智能制造在太陽能硅片制造中的探究與應用

摘 要：為提高企業工作效率，降低生產勞動成本，加快智能制造系統在光伏產業行業建設，利用SCADA、MES和數字孿生等信息系統技術結合自動化系統技術打造特色智能制造平臺，建成了一條基于自動化、數字化、信息化、智能化的太陽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競爭力，同時也能為行業其他企業建設太陽能單晶硅片生產智能工廠提供經驗和參考。

關鍵詞：光伏產業；單晶硅片；信息化；自動化；智能化；智能工廠

中圖分類號：TP278 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-0-05

0 引 言

20世紀下半葉以來，作為傳統能源的化石能源供應日趨緊張，各國都在努力探索能夠替代傳統能源的新能源。太陽能作為資源量最大的再生能源之一，無疑成為研究的重點[1-2]。利用“光生伏特效應”即光伏效應[3]催生和造就了光伏產業，形成了硅材料、硅片、電池片、電池組件的完整產業鏈。當下，我國的太陽能光伏產業已成為極具全球競爭優勢的新興產業[4-5]。

智能制造同樣作為已經興起并急速發展的新興產業，已在傳統的制造領域掀起了一場“工業革命”[6-7]，如何將這兩個產業進行深度融合，從而產生“1+1＞2”的效果，也已成為當下兩個產業從業人員研究的重大課題。

文中以太陽能光伏產業鏈中單晶硅片生產制造典型企業為平臺[8]，開展智能制造的研發與應用工作，針對智能制造車間在硅片制造環節實際應用中主要涉及的自動化系統及信息化系統進行經驗分享，通過規劃案例分析、分步實施流程來探索智能制造對光伏制造企業產生的影響。

1 硅片制造行業智能制造發展現狀

我國傳統的硅片制造企業現狀主要有以下幾點：

（1）制造裝備的自動化程度已處于較為先進的水平，部分企業已開始嘗試局部工藝段自動化連線，但仍主要停留在單機自動化狀態，未與上下游設備協同，無法深度融入生產過程。

（2）生產過程中物料流轉以及上下料主要依賴人工，配送及時性、準確性差，人工作業強度高，物料轉運受損風險大。

（3）信息流轉主要靠隨工單和人工臺賬，信息流通慢，易丟失，制造信息“孤島化”現象嚴重。

（4）工藝、排產等生產過程嚴重依賴人工，人員的技能素質、工作狀態等因素都會影響生產過程。

（5）在當前數據即是資產的時代，光伏生產過程產生的大量數據并沒有被實時采集記錄，區分和利用這些數據的企業更是少之又少。

2 單晶硅片智能制造車間方案

2.1 項目背景

項目實施單位為中國電子科技集團公司第二研究所，簡稱中電科二所。中電科二所是國內最早倡導智能制造轉型升級的單位之一，是工信部第一批全國46家試點示范工程承擔單位之一，同時也是工信部智能制造新模式應用以及智能制造標準化項目承擔單位，在智能制造領域擁有深厚的技術積累及應用經驗，是國內知名的智能制造系統服務商。

項目應用單位是安徽某新能源科技公司，是全國首個大規模生產N+型大尺寸、超高效單晶太陽能硅片項目，為安徽省“雙招雙引”重點工程、某市光伏新能源產業“一號工程”。該項目為該公司新建車間，擬建成集自動化、信息化、網絡化、智能化于一體的先進單晶生產智能車間，提高作業效率，降低運行成本，為后續擴產提供裝備及數據支撐。

2.2 項目設計架構及建設內容

本項目主要建設內容為對單晶硅片生產車間從自動化、信息化、數字化、智能化4個方面進行智能化設計實施，覆蓋倉庫、硅料準備車間、晶體車間、機加車間、切片車間、插片分選車間、包裝車間等全工藝段，涉及人、機、料、法、環、測等環節?？傮w架構如圖1所示。包括以下方面：

（1）現有設備信息采集、管理調度、信息采集；

（2）自動化倉儲物流及上下料設備設計規劃實施；

（3）車間裝備及功能房布局設計；

（4）網絡系統搭建；

（5）信息系統建設。

2.3 單晶硅片典型生產流程

單晶硅片典型生產工藝流程如圖2所示。

2.4 自動化系統方案

自動化系統是智能制造實現的基礎。本項目自動化部分主要涉及3個車間，分別是晶體車間、機加車間、切片分選車間，主要功能是完成原料配送、工序間轉運、工藝裝備自動上下料、檢驗以及裝備系統間協同作業。

2.4.1 晶體車間

晶體車間的主要功能是利用長晶設備在一定工藝條件下，將硅原料生長制造成單晶棒料，涉及配料、初裝、二加、復投、取棒、拆清等工序。晶體車間作業面位于廠房二層，該車間主要配置了自動加料機、初裝AMR小車、二加/復投AMR小車、取棒車、晶棒轉運AMR、升降機等設備，配套坩堝轉運車、石英加料器轉運車、晶棒轉運車等輔助器材，結合生長設備集控系統、SCADA、RCS、MES、WMS等信息化系統，實現車間內原料、輔料的準備、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轉運。

車間內原料、輔料、工藝裝備均定義配置唯一識別碼，信息采集系統自動采集、校驗實際用料以及裝備使用信息，MES自動生成最終的單晶棒料編碼，該編碼作為后續硅片生產基礎信息流轉至機加車間。晶體車間單晶硅原料配送如

圖3所示，晶體車間單晶硅棒成品配送如圖4所示。

2.4.2 機加車間

機加車間的主要功能是將晶體車間生產的長晶棒進行截斷、磨倒形成可供切片的方棒，其間穿插有多道檢驗工序。該車間主要配置有截斷區桁架式自動上料機械手、截斷自動下料輸送設備、自動激光打碼設備、圓棒自動流轉輸送設備、圓棒自動測試區、開方磨倒區地軌式機械手、方棒自動輸送設備、方棒檢測設備等。截斷及磨倒區同時設計人工上下料方案，確保自動化設備異常時仍可正常生產。

機加車間識別晶體車間送來的單晶棒料編碼，根據系統工藝安排將單晶棒料截斷并賦予截斷后棒料新編碼，流轉至后續檢測、開方、磨倒工序，后續各工序識別對應編碼進行對應操作并更新產品實時信息至MES系統。機加車間截斷區上料如圖5所示。機加車間開方磨倒區自動上下料系統如圖6所示。

2.4.3 切片分選車間

切片車間主要完成硅棒到硅片的加工，本車間采用專用機器人實現硅棒以及切割完成的硅片在車間內工序的轉運及上下料。主要作業流程為：機器人從粘棒靜置庫接駁臺接取物料→根據物料信息及相關指令配送至對應切片機完成自動上料→切片機切片→切片完成后機器人從切片機取出物料轉運至脫膠機并完成上料。由于硅片材質的易碎特性，脫膠完成后至清洗機上料由人工完成，清洗后插片、分選由自動化設備完成。清洗完成的晶托由AMR小車運回粘棒間，對接粘棒設備晶托上料口，完成自動上料。

切片車間工藝裝備自動識別機加車間流轉來的晶棒編碼，根據對應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。切片車間機器人如圖7所示。

2.5 信息化系統方案

本項目設計的單晶硅片智能制造車間信息化總體架構主要包括設備層、控制層、數據層、應用層和表現層[9]。

設備層：通過各種通信協議（OPC UA、Modbus、MC等）實現SCADA系統與各生產設備的連接，達到數據采集、設備控制的目的。圖8所示為SCADA系統總體架構。

控制層：結合設備層采集的數據，實現對單個設備工藝參數的變更、配置。同時，可實現對現場自動化設備的調度與控制，如：AGV、配棒庫等。

數據層：將生產過程中的實時數據進行存儲，方便后續數據的處理、跟蹤。

應用層：通過MES系統實現全廠信息流的跟蹤、追溯，實現單晶硅數字化車間信息化。圖9所示為所設計的單晶硅數字化車間整體信息跟蹤流程。

表現層：通過現場電子看板、數字孿生等實現現場數據的實時展示，通過虛擬與現實相結合，實現可視化[10]，如圖10、圖11、圖12所示。

3 應用效果

項目以柔性自動化系統為基礎，根據單晶硅片生產實際融合大數據、傳感器、工業互聯網和MES智能管理等軟硬件，突破了傳統光伏生產車間裝備獨立人工控制的生產瓶頸，實現了生產指令、加工程序、工藝參數的下達以及進度、質量、物流、設備等過程數據的實時采集和交互。項目實施后，主要效果如下：

（1）智能裝備大量應用，利于節省人力物力，并能有效提高效率，節約成本。

系統實施后，三班兩倒工作制人員配置情況對比見表1所列。

（2）單晶硅生產車間的自動化升級。實現自動化物料配送及動態產線調節，賦能產線柔性制造能力，產線可同時實現M10、G12等多種規格硅棒加工流轉，同時滿足多種厚度硅片同時共線流轉生產。

節省人員情況 通過項目實施可以減少人員40人，以每人每年平均8萬元成本計，僅人工成本每年即可節約320萬元其他有益效果 節省人員培訓、招聘、安全生產等費用；物料周轉搬運時間縮短了約34%

（3）生產信息數據化、產品質量數據化。對工藝優化、良品率提升提供數據支撐?？s短設備維保時間，延長設備壽命，提高設備利用率。對原輔料信息進行使用數據分析，為后續優化供應鏈、提升生產管理水平等環節提供數據支撐。

（4）基于數字孿生技術的數據可視化。利用數字孿生技術構建單晶硅生產車間的三維模型實現車間的虛實映射，對產線屬性、參數和運行狀態進行精確測量和采集，實現精準分析和優化，使單晶硅生產過程一目了然。

（5）多種模式的智能輔助決策手段。通過決策中心、工業APP等形式，實時展示產線KPI、異常報警等情況，實現生產過程發現、分析、改進、效果對比的閉環管理，為生產者、管理者和決策者提供智能輔助。

4 結 語

智能制造系統的引入能讓企業真正隨時隨地控制、協調制造過程，為企業拓寬制造過程中信息的深度、廣度和透明度，幫助企業大幅度降低成本，提高企業反應速度和效率，提升核心競爭力，使企業真正實現管理高效、信息集成、流程優化。文中通過對單晶硅片生產制造領域的智能制造系統探索應用案例的分析闡述，為后續光伏電池硅片生產制造企業的數字化工廠建設提供了應用示范，為光伏新能源行業全產業鏈實現智能制造提供了基礎。

參考文獻

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[10]郎新星，段云森.基于數字孿生技術的晶棒機械加工及自動上下料系統[J].現代制造工程，2023，45（7）：28-36.

作者簡介：郎新星（1984—），男，山西人，本科，高級工程師，現從事智能制造系統研究。

段云森（1995—），男，山西人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為系統建模和仿真技術。