2）實(shí)時(shí)監控：客戶(hù)端監控并記錄設備運行狀態(tài)，設備異常時(shí)，服務(wù)端處實(shí)時(shí)通知。方便快速發(fā)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(wù)端處支持上傳控制文件并同步至各個(gè)客戶(hù)端，客戶(hù)端處響應服務(wù)端命令在規定時(shí)間內運行控制文件?？刂祁?lèi)型和內容多樣，供額外開(kāi)發(fā)拓展，通用性好，可支持拓展多種控制功能。

（4）U盤(pán)禁用：對客戶(hù)端的U盤(pán)使用進(jìn)行限制，只有在服務(wù)端處備案認證過(guò)的U盤(pán)才能在客戶(hù)端處使用。

（5）穩定性好：服務(wù)端與客戶(hù)端可長(cháng)時(shí)間無(wú)差錯運行，客戶(hù)端運行時(shí)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(chǎn)完全依賴(lài)人工觀(guān)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(hù)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）后臺數據實(shí)時(shí)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(chǎng)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(wù)端上進(jìn)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(yè)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(gè)操作員需要花費３～５天的時(shí)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(chǎn)品品質(zhì)：該解決方案通過(guò)工控機與傳感器和圖像處理設備的配合，可以實(shí)時(shí)監測和分析單晶硅的生長(cháng)特征，并根據分析結果，來(lái)確認是否需要下層的PLC來(lái)調整各工藝階段的參數，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(hù)現場(chǎng)并沒(méi)有對U盤(pán)的使用進(jìn)行限制和管理，而采用該方案后，我們從管理平臺上可以對U盤(pán)禁用，對客戶(hù)端的U盤(pán)使用進(jìn)行限制，只有在服務(wù)端備案認證過(guò)的U盤(pán)才能在客戶(hù)端使用。這樣避免了因病毒感染導致機器故障，從而產(chǎn)生安全事故。

（5）確保生產(chǎn)資料的保密性：U盤(pán)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)數據的安全性。研祥該解決方案各部分分開(kāi)設計測試，縮短了開(kāi)發(fā)周期，升級換代方便。使客戶(hù)的生產(chǎn)系統和企業(yè)管理系統更好地融于一體，真正實(shí)現了生產(chǎn)智能化。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年11月刊