太陽能硅片電解磨削多線切割遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 霞，汪 煒，鮑官培，章 愷

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

硅片切割作為晶體硅太陽能電池生產(chǎn)過程中的一道重要工序,其加工質(zhì)量對(duì)太陽能電池的性能具有重要影響。太陽能硅片電解磨削多線切割技術(shù)是一種新型的太陽能硅片加工方法，其原理見圖1。與現(xiàn)有多線切割的不同在于硅錠（陽極）和切割線（陰極）之間添加了外加直流電場，利用切削液的弱導(dǎo)電性，產(chǎn)生陽極鈍化或腐蝕的電化學(xué)作用，在機(jī)械磨削的基礎(chǔ)上復(fù)合了電解加工，從而具有切割效率高、表面完整性好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

圖1 電解磨削多線切割加工方法原理圖

目前，國內(nèi)大部分切片企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)仍經(jīng)工作人員記錄、制表后，再提交給生產(chǎn)管理部門。這種方式不僅時(shí)效性差，且不利于數(shù)據(jù)的長久保存。為解決該問題，本文設(shè)計(jì)了一種硅片電解磨削多線切割加工的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片切割生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性監(jiān)測，以期提高企業(yè)生產(chǎn)管理效率和增強(qiáng)市場競爭力。

1 系統(tǒng)功能分析與設(shè)計(jì)

現(xiàn)有企業(yè)生產(chǎn)管理的主要問題是硅片切割生產(chǎn)過程相對(duì)獨(dú)立，生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)無法被管理部門及時(shí)獲取。針對(duì)電解磨削多線切割技術(shù)的工藝特點(diǎn)和設(shè)備改造要求，系統(tǒng)需滿足以下功能：

（1）設(shè)計(jì)一種具備遠(yuǎn)程通訊功能的電解磨削多線切割加工電源，以滿足硅片電解磨削多線切割技術(shù)工藝要求。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控車間現(xiàn)場的加工過程，采集硅片切割過程、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存檔和歷史調(diào)用。

（3）根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃，相關(guān)人員可遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)生產(chǎn)過程中的信息變化，可及時(shí)調(diào)整加工參數(shù)。

（4）從現(xiàn)場設(shè)備層到企業(yè)管理層，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片切割生產(chǎn)車間的信息共享與互聯(lián)。

基于此，本設(shè)計(jì)以PLC為硅片電解磨削多線切割電解加工電源的控制器，采用C/S為主、B/S為輔的混合式軟件架構(gòu)，使用Visual C#、PHP語言搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)。如圖2所示，根據(jù)各模塊功能的不同，監(jiān)控系統(tǒng)可分為現(xiàn)場設(shè)備訪問單元（PLC）、系統(tǒng)服務(wù)器及系統(tǒng)客戶端等三大模塊。PLC負(fù)責(zé)工作現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行來自上位機(jī)的指令及故障診斷與報(bào)警等。系統(tǒng)服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的通訊樞紐并提供數(shù)據(jù)服務(wù)，從邏輯上主要包括用戶服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[4]，從結(jié)構(gòu)上主要包括用于C/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器和用于B/S架構(gòu)的web服務(wù)器。客戶端所要讀取的查詢結(jié)果也由數(shù)據(jù)庫中心返回。

2 電解加工電源的設(shè)計(jì)

2.1 電解磨削多線切割加工對(duì)電源的設(shè)計(jì)要求

電解加工電源是電解加工設(shè)備的重要組成部分，其輸出波形、電壓大小和穩(wěn)壓精度等都會(huì)直接影響電解加工的陽極腐蝕（或鈍化）過程，從而影響電解加工的精度、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性[5]。

根據(jù)電源輸出波形的不同，電解加工可分為直流電解加工和脈沖電解加工兩大類。相對(duì)于直流電解加工，脈沖電解加工在工藝穩(wěn)定性、零件精度和表面質(zhì)量等方面的優(yōu)勢更突出[6-7]，故本設(shè)計(jì)的電解磨削多線切割加工電源所采用的輸出方式為脈沖輸出。此外，根據(jù)電解磨削多線切割加工工藝需求，電解加工電源還需滿足以下條件：

（1）太陽能級(jí)硅錠（陽極）屬于半導(dǎo)體材料，與金屬材料相比，其電化學(xué)反應(yīng)過程不同，故對(duì)電解磨削多線切割電源的要求也不同。除了具備良好的穩(wěn)壓穩(wěn)流性能之外，還有其他特殊要求。此處不再贅述。

（2）硅片切割設(shè)備屬于大型精密半導(dǎo)體加工設(shè)備，因此，該電源要求操作方便、運(yùn)行可靠，且具備必要的保護(hù)電路，如過載與短路故障檢測、快速切斷等。

因可編程控制器（PLC）具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程及安裝方便等特點(diǎn)，故本系統(tǒng)選用PLC作為電解脈沖電源的控制器。

2.2 PLC模塊程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)控功能設(shè)計(jì)要求及電解脈沖加工電源的功能要求，下位機(jī)PLC軟件控制程序可分為三大功能模塊，分別為：數(shù)據(jù)采集模塊、電解過程控制模塊及與上位機(jī)PC的以太網(wǎng)通信模塊（圖3）。

圖3 PLC功能模塊設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

實(shí)時(shí)采集電解磨削多線切割加工過程中的機(jī)床工作狀態(tài)及電解工藝參數(shù)。其中，電解工藝參數(shù)主要包括電解電流、電解脈沖電源輸出電壓等。

（2）電解過程控制模塊

首先，PLC需根據(jù)機(jī)床工作狀態(tài)及用戶要求控制電解脈沖電源的脈沖輸出；其次，因電解液濃度是電解加工質(zhì)量的重要因素[8]，故PLC需根據(jù)電解電流大小等限制條件來控制復(fù)合工作液的添加，以保證電解電流的穩(wěn)定性；此外，當(dāng)加工異常時(shí)，PLC需能根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)信息及時(shí)進(jìn)行故障診斷與故障處理。

（3）以太網(wǎng)通信模塊

3 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用了一種以C/S架構(gòu)為主、B/S架構(gòu)為輔的混合式結(jié)構(gòu)體系，既保留了C/S系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，又綜合了B/S架構(gòu)系統(tǒng)的跨平臺(tái)特性，增加了系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

3.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

相對(duì)應(yīng)的，上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)可分為兩個(gè)主要模塊：一是基于工業(yè)以太網(wǎng)的、車間本地的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，其客戶端為C/S客戶端，用戶主要為車間現(xiàn)場的工作人員；另一個(gè)是基于web的切片信息查詢系統(tǒng)，其客戶端為B/S客戶端，用戶主要為企業(yè)管理人員。

基于C/S架構(gòu)的車間現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分，擔(dān)任著數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)過程監(jiān)測和遠(yuǎn)程設(shè)備控制等任務(wù)。本設(shè)計(jì)選用Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)作為該模塊的數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)，使用Visual C#編程語言實(shí)現(xiàn)該模塊上位機(jī)PC和下位機(jī)PLC的信息交互及C/S客戶端界面設(shè)計(jì)。

作為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充模塊，基于B/S架構(gòu)的web端車間生產(chǎn)信息查詢系統(tǒng)是系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，其主要作用是方便在生產(chǎn)現(xiàn)場之外的企業(yè)管理人員查看生產(chǎn)車間的運(yùn)行情況。本設(shè)計(jì)使用了主機(jī)屋的云虛擬主機(jī)作為網(wǎng)站車間生產(chǎn)信息查詢系統(tǒng)的web服務(wù)器，并以MySQL作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用PHP等編程語言實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)站的開發(fā)。

3.2 基于Visual C#的PC與PLC以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)

為保證車間本地服務(wù)器PC和下位機(jī)PLC之間的高效率通信，設(shè)備訪問程序通過Socket編程實(shí)現(xiàn)。Socket也稱作“套接字”，是Windows基于ISO模型的網(wǎng)絡(luò)連接規(guī)范，它是應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)之間的標(biāo)準(zhǔn)接口[8]?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、靈活性等要求，本系統(tǒng)使用了基于流套接字的異步通信實(shí)現(xiàn)并發(fā)服務(wù)機(jī)制；設(shè)計(jì)時(shí)，上位機(jī)PC設(shè)為服務(wù)器，下位機(jī)PLC作為各客戶端。

Microsoft.Net Framework為需訪問Internet的應(yīng)用程序提供了分層的、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，程序開發(fā)時(shí)調(diào)用相應(yīng)的Socket類即可。對(duì)于服務(wù)器端程序，使用Visual C#實(shí)現(xiàn)Socket異步通信的流程見圖4[9]。

再次，要提升翻譯教材質(zhì)量，課本是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，而且中國學(xué)生有一定的盲信課本的缺點(diǎn)呢，因此，面對(duì)琳瑯滿目的教材，如何選擇極其重要。這就需要廣大編者，出版社，教師從實(shí)際問題出發(fā)，具體問題具體分析。切實(shí)根據(jù)翻譯專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)科特點(diǎn)，選擇適合的教材。

圖4 流套接字的異步Socket通信流程

3.3 系統(tǒng)C/S客戶端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的C/S客戶端是系統(tǒng)與車間管理用戶的主要交互平臺(tái)，其界面采用Winform窗體應(yīng)用程序。通過對(duì)太陽能硅片電解磨削多線切割生產(chǎn)過程的監(jiān)控需求分析，系統(tǒng)客戶端主要設(shè)有系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控及異常警報(bào)等功能，具體功能模塊設(shè)計(jì)見圖5。

（1）系統(tǒng)設(shè)置

用戶可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求設(shè)置遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)更新時(shí)間間隔、電解電流工作區(qū)間等控制參數(shù)。其中，系統(tǒng)安全設(shè)置主要用于用戶信息及其操作權(quán)限管理等。

（2）數(shù)據(jù)管理

擁有相關(guān)操作權(quán)限的用戶可通過系統(tǒng)客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)管理信息的添加、刪除及修改等操作。其中，生產(chǎn)管理信息主要包括兩方面：一是指包含機(jī)床編號(hào)、型號(hào)和分布區(qū)域等情況的機(jī)床管理信息；二是指包含員工編號(hào)、聯(lián)系方式和管理權(quán)限等描述的用戶信息。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控

一方面，用戶可通過動(dòng)態(tài)趨勢圖或報(bào)表等方式查看硅片切割車間各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)或歷史工作數(shù)據(jù)；另一方面，用戶還可通過客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床設(shè)備的遠(yuǎn)程操作控制，如電解脈沖電源的通斷、復(fù)合工作液的添加等。

（4）異常警報(bào)

當(dāng)遠(yuǎn)程設(shè)備工作異常，接收到來自下位機(jī)PLC的故障報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以自動(dòng)彈出對(duì)話框和郵件的方式提醒相關(guān)設(shè)備管理人員。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還會(huì)對(duì)故障信息進(jìn)行存檔、統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，為以后改善工藝參數(shù)作參考，以達(dá)到提高直通率及生產(chǎn)效率的目的。

圖5 客戶端功能模塊圖

3.4 基于web的信息查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為彌補(bǔ)C/S架構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)只能在局域網(wǎng)內(nèi)部使用的局限性，系統(tǒng)中添加了基于web的信息查詢系統(tǒng)模塊。作為系統(tǒng)的補(bǔ)充擴(kuò)展，該模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）使用 JavaScript Object Notation（JSON）數(shù)據(jù)傳輸格式，實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)與基于web的信息查詢系統(tǒng)之間的信息交互。

（2）利用IE瀏覽器等，用戶便可登錄系統(tǒng)網(wǎng)站，經(jīng)身份驗(yàn)證后即可查看切片車間的加工數(shù)據(jù)，如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電解過程工藝及故障信息等。

4 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際工作效果，課題組選用美國HCT B5多線切割系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，在某切片企業(yè)的現(xiàn)場做了長時(shí)間的生產(chǎn)測試 （圖6）。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，可大大降低車間工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)的工作效率和管理質(zhì)量。目前，該成果正在開展行業(yè)推廣，進(jìn)一步拓展系統(tǒng)功能的空間很大。

圖6 系統(tǒng)實(shí)地測試車間環(huán)境

5 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)階段太陽能硅片切割精益化生產(chǎn)管理的需求，針對(duì)太陽能硅片電解磨削多線切割工藝特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于C/S+B/S混合架構(gòu)的切片生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PLC與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)切片過程的連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了長時(shí)間驗(yàn)證，且使用方便可靠，對(duì)同類監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有重要的參考價(jià)值。

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