★西门子（中国）有限公司郑磊，王佳

关键词：光伏；切片机；力矩同步；S120

1　光伏行业概述

目前全球电力市场中，可再生电力占总发电量的约16.6%。光伏发电占全球总发电量的约2%。全球总发电量在2018年达到峰值后，逐渐趋于平稳。在2018年之后，化石资源发电的绝对数量开始下降。光伏发电和风电的绝对数量稳步上升。

平准化度电成本LCOE（Levelized Costof Energy）通常用来衡量光伏发电的整个项目周期的单位发电成本。LCOE由初始投资、运营成本、产值收益、税费、发电量等因素决定。相较于2010年的0.381美元/kWh，光伏平均LCOE已于2015年下降至火电平均LCOE波动范围（低于0.15美元/kWh），到2020年实现0.057美元/kWh的经济性优势，过去十年降幅约85.0%，远高于海上风电48.1%和陆上风电56.2%的降幅。相较全球，中国光伏度电成本较低，光伏发电性价比更优，2022年已实现0.038美元/kWh。

太阳能电池是光伏发电系统中最核心的器件。太阳能电池是利用光电转换原理，将太阳的辐射光，通过半导体材质转变为电能的一种器件。目前，技术最成熟，并最有商业价值的太阳能电池是硅太阳能电池。太阳能电池板的制造过程，包括硅原材料、硅棒、硅片（晶圆）、玻璃、模组等的生产过程。

图1 光伏电池制造流程

（1）多晶硅：光伏产业链的最上游，原材料。通过还原二氧化硅得到硅单质，但含有较高杂质；

（2）硅锭：包括多晶硅锭和单晶硅锭。由多晶硅经过再次提纯之后，通过直接铸锭法（多晶硅锭）或者提拉法（单晶硅锭）获得；

（3）硅片：包括多晶硅片、单晶硅片。顾名思义，就是通过金刚线或其他方法将硅锭切成形状规则、厚度均一的薄片（目前行业常用在180-200微米）；

（4）电池片：硅片经过清洗、制绒、扩散、减反射膜沉积、金属电极丝网印刷等步骤之后，变成了可以在光照下产生电压和电流的半导体器件，这时它就叫做太阳能电池片；

（5）组件、太阳能电池板：这两个词在许多语境里是可以等价互换的概念。把许多太阳能电池片串联或并联在一起，并封装在防水、防潮的材料中，装上边框、接线盒等，就产生了光伏制造产业的最终产品，太阳能电池板或者叫太阳能组件。目前的单个组件的输出功率在250W到500W之间；

（6）太阳能电站：把许多电池板按照发电需要，并联或者串联起来，通过逆变器将直流电变成交流电，或充电池，或直接输送上电网，就得到了一个太阳能电站；根据规模可以分为家用（1-10kW）、商用（10-100kW）和大型电站（1MW以上）。

2　西门子伺服驱动解决方案

切片机用于上文中从硅锭到硅片的加工环节，用于把方形的硅锭切成硅片。西门子的S120伺服驱动系统，通过可靠的性能，为硅片切割设备提供了保障，满足了硅片大尺寸化和薄片化所需的控制要求。西门子应用于光伏切片机的SINAMICS S120系统，具备以下优点：

（1）高速力矩同步

通过将多根伺服主轴配置在同一个CU320控制单元内，可以达到电机间的高速力矩同步，速度达到0.125ms。

（2）主动能量回馈

切片机线网在高速运转下有巨大的动能，在线网换向时，主动型整流器，将制动能量回馈到车间电网，以节省能量。

（3）直流母线电压提升

S120驱动器能够对直流母线电压在一定范围内进行调整。通过将母线电压提升到700V，能够增加母线电容存储的能量，并且能够使伺服电机产生更大的功率。

（4）丰富的电机产品

132轴高同步电机可达到额定功率79kW，最大功率140kW；

166轴高异步电机可达到额定功率100kW，最大功率180kW。

（5）CMS振动检测

切片机主轴和收放线轴工作在+5000到-5000的运行环境中，通过振动检测装置，能够提前发现电机、主轴箱、辊子等机构的问题。通过预防性维护，防患于未然，降低加工厂家的损失。

3　切片机结构和电机选型

（1）切片机的结构

切片机通常由切割系统、切削供液系统、上下料系统组成。金刚线的直径大约45µm，金刚线缠绕在主轴间，形成线网。线网通过往复摩擦的方式，将硅棒切割成硅片。硅棒的长宽高分别为210mm×210mm×700mm。一根硅棒能够切割成约2500片硅片。线网运行速度为40m/s，加速时间4~6秒。

图2 切片机结构

· 主轴：目前常见为双主轴或三主轴切片机，主轴电机功率在70~120kW之间。

· 放卷：有左右两个线轮，在切割过程中一收一放。放卷转速约4000转，功率15kW。

· 张力轴：左右两个张力摆杆，实现张力闭环控制。线张力4~15N，最大扭矩20Nm。

· 排线轴：伺服电机驱动丝杠，实现左右排线，电机功率750W。

· 硅棒进给轴：驱动送料平台，切割时按配方要求送料，电机功率750W。

（2）主轴电机选型

选型过程包含，定义主轴机械数据，描述运动曲线，选择电机等。其中，硅片切割过程的负载主要是摩擦力，因此比较准确的摩擦力数据有助于选型。选择电机需要考虑电机的励磁方式、冷却方式、轴承类型、额定转速、扭矩常数、热利用率、扭矩利用率等。

在40米/秒的切片机选型过程中，西门子有两款1PH8电机可以选择，同步水冷1PH8138和异步水冷1PH8166。该电机有更高转速型号，可以匹配更高线速度的切片机。

4　电气控制结构设计

某切片机的PLC选择西门子1515SP-PC2控制器，触摸屏选择西门子精致面板TP1200。由于S120驱动系统安装在设备的左右两个电柜中，因此两部分的直流母线是独立的。

图3 控制系统结构

5　切片机控制难点

5.1　主轴1的控制方式

主轴1决定了切片机的主速度。控制方式可以选择位置控制方式或者速度控制方式。位置控制方式时，主轴1与虚拟主轴采用GEAR_IN命令进行位置同步。该指令执行后，位置环被激活。速度控制方式时，主轴1使用Move_velocity指令，通过刷新设定速度，来执行速度同步。从切片机的需求角度来看，速度控制方式由于没有开启位置环，速度波动更低，有利于避免出现速度、扭矩的震荡。

图4 主轴1的控制方式

5.2　主轴2的控制方式

主轴2的控制方式分为速度控制和力矩同步两种。

（1）两个主轴未建立刚性连接时，例如绕线过程中，主轴2使用速度控制方式。

（2）两个主轴已经建立刚性连接，线网左右两边都进入“联动”状态，主轴2使用扭矩同步方式。

（3）扭矩模式切换回速度方式的两种条件，一是线网断线检测开关，检测到线网断线，二是主轴1和主轴2之间的速度差大于100RPM，也说明线网断线。

图5 主轴2控制方式

速度方式的控制回路：主轴2在速度方式下，主轴1和主轴2的速度环都在工作，两个主轴是并列关系。

图6 主轴2速度控制方式

扭矩方式的控制回路：主轴2在扭矩方式下，主轴2的速度环没有启用。主轴2的扭矩设定值，来自主轴1的扭矩设定值r79^[1]。主轴2扭矩的比例由PLC扩展报文的形式，发送给驱动。依赖于S120高速的内部通讯，扭矩设定值的刷新速度能够达到0.125ms。

图7 主轴2扭矩控制方式

速度控制、扭矩控制切换，驱动侧设置如下：

（1）采用控制字STW1.14位激活直接扭矩控制激活扭矩控制之后，速度环自动关闭。

（2）从轴附加扭矩1，连接主轴的扭矩设定值r79[1]，滤波后的设定扭矩。

（3）主轴2相对于主轴1的扭矩系数，由PLC通过扩展报文传送，16#4000对应100%。

图8 速度控制、扭矩控制切换，驱动侧设置

速度控制、扭矩控制切换，PLC侧设置如下：

（1）对于工艺对象，使用SET_AXIS_STW指令来修改控制字。

（2）扭矩生效的状态字，在默认变量表的ZSW1.14中“Torque control active”。

5.3　收卷和主轴的速度同步性

切片机的主轴、收放线轴都运行在高线速度下，需要各电机保持高精度的速度同步。收卷使用Enable Interface功能来发送速度，使用轴倍率处理。主轴1使用MC_move命令。由于倍率的执行速度比MC_move快，收放卷速度比主轴速度快2个位置环周期。通过设置主虚轴FollowingAxisDependentTime=4ms，则ExtrapolatedVelocity和SetVelocity一致。消除了主轴速度的滞后。

图9 经过外推后的主轴速度

5.4　断电停车

（1）断电停车的原理硅棒切割的时间长，每根硅棒的价值高。因此切片机需要具备当工厂或车间断电时，线网能够不断线停止的功能。DC24V UPS提供设备所需的控制电源。驱动电源由电机制动的能量产生。当驱动器检测到直流母线电压低于判断阈值时，触发断电停机程序。主轴在停止时采用MC_STOP命令，不考虑加速度。

（2）直流母线器件的选择直流母线组件的构成，包括制动单元、制动电阻（峰值100kW）、外部电容。

·ALM能够直接连接的电容最大为20mf。ALM和电机模块总共6mf电容。可以再增加12mf的电容。

·选用耐压450V的电容，先串联后并联。并增加均压电阻和熔断器。

·根据电机的运行功率45kW估算动能，通过电容储能功能计算电容压降过程的能量。电容可以使用28ms。这段时间可以提高停机过程的安全系数，保证设备不断线。

表1 电容储能计算

（3）停机加速度的控制方法当主轴电机使用同步电机时，可以设计一个电压PID控制器。使用直流母线电压作为PID的反馈值，PID设定值是直流母线电压。同步电机的扭矩比较准确，可以在进线电源断开的情况下，将电压调节得很平稳，波动小于10V。

当主轴电机使用异步电机时，不宜使用电压PID控制器。因为异步电机的扭矩随直流母线电压而波动。而扭矩波动又会导致直流母线电压波动。形成正反馈，导致系统不稳定。因此我们选择一种简单的策略，使用固定减速度，12~15m/s，保证制动能量能够补充直流母线的消耗。此时母线电压达到750V，制动单元和制动电阻开始工作。因为电压能够稳定在750V，电机的输出扭矩比较平稳。

6　总结

西门子S7-1500 PLC和SINAMICS S120伺服驱动器的可靠性获得市场认可，成熟的控制方案保障了设备稳定运行。同时，面向未来更高速的45m/s和50m/s切片机，西门子也推出了转速和功率更高的新款伺服电机，提出了具备竞争力的解决方案。

摘自《自动化博览》2023年6月刊