基于Opto22 PAC控制器的多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓棟梁，黃家海，權(quán) 龍，龐江瑞

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

（太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(shè)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(shè)備屬于半自動化設(shè)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(yàn)進(jìn)行控制，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)晶體質(zhì)量得不到保證。且不能對工廠內(nèi)的所有鑄錠設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測。因此，自主研發(fā)多晶硅鑄錠爐控制的關(guān)鍵技術(shù)，是目前我國光伏產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)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(jìn)行升級改造，遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)在多晶硅鑄錠爐大生產(chǎn)中的應(yīng)用使得生產(chǎn)效率大大提高，有利于設(shè)備的集中管理和資源的統(tǒng)一調(diào)配，鑄錠質(zhì)量和設(shè)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(jìn)行自動化生產(chǎn)，對一些重要的工藝參數(shù)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理以適應(yīng)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(kuò)大，設(shè)備控制系統(tǒng)變化不大，隨著設(shè)備裝爐量和數(shù)量的增加，對設(shè)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(shù)要求。本文主要研究450公斤多晶硅鑄錠爐，鑄錠爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多晶硅鑄錠爐結(jié)構(gòu)圖

多晶硅鑄錠爐整個(gè)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(shè)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(guān)閉下爐門，爐門升降時(shí)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(shè)備自動完成加熱、熔化、長晶、退火、冷卻等工藝生長過程。當(dāng)爐內(nèi)溫度低于400℃時(shí)，恢復(fù)爐體內(nèi)壓力，開門出料，整個(gè)生產(chǎn)過程完成[5]。

在晶體生長過程中，開啟機(jī)械泵和抽氣閥門對設(shè)備抽真空，真空度到達(dá)10Torr時(shí)，開啟羅茨泵，對設(shè)備進(jìn)行快速抽真空，腔體內(nèi)真空度達(dá)到工作真空度后，關(guān)閉真空機(jī)組。系統(tǒng)自動檢測爐體的氣體泄漏率，當(dāng)泄漏率小于設(shè)定值時(shí)，再次開啟真空機(jī)組對設(shè)備抽真空，同時(shí)啟動加熱程序，按照設(shè)定的溫度曲線對硅料進(jìn)行加熱。工藝進(jìn)入加熱階段，當(dāng)工藝設(shè)定溫度達(dá)到1200℃時(shí)，關(guān)閉抽氣閥門和羅茨泵，同時(shí)開啟氬氣進(jìn)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(shí)機(jī)械泵通過排氣比例閥及相應(yīng)的管路對腔體抽氣，使腔體內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)定值，整個(gè)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(dāng)紅外測溫儀測試的溫度從穩(wěn)定到波動，再到穩(wěn)定時(shí)，同時(shí)坩堝底部石墨平臺的溫度值達(dá)到1450℃時(shí)，硅料完全熔化。工藝進(jìn)入長晶階段，隔熱屏按照事先設(shè)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(jìn)行，當(dāng)變壓器輸出功率逐漸降低到最低，功率變化值不再明顯時(shí)，此時(shí)長晶過程結(jié)束。程序自動進(jìn)入退火階段，退火完成后冷卻出爐，整個(gè)生產(chǎn)工藝流程結(jié)束。

2 PAC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(gè)生產(chǎn)工藝中真空機(jī)組、功率控制器、電磁閥、爐門升降電機(jī)、隔熱屏升降電機(jī)等進(jìn)行控制，同時(shí)對各個(gè)流程時(shí)間進(jìn)行掌控，并配合上位機(jī)進(jìn)行工藝調(diào)整。PID控制器實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作，SNAP I/O單元模塊對生產(chǎn)過程進(jìn)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(gòu)，控制回路運(yùn)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(yùn)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(jī)、電磁閥等進(jìn)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(jī)的三相交流接觸器或電磁閥線圈上，同時(shí)通過中間繼電器反饋電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和閥得開關(guān)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(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)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(jī)等，PAC控制器通過模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、氣體流量的檢測。熱電偶測量爐內(nèi)各個(gè)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(yùn)算后轉(zhuǎn)化為溫度值，通過PID控制回路計(jì)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(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度的閉環(huán)控制。壓力計(jì)采集的直流電壓信號經(jīng)過模擬量輸入模塊SNAP-AIV運(yùn)算后轉(zhuǎn)化為爐體內(nèi)部的壓力值，經(jīng)過控制器PID控制回路計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)對隔熱屏提升伺服電機(jī)的速度進(jìn)行控制。

電磁閥直接由24V供電，可以使用SNAP ODC5開關(guān)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(dāng)完成某個(gè)工藝流程或設(shè)備有故障出現(xiàn)時(shí)，進(jìn)行報(bào)警處理，開關(guān)量輸出模塊SNAP ODC5驅(qū)動報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)上位機(jī)顯示報(bào)警提示信息[7]。各個(gè)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(jìn)行干擾。由于用于加熱控制的可控硅調(diào)壓器在工作時(shí)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(shè)計(jì)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(jìn)行順序控制，并使用控制器內(nèi)部定時(shí)器對每個(gè)階段的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)自動記錄工藝過程中的各個(gè)參數(shù)值，并在上位機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖3所示。

3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

采用Opto22的PAC DISPLAY軟件編成HMI 修改或組態(tài)顯示上位機(jī)界面，將界面中各個(gè)模塊與軟件程序中各個(gè)變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。上位機(jī)與PAC控制器采用以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通訊，在PAC中將上位機(jī)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(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)通過企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)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(jī)監(jiān)控界面

系統(tǒng)開始運(yùn)行前，需要對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(shè)定的工藝曲線自動運(yùn)行，在工藝流程運(yùn)行過程中，操作人員可以視具體情況，對參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，對各階段時(shí)間、溫度、壓力、隔熱屏提升速度等參數(shù)進(jìn)行修改。上位機(jī)界面中可以監(jiān)測各參數(shù)的實(shí)時(shí)值，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手自動之間的無擾切換。

為保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，上位機(jī)工作站采用靈活簡便的人機(jī)交互界面。可實(shí)現(xiàn)：

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

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

用戶管理：系統(tǒng)維護(hù)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(hù)工程師進(jìn)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(shí)時(shí)進(jìn)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(shí)期的報(bào)警記錄、操作員對設(shè)備的操作記錄及各種數(shù)據(jù)記錄等。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的PAC控制器設(shè)計(jì)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(gè)流程進(jìn)行自動化控制。根據(jù)實(shí)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?shí)現(xiàn)不同質(zhì)量硅錠的生產(chǎn)，系統(tǒng)管理員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控每臺設(shè)備的工作狀況，實(shí)現(xiàn)了多臺設(shè)備的集中監(jiān)控和管理，同時(shí)監(jiān)控界面的使用使得整個(gè)生產(chǎn)過程更操作簡便，大大提高了工作效率。各個(gè)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(shù)研究進(jìn)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(yīng)用研究進(jìn)展[J].水電能源科學(xué),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(shù)的研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012:26-137.

[4]侯煒強(qiáng).多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)工藝控制技術(shù)和設(shè)備組成[J].電子工藝技術(shù),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(xué)報(bào),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(guān)鍵技術(shù)研究[D].浙江大學(xué),2010:43-47.