★研祥智能科技股份有限公司

1　背景

全球能源供应日趋紧张，能源价格持续上涨。全球大部分国家和地区都提出了“碳中和”目标，并设立了相应的激励政策，世界各国都在大力推进可再生能源的发展。欧盟、印度等国家都迎来了光伏装机的历史新高，且市场需求日益旺盛。在“碳达峰、碳中和”战略引领下，中国的能源革命正在加速推进中，光伏作为绿色可再生能源正在进入大规模高质量发展阶段。为了实现“双碳”目标，国家推出多项政策促进能源改革，国家发改委在《“十四五”可再生能源发展规划》中明确，大力推进风电和光伏发电基地化开发。其中，以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地建设加快推进，总规模达到4.55亿千瓦。

单晶硅炉是半导体材料直拉法晶体专用设备，其硅单晶棒料经切割等后续工艺处理成芯片被制作为二极管、太阳能电池、集成电路等半导体材料的主要器件。随着光伏行业的飞速发展，对硅材料的需求也日益增加，对单晶硅炉的智能化高效生产提出了更高的要求。本文讲述的是研祥HMI（Human Machine Interface，人机界面）智能控制设备和智能管理平台在光伏制造领域中自动化单晶硅生产炉中的应用。

2　应用现场工艺流程

单晶硅是半导体、太阳能光伏发电、集成电路等产业的基础材料。它是晶体材料的重要组成部分。而自然界中天然高纯度的单晶硅数量极少，很难满足实际的应用要求，因此需要专门的制硅生产工艺来生产高品质的单晶硅，直拉法就是现今单晶硅的主要生产技术之一。研祥通过HMI控制技术和智能管理平台来助力国内单晶硅制造企业提高单晶硅的生产效率和品质。

2.1　单晶硅炉组成

单晶硅炉主要由主机炉体、加热电源和计算机控制系统三大部分组成。

（1）主机炉体主要包括：机架、立柱、坩埚提升旋转机构、晶体提升旋转机构、液压驱动装置、真空系统、冲氩气系统及水冷系统等。

（2）计算机控制系统：底层PLC控制、上位机采用研祥HMI工业平板电脑，配备大屏触摸式HMI人机界面、高像素CCD视觉系统，来拍照观察晶体生长情况。

2.2　单晶硅生长工艺流程（如图1所示）

图1 单晶硅生长工艺流程

装料：将多晶硅原料及掺杂剂放入石英坩埚内。

熔料：将单晶炉抽真空，并充入定量的高纯氩气来稳定压力，打开加热电源加热升温，使原料充分熔化。

引晶：将籽晶浸入熔硅体中，使其头部和熔硅形成固液界面，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体。

缩颈：生长一定长度的缩小的细长颈的晶体，以防止籽晶中的位错延伸到晶体中。缩颈过程，直径越细，位错越少，但直径过细，支撑不了晶棒重量，会发生掉棒的安全事故。

放肩：放肩是减慢晶体提拉速度，降低温度，使直径增大，控制到所需直径。等径生长：根据熔体和单晶炉的情况，控制晶体等径生长到所需长度，等径生长是晶体生长的主体部分，单晶硅片的原料从这部分获得。收尾：等径生长完成之后，晶棒直径逐渐缩小，直到形成一尖点与液面分开，离开熔体。降温停炉：收尾结束后，单晶棒缓慢升入副室冷却，并取出待后续加工，这是完成一次生长周期。

3　应用架构和方案实施

早期的直拉式单晶硅生产完全依赖人工观察和操作，生产效率低、误差大、品质没有保障，可利用率低下。从单晶硅生产工艺来看，单晶硅的生产工艺复杂，尤其对晶体生长直径精度控制要求高。故而单晶硅炉需要采用全自动控制系统，来确保单晶硅的生长品质和效率。目前行业内主流解决方案是：控制系统核心采用研祥的工业触摸一体机，友好的HMI人机界面；给高像素的CCD工业相机信号，CCD工业相机对熔炼炉内晶体直径、液口距、等径断线等生长信息采集，通过视觉软件实时监视熔炼炉中的单晶硅生长情况；并通过底层PLC来对各过程进行自动调节。整个生长过程是高精度闭环控制，减少了操作管理员的劳动强度。

3.1  方案难点

（1）现场应用场景复杂。厂房内布置有上千台单晶硅炉，电磁干扰严重，需要工控机具有较强的抗电磁干扰能力。

（2）防电磁干扰要求高。对网络传输信号有干扰，因此需要采用具有屏蔽功能的网线。

（3）7×24小时不间断工作。由于生产工艺的要求，因此单晶硅炉需要7×24小时不间断工作，对工控机的稳定性要求高。

（4）为了保证数据的安全性，现场禁用U盘，只有获得授权的U盘，才可以在工控机上使用。客户目前是通过人力监控，费时费力，效果不好。

（5）当客户需要在工控机上部署客户对应的软件，要对每一台机器进行软件安装，平均每台机器需要5～８分钟，部署1000台设备，一个操作员需要花费３～５天的时间，效率低下。

3.2　应用架构图（如图2所示）

图2 应用架构图

3.3　应用方案的实施

（1）后台中控：研祥IPC-860工控机，出厂带研祥智能管理平台服务端。后台的管理员进行操作，可以远程监视和操作工控机。

（2）工控机：研祥W15工业平板电脑，出厂带研祥智能管理平台客户端；搭载视觉工业相机，安装视觉软件。核心工作是分析工业相机拍到的照片，确认是否需要调整各工艺阶段的参数，并将指令下发给PLC。

（3）工业相机：每一秒钟上传一张图片（图片大小约900K）到工控机。

（4）PLC：PLC接到工控机的指令，将指令传递给运动控制器，来操作熔炼炉，调整参数。现场操作员也可以通过PLC搭配的触摸屏，手动操作PLC。

3.4　研祥HMI工业平板主要特点

研祥W15系列是一款15.6"宽屏工业平板电脑（如图3所示），整机采用铝合金材质，系统架构采用主板+扩展板设计方案，结构简单，各模块板之间连接采用高可靠连接器对接，保证高可靠性的运行环境，具有良好的EMC、防尘、散热、抗振性能。该系列是面向高端MES、综合监控、自动化等领域，主要用于生产线MES、综合监控(轨道交通，楼宇，电力等)、医疗信息化、单晶硅炉、风电等恶劣工业现场控制应用。

（1）产品图片

图3 研祥W15系列工业平板电脑

（2）主要特点

·全密闭低功耗无风扇设计；

·工业级触摸屏，防护等级满足IP65；

·丰富的I/O接口，可满足现场各种数据传输采集，以及多信号控制；

·多千兆网口可用于冗余网络；

·搭载组态软件，友好HMI人机界面。

3.5  研祥智能管理平台主要特点

（1）平台组成：目前平台由单个服务端和多个客户端组成，各个客户端独立工作，服务端可控制接入的客户端。

（2）实时监控：客户端监控并记录设备运行状态，设备异常时，服务端处实时通知。方便快速发现并解决设备异常，运行数据为维护和升级设备提供数据支持。

（3）远程控制：服务端处支持上传控制文件并同步至各个客户端，客户端处响应服务端命令在规定时间内运行控制文件。控制类型和内容多样，供额外开发拓展，通用性好，可支持拓展多种控制功能。

（4）U盘禁用：对客户端的U盘使用进行限制，只有在服务端处备案认证过的U盘才能在客户端处使用。

（5）稳定性好：服务端与客户端可长时间无差错运行，客户端运行时系统资源占用可忽略，不影响设备软件的正常运行。软件架构如图4所示。

图4 软件架构图

4　案例效益分析

早期的直拉式单晶硅生产完全依赖人工观察和操作，生产效率低、误差大、品质没有保障，可利用率低下。研祥提供的解决方案，从后台中控、核心控制到底层控制，从软件和硬件上进行技术创新，跨层协作。助力客户提高单晶硅产品品质、提高生产效率、降低成本，确保生产安全。

（1）后台数据实时监控与分析：以前监控1000台单晶硅设备是否正常运行，完全依靠现场人员人工巡检，效率低下。而现在采用该方案后，后台的管理员在研祥IPC-860智能管理平台服务端上进行操作，可以远程监控单晶硅设备是否正常运转，设备上的W15工业平板电脑是否正常运行。

（2）部署软件方便：以前部署1000台设备，1个操作员需要花费３～５天的时间；而现在采用该方案后，只需要３～５分钟即可批量安装完毕，提升效率，降低人员成本。

（3）提升产品品质：该解决方案通过工控机与传感器和图像处理设备的配合，可以实时监测和分析单晶硅的生长特征，并根据分析结果，来确认是否需要下层的PLC来调整各工艺阶段的参数，从而提高产品的一致性和可靠性。

（4）确保生产的安全性：以前客户现场并没有对U盘的使用进行限制和管理，而采用该方案后，我们从管理平台上可以对U盘禁用，对客户端的U盘使用进行限制，只有在服务端备案认证过的U盘才能在客户端使用。这样避免了因病毒感染导致机器故障，从而产生安全事故。

（5）确保生产资料的保密性：U盘禁用后，产品的生产资料不能随意拷贝，提高了企业生产资料的保密性。

5　案例意义概述

从该案例可以看出，智能化的生产和管理贯穿了单晶硅的全工艺流程，使其生产效率、产品品质大幅提高；降低了生产过程中人员成本，保障了企业生产和企业数据的安全性。研祥该解决方案各部分分开设计测试，缩短了开发周期，升级换代方便。使客户的生产系统和企业管理系统更好地融于一体，真正实现了生产智能化。

摘自《自动化博览》2023年11月刊