贝加莱系统在太阳能晶硅生产系统中的应用

专家：宋华振 领域：人机界面 行业：食品饮料 日期：11-12-29 15:27 点击数：956

    作为绿色能源，风力发电和光伏在过去的数年里产生了飞跃，在过去的几年里，中国投资数千亿于光伏产业的发展，各地快速的建立了各自的光伏产业园区，光伏产业包括原材料、晶硅与薄膜电池生产系统、电池组件生产、逆变器与光伏电站的建设等均快速发展，在股票市场，光伏概念的股票也快速成长，业绩辉煌。

    1 快速成长的太阳能光伏市场

    1.1 太阳能行业面临巨大的挑战

    (1) 成本关

   对于晶硅电池的生产而言，其存在的问题在于成本如何得到有效控制，能否降低整个太阳能行业的设备投资分摊，将影响整个行业在未来的发展，如果无法快速解决成本问题，将会导致产业发展失去市场的动力。

    (2) 技术关

    这些不仅包含控制技术，也包括工艺控制、设备互联的管理优化、机器人技术等。

    技术保密与代码安全也是考虑因素。

    1.2 解决成本问题的办法

    造成成本问题的因素：一方面由于我们自身没有掌握高品质单晶硅和多晶硅的提炼技术，需要通过进口来获得，因此，整体成本较高，另一方面，太阳能产业必须依赖大规模的生产来降低整体成本。从生产系统角度来解决成本问题，则依赖于从设备投资、生产效率提升来考虑，自动化技术将与工艺结合来提升整个生产系统的效率，这包括以下方面的系统需求。

    （1）提高自身工艺技术的研发，降低对进口原材料的依赖。由于长期以来，设备均依赖于进口，使得初始投资非常大。除了良好的设备外，工艺技术的研究和提高也是必须的，因为即使同样的设备，如果无法掌握工艺与生产过程的话则仍然无法生产高品质的产品.

   （2）提高生产系统效率，降低生产成本。提升设备的性能等级，整个生产系统互联，建立整厂级的生产优化。

    1.3 对于控制系统所提出的需求

    如何提高生产系统的能力，作为控制系统提供商，我们从控制系统角度来分析解决的办法。

    （1）高性能的控制系统，提高设备的加工速度和加工精度，则需要高性能系统来处理实时任务。

    实时任务处理的PLC；

    实时以太网技术；

    高速运动控制系统。

    （2）提高设备互联的能力

    开放的接口连接能力；

    机器人系统；

    高性能过程控制系统；

    OPC技术与上位ERP系统的互联能力。

    （3）集成开发平台降低系统开发的成本

    满足全流程的服务能力；

   开发复杂算法的能力；

    安全系统集成；

    内置的模块。

    2 太阳能晶硅生产流程

    太阳能晶硅电池由多个生产工艺段构成，其中包含了对于运动控制要求较高的切片、机器人、丝网印刷，也包括了流程与工艺控制的单晶硅拉制炉/多晶硅铸锭炉、制绒、扩散、PECVD与烧结单元，如图1所示。
              
                        
                                    图1 晶硅电池生产流程


    （1）单晶硅拉制/多晶硅铸锭炉。通过晶籽植入，将材料在坩埚中进行温度控制形成温度梯度，晶体材料在这个过程中逐渐结晶形成棒状，通过提升机构逐渐解析。

    （2）多线切割机。单晶硅棒材通过切方后进入多线切割机，该系统通过将喷涂石英砂的钢丝缠绕在驱动辊上对棒材进行研磨切削，可以实现同时对数百片晶硅片的生产，其要求非常高的切割质量，包括厚度、翘曲度、TTV值的指标。

    （3）清洗制绒。在切割单元表面会由于切削而产生表面的材料颗粒和不规则的表面，通过清洗使得表面光滑，再进入制绒单元对晶硅表面进行四面体的形成—通过制绒可以提高晶硅的表面积从而吸收更多的太阳光。
           
                    
                                 图2 按照流程不同，控制系统需求变化图

    （4）扩散。通过扩散工艺在晶硅表面生成PN结。

    （5）刻蚀祛磷硅玻璃。由于在扩散中使得表面形成了整体的PN结，需要对这个边缘进行刻蚀处理，以便使得PN结不能互连，同时在前道生成的磷硅玻璃也需要被化学方法祛除。

    （6）PECVD。通过氮化硅渗透方法提供晶硅表面形成减反射膜，这样可以减少光在晶硅表面的反射，从而提高吸收效率，通过等离子气相沉积技术，可以在晶硅表面沉积一层氮化硅膜来实现这一需求。

    （7）丝网印刷。由于晶硅表面形成了可以导电的PN结，需要对其进行电源的印制，为了节省成本，必须以最小的原材料消耗进行此项印刷，形成正极和负极。

    （8）烧结炉。对丝网印刷的电极进行烧结处理，使得其固化在晶硅表面并渗透。

    （9）分检测试。通过电极的电流输入检测整个电池板的电极通断状态，确保可用性和参数满足技术指标。

   （10）后道处理设备。包括层压机、覆设、装盒、打码标记等。

   3 晶硅电池生产过程中对于控制的需求

    在整个生产的各个工艺段，对于控制系统的工艺和控制系统的性能、功能等的需求是变化的，图2描述了按照流程的不同控制系统产生的需求变化。

   4 贝加莱为太阳能行业提供的解决方案

    作为基础硬件与软件平台提供商，贝加莱为太阳能晶硅电池领域提供具有自主研发和满足行业需求的软硬件平台，确保程序的安全与平台独立性，提供软件功能块以便系统快速的组件，而远程诊断与维护则提供了系统故障快速定位与系统最低的当机时间。

    下面我们仅介绍一些常用的技术，用以解决在太阳能晶硅电池设备中的实际问题。

   4.1 ACOPOSmulti节能与断电停车

   ACOPOSmulti是一个基于共直流母线技术（Common DCBus）设计的驱动系统，具有非常高的功率密度，并且通过再生线圈实现能量的再生，将系统中处于制动状态的电机的能量由直流母线反馈到再生单元，并将此能量回馈给其它处于运动状态的伺服轴，从而实现能量的再利用，并且ACOPOSmulti驱动中的逆变单元可驱动2个伺服电机，这样整体降低了系统的成本，具有极高的性价比。

   （1）节能设计

   共直流母线的ACOPOSmulti使得系统中的总体能量得到优化，在一个运动系统中，通常电机有两种运行状态，一种是电动机，另一种是发电机状态，尤其是在多轴系统中，通常会有一些轴处于电动，另一些处于制动，而通过直流母线的共享机制，那些发电状态的能量同样可以回馈到直流母线单元，从而使整个系统内部的能量得到优化，使得整个运动系统的吸入电流得到有效降低，能够最大限度地发挥节能作用。

   （2）断电同步停车技术
        
                        
                                             图3

   对于ACOPOSmulti伺服驱动器而言，断电停车功能是其基于直流母线技术(Common DC-Bus Technology)而产生的先天性技术优势，众所周知，对于电机而言有两个主要的运行状态，在第一象限磁场空间里，电机作为电动机在运行，当电机处于制动状态时，则磁场空间产生反向工作，其在这个时候可以理解为运行在发电机状态，产生交流电流。对于ACOPOSmulti驱动器而言，其逆变单元不仅可以产生正向的AC-DC-AC转换，也可以逆向运行为AC-DC转换，由一个蓄能二极管将能量瞬间积累并通过逆变器的IGBT整流电路转化为DC电压，这个DC电压回馈到DC-Bus上，再流到其它轴DC-AC转换又可以供给其它需要同步停车的伺服轴，同时也能保障24VDC的供电—因为辅助电源也同时运行在这个DC-Bus上。

   对于多线切割这样的系统而言，若出现停车状态将会使得被切割的棒材产生操作中断造成巨大的损失，同步停车可以确保系统的停车处于稳定的可控状态，而不会产生纱线断裂、晶硅片位置输出、导引轮、放卷收卷轴之间的偏差而造成系统问题。
       
                    
                                             图4

  4.2 机器人技术

   （1）GMC下的机器人系统设计

   对于不同的机器人，其齐次方程库不同，而B&R的GMC提供了路径规划的不同库支持能力，这包括以下机器人库：

    全关节型机器人

   Tripod

   SCARA伽利略机器人

   GMC所支持的机器人库提供了14种不同的机器人类型库的支持能力，基本上能满足各工业领域对于机器人的需要。

    （2）机器人惯量前馈控制技术

    抖动问题

   在机器人系统中，由于机器人的各个关节的机械特性随着运动过程的变化，其惯量产生了变化，例如，当机械臂处于X轴方向伸长时，则沿着Y轴方向的旋转在0～90度范围内惯量产生了变化，从最大惯量到最小惯量，当这个臂旋转超过90～180度范围的话，则其惯量又开始变大，由于这种惯量所产生的变化，会对驱动器整个控制过程产生调节的振动，这也是目前机器人控制中普遍存在的问题。

   解决方法

  解决抖动问题，应该采取基于建模的惯量前馈算法设计。

   MATLAB/Simulink是目前最为流行的建模工具，由于与Mathworks公司的合作，贝加莱控制系统与MATLAB/Simulink建模建立接口连接，经过MATLAB/Simulink仿真工具建模生成的控制器模型可以通过代码自动生成技术产生控制器的C代码，而这一代码无需手工重写即可导入到B&R控制器中，从而实现在环测试。

   其结构如图5所示。
       
                  
                                              图5 

  通过这种方式，贝加莱很好地解决了机器人运行过程中的抖动问题，其效果如图6所示。  

   4.3 贝加莱温度控制系统

   （1）需求

   对于单晶硅拉制、多晶硅铸锭、扩散、PECVD、烧结等各个晶硅电池生产过程而言，热场的控制是关键，对于拉单晶和铸锭而言，其晶体生长需要通过有效的建立整个工作区间的温度梯度空间来实现，并且温度控制的精度和响应速度会影响到生产中的质量和效率，而对于扩散、烧结同样如此。

   （2）特点

   温度控制与运动控制的高速响应不同，它属于大滞后的对象，而这类控制过程的难点则在于其温度控制的算法设计，但是仅仅是算法的强大还不足以说明问题。

   软件工程考量
     
                     
                                                   图6

  贝加莱注重自动化应用软件在系统开发中的作用，软件不仅仅包含其算法设计的合理与先进，同时也包括了项目工程应用的简便性。

   软件模块的独立性

   软件模块的独立性在软件工程中代表着软件的“低耦合”特性，即该软件设计的模块化中各个独立的模块之间具有极低的耦合度，增加、删除一个模块不会对整个软件结构造成大的损失，而B&R的温控模块则具有显著的独立特点，其温区的增加、减少就像开关的开断一样方便，互相之间不存在较大的影响。

   报警输出

   完整的报警输出是提供给使用者更为紧密的现场控制，温度控制模块可以提供自定义的日志记录，对各种中断、超温状态进行可定义的报警输出，并使得工艺操作人员能够对当时的工艺状态进行有效的分析。

   控制输入与输出对象

    对于各种常规的温度控制方式提供了不同的对应输出模式，例如，通过PWM输出控制可控硅、通过加热电阻的方式等，而且温度输入的话考虑到各种温度传感器的输入方式及对其进行滤波、补偿的算法，确保测量的准确性。软件连接与其它软件模块的连接，确保了与温度相关的控制对象也被集成在内，系统更为面向全局而非局部，提高整体性能而非局部性能。

   可视化接口

   提供了方便的趋势图、状态图的绘制接口，使用者可以非常方便的在Automation Studio里建立控件与TemConLib之间的数据接口，可以使得使用者在非常短的时间内实现趋势图的生成、柱状图的显示、温区的下拉列表式选择与控制，并可实现模式切换、PID参数设置、整定状态的显示。

   可以自行定义显示的曲线颜色、曲线数量、温度显示精度、全屏操作等。

   温度控制的系统化管理

  这包括了对于系统的配置、配方管理、统计、服务状态、报警的多个方面的应用。

   对于单晶硅拉制、铸锭、扩散等均需要维护各种配方的管理，根据需要生产不同批次的产品，这里提供了配方的管理、数据统计分析、报警管理以便对整个系统工艺参数的优化，由工艺工程师对整个过程实现及时的监控，基于数据基础的分析达到对整个控制过程的参数优化，提高生产质量与效率。

   因此，从软件开发的角度来看，并非是一个简单的软件算法与工艺本身的技术问题，文档的完整性，功能如此强大，且易于使用，是B&R温度控制模块的设计目标，经过多年在诸如挤出机、注塑机、流延膜、冶金、半导体等领域的应用，其已经达到非常成熟的状态，温度控制精度高、软件易于使用。

   5 贝加莱系统应用领域

  贝加莱系统已经在以下一些领域得到应用：

   单晶硅拉制/带状硅拉制；

   切方/多线切割机；

   扩散炉；

   刻蚀设备；

   单腔室PECVD设备；

   丝网印刷设备的分布式I/O系统。

  宋华振（1972-）

   男，贝加莱工业自动化（上海）有限公司市场部经理、工程师，主要技术专长为运动控制和实时通信技术。

   摘自《自动化博览》2011年第十二期