智能制造在太陽(yáng)能硅片制造中的探究與應(yīng)用

摘 要：為提高企業(yè)工作效率，降低生產(chǎn)勞動(dòng)成本，加快智能制造系統(tǒng)在光伏產(chǎn)業(yè)行業(yè)建設(shè)，利用SCADA、MES和數(shù)字孿生等信息系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)打造特色智能制造平臺(tái)，建成了一條基于自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化、智能化的太陽(yáng)能單晶硅片制造新模式智能工廠。該智能工廠的投用極大地提升了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也能為行業(yè)其他企業(yè)建設(shè)太陽(yáng)能單晶硅片生產(chǎn)智能工廠提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

關(guān)鍵詞：光伏產(chǎn)業(yè)；單晶硅片；信息化；自動(dòng)化；智能化；智能工廠

中圖分類(lèi)號(hào)：TP278 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-0-05

0 引 言

20世紀(jì)下半葉以來(lái)，作為傳統(tǒng)能源的化石能源供應(yīng)日趨緊張，各國(guó)都在努力探索能夠替代傳統(tǒng)能源的新能源。太陽(yáng)能作為資源量最大的再生能源之一，無(wú)疑成為研究的重點(diǎn)[1-2]。利用“光生伏特效應(yīng)”即光伏效應(yīng)[3]催生和造就了光伏產(chǎn)業(yè)，形成了硅材料、硅片、電池片、電池組件的完整產(chǎn)業(yè)鏈。當(dāng)下，我國(guó)的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)已成為極具全球競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的新興產(chǎn)業(yè)[4-5]。

智能制造同樣作為已經(jīng)興起并急速發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，已在傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)“工業(yè)革命”[6-7]，如何將這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深度融合，從而產(chǎn)生“1+1＞2”的效果，也已成為當(dāng)下兩個(gè)產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員研究的重大課題。

文中以太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)鏈中單晶硅片生產(chǎn)制造典型企業(yè)為平臺(tái)[8]，開(kāi)展智能制造的研發(fā)與應(yīng)用工作，針對(duì)智能制造車(chē)間在硅片制造環(huán)節(jié)實(shí)際應(yīng)用中主要涉及的自動(dòng)化系統(tǒng)及信息化系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分享，通過(guò)規(guī)劃案例分析、分步實(shí)施流程來(lái)探索智能制造對(duì)光伏制造企業(yè)產(chǎn)生的影響。

1 硅片制造行業(yè)智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)傳統(tǒng)的硅片制造企業(yè)現(xiàn)狀主要有以下幾點(diǎn)：

（1）制造裝備的自動(dòng)化程度已處于較為先進(jìn)的水平，部分企業(yè)已開(kāi)始嘗試局部工藝段自動(dòng)化連線，但仍主要停留在單機(jī)自動(dòng)化狀態(tài)，未與上下游設(shè)備協(xié)同，無(wú)法深度融入生產(chǎn)過(guò)程。

（2）生產(chǎn)過(guò)程中物料流轉(zhuǎn)以及上下料主要依賴人工，配送及時(shí)性、準(zhǔn)確性差，人工作業(yè)強(qiáng)度高，物料轉(zhuǎn)運(yùn)受損風(fēng)險(xiǎn)大。

（3）信息流轉(zhuǎn)主要靠隨工單和人工臺(tái)賬，信息流通慢，易丟失，制造信息“孤島化”現(xiàn)象嚴(yán)重。

（4）工藝、排產(chǎn)等生產(chǎn)過(guò)程嚴(yán)重依賴人工，人員的技能素質(zhì)、工作狀態(tài)等因素都會(huì)影響生產(chǎn)過(guò)程。

（5）在當(dāng)前數(shù)據(jù)即是資產(chǎn)的時(shí)代，光伏生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)并沒(méi)有被實(shí)時(shí)采集記錄，區(qū)分和利用這些數(shù)據(jù)的企業(yè)更是少之又少。

2 單晶硅片智能制造車(chē)間方案

2.1 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目實(shí)施單位為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，簡(jiǎn)稱中電科二所。中電科二所是國(guó)內(nèi)最早倡導(dǎo)智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的單位之一，是工信部第一批全國(guó)46家試點(diǎn)示范工程承擔(dān)單位之一，同時(shí)也是工信部智能制造新模式應(yīng)用以及智能制造標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目承擔(dān)單位，在智能制造領(lǐng)域擁有深厚的技術(shù)積累及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，是國(guó)內(nèi)知名的智能制造系統(tǒng)服務(wù)商。

項(xiàng)目應(yīng)用單位是安徽某新能源科技公司，是全國(guó)首個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)N+型大尺寸、超高效單晶太陽(yáng)能硅片項(xiàng)目，為安徽省“雙招雙引”重點(diǎn)工程、某市光伏新能源產(chǎn)業(yè)“一號(hào)工程”。該項(xiàng)目為該公司新建車(chē)間，擬建成集自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化于一體的先進(jìn)單晶生產(chǎn)智能車(chē)間，提高作業(yè)效率，降低運(yùn)行成本，為后續(xù)擴(kuò)產(chǎn)提供裝備及數(shù)據(jù)支撐。

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)架構(gòu)及建設(shè)內(nèi)容

本項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容為對(duì)單晶硅片生產(chǎn)車(chē)間從自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、智能化4個(gè)方面進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)實(shí)施，覆蓋倉(cāng)庫(kù)、硅料準(zhǔn)備車(chē)間、晶體車(chē)間、機(jī)加車(chē)間、切片車(chē)間、插片分選車(chē)間、包裝車(chē)間等全工藝段，涉及人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等環(huán)節(jié)?？傮w架構(gòu)如圖1所示。包括以下方面：

（1）現(xiàn)有設(shè)備信息采集、管理調(diào)度、信息采集；

（2）自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流及上下料設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)劃實(shí)施；

（3）車(chē)間裝備及功能房布局設(shè)計(jì)；

（4）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建；

（5）信息系統(tǒng)建設(shè)。

2.3 單晶硅片典型生產(chǎn)流程

單晶硅片典型生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

2.4 自動(dòng)化系統(tǒng)方案

自動(dòng)化系統(tǒng)是智能制造實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目自動(dòng)化部分主要涉及3個(gè)車(chē)間，分別是晶體車(chē)間、機(jī)加車(chē)間、切片分選車(chē)間，主要功能是完成原料配送、工序間轉(zhuǎn)運(yùn)、工藝裝備自動(dòng)上下料、檢驗(yàn)以及裝備系統(tǒng)間協(xié)同作業(yè)。

2.4.1 晶體車(chē)間

晶體車(chē)間的主要功能是利用長(zhǎng)晶設(shè)備在一定工藝條件下，將硅原料生長(zhǎng)制造成單晶棒料，涉及配料、初裝、二加、復(fù)投、取棒、拆清等工序。晶體車(chē)間作業(yè)面位于廠房二層，該車(chē)間主要配置了自動(dòng)加料機(jī)、初裝AMR小車(chē)、二加/復(fù)投AMR小車(chē)、取棒車(chē)、晶棒轉(zhuǎn)運(yùn)AMR、升降機(jī)等設(shè)備，配套坩堝轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)、石英加料器轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)、晶棒轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)等輔助器材，結(jié)合生長(zhǎng)設(shè)備集控系統(tǒng)、SCADA、RCS、MES、WMS等信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)原料、輔料的準(zhǔn)備、配送以及晶棒在取棒位、冷卻位到位于一層的劃線工位的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。

車(chē)間內(nèi)原料、輔料、工藝裝備均定義配置唯一識(shí)別碼，信息采集系統(tǒng)自動(dòng)采集、校驗(yàn)實(shí)際用料以及裝備使用信息，MES自動(dòng)生成最終的單晶棒料編碼，該編碼作為后續(xù)硅片生產(chǎn)基礎(chǔ)信息流轉(zhuǎn)至機(jī)加車(chē)間。晶體車(chē)間單晶硅原料配送如

圖3所示，晶體車(chē)間單晶硅棒成品配送如圖4所示。

2.4.2 機(jī)加車(chē)間

機(jī)加車(chē)間的主要功能是將晶體車(chē)間生產(chǎn)的長(zhǎng)晶棒進(jìn)行截?cái)?、磨倒形成可供切片的方棒，其間穿插有多道檢驗(yàn)工序。該車(chē)間主要配置有截?cái)鄥^(qū)桁架式自動(dòng)上料機(jī)械手、截?cái)嘧詣?dòng)下料輸送設(shè)備、自動(dòng)激光打碼設(shè)備、圓棒自動(dòng)流轉(zhuǎn)輸送設(shè)備、圓棒自動(dòng)測(cè)試區(qū)、開(kāi)方磨倒區(qū)地軌式機(jī)械手、方棒自動(dòng)輸送設(shè)備、方棒檢測(cè)設(shè)備等。截?cái)嗉澳サ箙^(qū)同時(shí)設(shè)計(jì)人工上下料方案，確保自動(dòng)化設(shè)備異常時(shí)仍可正常生產(chǎn)。

機(jī)加車(chē)間識(shí)別晶體車(chē)間送來(lái)的單晶棒料編碼，根據(jù)系統(tǒng)工藝安排將單晶棒料截?cái)嗖①x予截?cái)嗪蟀袅闲戮幋a，流轉(zhuǎn)至后續(xù)檢測(cè)、開(kāi)方、磨倒工序，后續(xù)各工序識(shí)別對(duì)應(yīng)編碼進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作并更新產(chǎn)品實(shí)時(shí)信息至MES系統(tǒng)。機(jī)加車(chē)間截?cái)鄥^(qū)上料如圖5所示。機(jī)加車(chē)間開(kāi)方磨倒區(qū)自動(dòng)上下料系統(tǒng)如圖6所示。

2.4.3 切片分選車(chē)間

切片車(chē)間主要完成硅棒到硅片的加工，本車(chē)間采用專用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)硅棒以及切割完成的硅片在車(chē)間內(nèi)工序的轉(zhuǎn)運(yùn)及上下料。主要作業(yè)流程為：機(jī)器人從粘棒靜置庫(kù)接駁臺(tái)接取物料→根據(jù)物料信息及相關(guān)指令配送至對(duì)應(yīng)切片機(jī)完成自動(dòng)上料→切片機(jī)切片→切片完成后機(jī)器人從切片機(jī)取出物料轉(zhuǎn)運(yùn)至脫膠機(jī)并完成上料。由于硅片材質(zhì)的易碎特性，脫膠完成后至清洗機(jī)上料由人工完成，清洗后插片、分選由自動(dòng)化設(shè)備完成。清洗完成的晶托由AMR小車(chē)運(yùn)回粘棒間，對(duì)接粘棒設(shè)備晶托上料口，完成自動(dòng)上料。

切片車(chē)間工藝裝備自動(dòng)識(shí)別機(jī)加車(chē)間流轉(zhuǎn)來(lái)的晶棒編碼，根據(jù)對(duì)應(yīng)工藝要求完成切片工作，切片完成后的脫膠、清洗、插片、分選工序信息傳遞由各自工序的專用載具完成。切片車(chē)間機(jī)器人如圖7所示。

2.5 信息化系統(tǒng)方案

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的單晶硅片智能制造車(chē)間信息化總體架構(gòu)主要包括設(shè)備層、控制層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層[9]。

設(shè)備層：通過(guò)各種通信協(xié)議（OPC UA、Modbus、MC等）實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)與各生產(chǎn)設(shè)備的連接，達(dá)到數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制的目的。圖8所示為SCADA系統(tǒng)總體架構(gòu)。

控制層：結(jié)合設(shè)備層采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)設(shè)備工藝參數(shù)的變更、配置。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備的調(diào)度與控制，如：AGV、配棒庫(kù)等。

數(shù)據(jù)層：將生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的處理、跟蹤。

應(yīng)用層：通過(guò)MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全廠信息流的跟蹤、追溯，實(shí)現(xiàn)單晶硅數(shù)字化車(chē)間信息化。圖9所示為所設(shè)計(jì)的單晶硅數(shù)字化車(chē)間整體信息跟蹤流程。

表現(xiàn)層：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電子看板、數(shù)字孿生等實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示，通過(guò)虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可視化[10]，如圖10、圖11、圖12所示。

3 應(yīng)用效果

項(xiàng)目以柔性自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)單晶硅片生產(chǎn)實(shí)際融合大數(shù)據(jù)、傳感器、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和MES智能管理等軟硬件，突破了傳統(tǒng)光伏生產(chǎn)車(chē)間裝備獨(dú)立人工控制的生產(chǎn)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)指令、加工程序、工藝參數(shù)的下達(dá)以及進(jìn)度、質(zhì)量、物流、設(shè)備等過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和交互。項(xiàng)目實(shí)施后，主要效果如下：

（1）智能裝備大量應(yīng)用，利于節(jié)省人力物力，并能有效提高效率，節(jié)約成本。

系統(tǒng)實(shí)施后，三班兩倒工作制人員配置情況對(duì)比見(jiàn)表1所列。

（2）單晶硅生產(chǎn)車(chē)間的自動(dòng)化升級(jí)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化物料配送及動(dòng)態(tài)產(chǎn)線調(diào)節(jié)，賦能產(chǎn)線柔性制造能力，產(chǎn)線可同時(shí)實(shí)現(xiàn)M10、G12等多種規(guī)格硅棒加工流轉(zhuǎn)，同時(shí)滿足多種厚度硅片同時(shí)共線流轉(zhuǎn)生產(chǎn)。

節(jié)省人員情況 通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施可以減少人員40人，以每人每年平均8萬(wàn)元成本計(jì)，僅人工成本每年即可節(jié)約320萬(wàn)元其他有益效果 節(jié)省人員培訓(xùn)、招聘、安全生產(chǎn)等費(fèi)用；物料周轉(zhuǎn)搬運(yùn)時(shí)間縮短了約34%

（3）生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)化、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)化。對(duì)工藝優(yōu)化、良品率提升提供數(shù)據(jù)支撐。縮短設(shè)備維保時(shí)間，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高設(shè)備利用率。對(duì)原輔料信息進(jìn)行使用數(shù)據(jù)分析，為后續(xù)優(yōu)化供應(yīng)鏈、提升生產(chǎn)管理水平等環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)可視化。利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建單晶硅生產(chǎn)車(chē)間的三維模型實(shí)現(xiàn)車(chē)間的虛實(shí)映射，對(duì)產(chǎn)線屬性、參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確測(cè)量和采集，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分析和優(yōu)化，使單晶硅生產(chǎn)過(guò)程一目了然。

（5）多種模式的智能輔助決策手段。通過(guò)決策中心、工業(yè)APP等形式，實(shí)時(shí)展示產(chǎn)線KPI、異常報(bào)警等情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)、分析、改進(jìn)、效果對(duì)比的閉環(huán)管理，為生產(chǎn)者、管理者和決策者提供智能輔助。

4 結(jié) 語(yǔ)

智能制造系統(tǒng)的引入能讓企業(yè)真正隨時(shí)隨地控制、協(xié)調(diào)制造過(guò)程，為企業(yè)拓寬制造過(guò)程中信息的深度、廣度和透明度，幫助企業(yè)大幅度降低成本，提高企業(yè)反應(yīng)速度和效率，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，使企業(yè)真正實(shí)現(xiàn)管理高效、信息集成、流程優(yōu)化。文中通過(guò)對(duì)單晶硅片生產(chǎn)制造領(lǐng)域的智能制造系統(tǒng)探索應(yīng)用案例的分析闡述，為后續(xù)光伏電池硅片生產(chǎn)制造企業(yè)的數(shù)字化工廠建設(shè)提供了應(yīng)用示范，為光伏新能源行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)智能制造提供了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：郎新星（1984—），男，山西人，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事智能制造系統(tǒng)研究。

段云森（1995—），男，山西人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)建模和仿真技術(shù)。