淺談集控技術在單晶硅片智能制造領域的應用模式

冉瑞應， 黑學蘭， 金 雪

（銀川隆基硅材料有限公司， 寧夏 銀川 750021）

0 引言

能源和環境問題， 是制約當今世界經濟社會可持續發展的兩個突出問題。 隨著全球范圍內的能源緊缺和安全問題的日益突出，大力發展風電、光伏發電及充電樁等新能源業務， 已成為世界各國應對氣候變化的主要措施之一。 由于太陽能光伏發電具有可觀的經濟效益和環境效益，近年來迎來了新的發展機遇。

集中監控系統的研究成為了各行各業的研究熱點，光伏行業也不例外。 實現單晶硅棒制造車間數據自主采集、信息化、少人化工廠，對硅片制造端作集中管理，達到質量控制目的的同時，實現全面系統集成與數據融合，打破數據孤島，實現數據分析的跨工段垂直整合。

1 集控系統的設計與開發

1.1 基于大數據驅動的車間運行分析與優化

集控系統的制造數據呈現出典型的“3V”特效，即規模性（Volume）、多樣性（Variety）和高速性（Velocity）。 基礎拉晶生產的特點在于其現場產生的數據種類多、 記錄的頻次高、數據量大，部分信息甚至有實時性要求，因此需要采用實時歷史庫或其他方式保證數據的吞吐穩定。 項目使用實時數據庫進行大量詳細實時數據的存儲與管理，進行直接設備數據采集、外圍確認信息采集（如設備的點檢信息、現場異常的確認結果等），并對所有的實時數據進行初步的計算和處理，轉化成可供使用的數據。 單晶爐采數網絡拓撲圖如圖1 所示。

圖1 單晶爐采數網絡拓撲圖Fig.1 Single crystal furnace mining network topology

智能制造車間內的基本思路首先是基于大數據思維，將設備狀態參數、計劃執行情況等運行參數，以及質量等性能指標數據化，通過聚類、序列模式挖掘、關聯等算法分析這些數據之間的關聯關系； 然后通過數據挖掘手段獲取產品合格率等車間性能在設備狀態、 運行過程等參數影響下的演化規律，建立性能預測模型；最后基于控制理論，從演化規律中找到關鍵參數進行定量控制，保證性能達到要求。

1.2 MES 制造執行系統及應用

現代企業基于綜合自動化系統， 通過信息融合實現企業信息化。 其中，在在企業生產管理方面，以企業資源規劃（ERP）、供應鏈管理（SCM）和客戶關系管理（CRM）為代表的管理信息系統得到廣泛應用， 在企業生產過程自動化控制方面，分散型控制系統（DCS）、現場總線控制系統（FCS）、可編程控制器（PLC）等代表性自動化裝備及技術已廣為普及應用， 并極大地提高了生產過程控制水平和產品質量， 建立過程控制層與管理層之間的信息聯絡環節，構建企業綜合自動化控制系統。 實現管控一體化。各層的作用如圖2 所示。

圖2 企業應用集成EAI 框架結構示意圖Fig.2 Enterprise application integration EAI framework structure diagram

2 集控系統的功能模塊設計

2.1 運行監控功能

集中監控系統具備對所有拉晶車間設備數據和狀態的監視和控制功能，主要包括：運行安全監視， 通過在各單體單晶爐端加設專用數據網關設備， 實現對爐內氣流場、 溫度場、轉速、生長速度、環境監測等信息以及保護測控、 功率預測等子系統的接入。通過生產模擬圖、趨勢圖和參數分類表等多種監視方式實時顯示爐體內各個數據的變化，起到監控作用。公司的監控系統主界面如圖3 所示。

圖3 監控系統主界面Fig.3 Main interface of monitoring system

2.2 故障診斷功能

單晶爐設備數量龐大、類型不一、設備型號不同，因此需對各設備數據進行統一的編碼和處理， 進行故障報警。 其主要的業務流程如圖4 所示。

圖4 單晶車間故障業務流程分析圖Fig.4 Single crystal workshop failure business process analysis chart

（1）設備故障描述。 系統對設備上送集控中心的告警（故障）信息描述需與車間原有系統保持一致，清晰明確易理解。 同時需顯示故障發生的廠站，設備，類型。

（2）故障判斷。 系統實現故障自動判斷功能，當設備運行狀態產生突變或參數超越原來的設定值時， 系統可以記錄下設備發生的異常情況， 并且通過畫面閃爍或聲音報警，及時提醒當值運維人員。 告警方式包括畫面顏色提示，文字變色、閃爍、語音播報，并應通過APP 推送提醒相關生產人員的功能。

（3）報警級別設置。 報警處理包括事故信號和預告信號，集中監控系統開發過程中，根據故障的類別和輕重緩急，或影響晶棒的拉制對故障進行分級處理，保證人員高效投入；同時出現不同等級的報警時，畫面上對應的電氣參數顯示不同的顏色并閃爍，便于運行人員直觀發現，并以告警窗口、音響等多種形式推送出來。

（4）輔助處理功能。 集中監控系統軟件具備智能診斷的功能，把與特定故障相關的輔助信息提供給運維人員，包括故障的原因、位置信息（可鏈接到現場版2D/3D 物理環境圖上定位位置）、排查操作步驟，同類設備歷史故障信息等。

（5）故障知識庫。 系統實現故障知識庫功能，提供一個開放的信息平臺， 將單晶爐設備不同類別的故障和解決方案整理、歸類，方便運維人員和技術人員隨時查閱、進行經驗分享，輔助運維人員正確判斷、快速處理故障，提高工作效率。

2.3 智能運維與大數據挖掘

系統通過大數據分析和高性能計算技術的結合，將采集的數據進行統計分析，建立起統一的資源數據庫，對各種知識進行長期積累，形成集團知識庫[4]。 基于系統大數據庫，單晶爐運維分析主要從晶體轉速、坩堝轉速、氬氣流速以及設備運行水平指標等多方面出發對單個或多個單晶爐的運行數據進行多層次、多維度綜合對比分析，評估生產運行情況[5]，達到精細化管理目標。 通過對多個單晶爐晶體轉速、坩堝轉速、氬氣流速及設備運行水平指標、 等效利用小時數等運營指標評估各個車間單晶爐施工質量、設備選型、運營管理情況，為設計、設備選型、運維，最終為提升產能和資產價值提供依據，為實現企業的生產管理優化提供支持。

2.4 報表功能

系統會根據用戶的需求按照固定模版自動生成統計報表。 報表界面友好，格式固定、統一，支持日、月、季、年和自定義時間段統計方式，支持對單個單晶爐、系統內所有單晶爐和自定義地理區域單晶爐統計方式，支持Excel、PDF格式導出和常規打印。支持采用不同來源的數據生成報表，可根據需要在報表參數設置欄上選擇過濾出所需內容而導出自定義報表。 用戶可根據報表調出歷史數據、故障數據，將需要的數據繪制成曲線等進行處理[6]，以郵件形式報送至相關業務人員， 取代項目前期人工數據統計錄入、郵件報送業務。 主要包含報表的自動生成與報送，見表1。

表1 報表管理列表展示Tab.1 Report management list is shown

2.5 集中生產管理功能

集中生產管理系統主要包括設備管理、物資管理、綜合管理等模塊功能。同時可進行工作依據、操作依據的管理，提高日常消缺和故障處理的效率，整體提高單晶爐的運營管理水平。

2.6 移動APP 發布

移動終端軟件可支持安卓及IOS 兩種版本， 軟件能實時查詢各單晶爐的數據情況， 并根據每日運作情況作出相應的推送。 移動終端軟件也是集運行、檢修、管理和展示等多種功能角色為一體的軟件， 具備靈活的人員權限管理。 移動終端軟件發揮其便攜性，增強運維人員現場工作時的指導，方便獲取如下信息，如故障定位、設備邏輯位置、故障原因、操作步驟等。移動APP 在便捷性、時效性上提供了巨大的支持。

圖6 移動APP 界面圖Fig.6 Mobile APP interface diagram

3 結論

本文主要基于MES 系統構建覆蓋底層設備、 過程控制、質量控制等無縫一體化的信息系統，實現全面系統集成與數據融合，最終實現車間集中監控，將生產過程數據從經驗分析轉向實時全量數據決策，從成本驅動轉向用戶價值和知識驅動， 將生產制造模式轉變成“預測性制造”，為光伏行業核心產品實現全生命周期網絡協同制造及全產業鏈智能制造打下堅實基礎。