智能制造在太阳能硅片制造中的探究与应用

智能制造在太阳能硅片制造中的探究与应用

智能制造在光伏产业中的应用是当前制造业转型升级的重要方向。本文以太阳能光伏产业链中单晶硅片生产制造典型企业为平台，详细介绍了智能制造系统在光伏产业中的应用，包括自动化系统、信息化系统的设计与实施，以及其带来的实际效果。

20世纪下半叶以来，作为传统能源的化石能源供应日趋紧张，各国都在努力探索能够替代传统能源的新能源。太阳能作为资源量最大的再生能源之一，无疑成为研究的重点。利用“光生伏特效应”即光伏效应催生和造就了光伏产业，形成了硅材料、硅片、电池片、电池组件的完整产业链。当下，我国的太阳能光伏产业已成为极具全球竞争优势的新兴产业。

智能制造同样作为已经兴起并急速发展的新兴产业，已在传统的制造领域掀起了一场“工业革命”，如何将这两个产业进行深度融合，从而产生“1+1＞2”的效果，也已成为当下两个产业从业人员研究的重大课题。

文中以太阳能光伏产业链中单晶硅片生产制造典型企业为平台，开展智能制造的研发与应用工作，针对智能制造车间在硅片制造环节实际应用中主要涉及的自动化系统及信息化系统进行经验分享，通过规划案例分析、分步实施流程来探索智能制造对光伏制造企业产生的影响。

硅片制造行业智能制造发展现状

我国传统的硅片制造企业现状主要有以下几点：

• 制造装备的自动化程度已处于较为先进的水平，部分企业已开始尝试局部工艺段自动化连线，但仍主要停留在单机自动化状态，未与上下游设备协同，无法深度融入生产过程。
• 生产过程中物料流转以及上下料主要依赖人工，配送及时性、准确性差，人工作业强度高，物料转运受损风险大。
• 信息流转主要靠随工单和人工台账，信息流通慢，易丢失，制造信息“孤岛化”现象严重。
• 工艺、排产等生产过程严重依赖人工，人员的技能素质、工作状态等因素都会影响生产过程。
• 在当前数据即是资产的时代，光伏生产过程产生的大量数据并没有被实时采集记录，区分和利用这些数据的企业更是少之又少。

单晶硅片智能制造车间方案

项目背景

项目实施单位为中国电子科技集团公司第二研究所，简称中电科二所。中电科二所是国内最早倡导智能制造转型升级的单位之一，是工信部第一批全国46家试点示范工程承担单位之一，同时也是工信部智能制造新模式应用以及智能制造标准化项目承担单位，在智能制造领域拥有深厚的技术积累及应用经验，是国内知名的智能制造系统服务商。

项目应用单位是安徽某新能源科技公司，是全国首个大规模生产N+型大尺寸、超高效单晶太阳能硅片项目，为安徽省“双招双引”重点工程、某市光伏新能源产业“一号工程”。该项目为该公司新建车间，拟建成集自动化、信息化、网络化、智能化于一体的先进单晶生产智能车间，提高作业效率，降低运行成本，为后续扩产提供装备及数据支撑。

项目设计架构及建设内容

本项目主要建设内容为对单晶硅片生产车间从自动化、信息化、数字化、智能化4个方面进行智能化设计实施，覆盖仓库、硅料准备车间、晶体车间、机加车间、切片车间、插片分选车间、包装车间等全工艺段，涉及人、机、料、法、环、测等环节。总体架构如图1所示。包括以下方面：

• 现有设备信息采集、管理调度、信息采集；
• 自动化仓储物流及上下料设备设计规划实施；
• 车间装备及功能房布局设计；
• 网络系统搭建；
• 信息系统建设。

单晶硅片典型生产流程

单晶硅片典型生产工艺流程如图2所示。

自动化系统方案

自动化系统是智能制造实现的基础。本项目自动化部分主要涉及3个车间，分别是晶体车间、机加车间、切片分选车间，主要功能是完成原料配送、工序间转运、工艺装备自动上下料、检验以及装备系统间协同作业。

晶体车间

晶体车间的主要功能是利用长晶设备在一定工艺条件下，将硅原料生长制造成单晶棒料，涉及配料、初装、二加、复投、取棒、拆清等工序。晶体车间作业面位于厂房二层，该车间主要配置了自动加料机、初装AMR小车、二加/复投AMR小车、取棒车、晶棒转运AMR、升降机等设备，配套坩埚转运车、石英加料器转运车、晶棒转运车等辅助器材，结合生长设备集控系统、SCADA、RCS、MES、WMS等信息化系统，实现车间内原料、辅料的准备、配送以及晶棒在取棒位、冷却位到位于一层的划线工位的自动转运。

车间内原料、辅料、工艺装备均定义配置唯一识别码，信息采集系统自动采集、校验实际用料以及装备使用信息，MES自动生成最终的单晶棒料编码，该编码作为后续硅片生产基础信息流转至机加车间。晶体车间单晶硅原料配送如图3所示，晶体车间单晶硅棒成品配送如图4所示。

机加车间

机加车间的主要功能是将晶体车间生产的长晶棒进行截断、磨倒形成可供切片的方棒，其间穿插有多道检验工序。该车间主要配置有截断区桁架式自动上料机械手、截断自动下料输送设备、自动激光打码设备、圆棒自动流转输送设备、圆棒自动测试区、开方磨倒区地轨式机械手、方棒自动输送设备、方棒检测设备等。截断及磨倒区同时设计人工上下料方案，确保自动化设备异常时仍可正常生产。

机加车间识别晶体车间送来的单晶棒料编码，根据系统工艺安排将单晶棒料截断并赋予截断后棒料新编码，流转至后续检测、开方、磨倒工序，后续各工序识别对应编码进行对应操作并更新产品实时信息至MES系统。机加车间截断区上料如图5所示。机加车间开方磨倒区自动上下料系统如图6所示。

切片分选车间

切片车间主要完成硅棒到硅片的加工，本车间采用专用机器人实现硅棒以及切割完成的硅片在车间内工序的转运及上下料。主要作业流程为：机器人从粘棒静置库接驳台接取物料→根据物料信息及相关指令配送至对应切片机完成自动上料→切片机切片→切片完成后机器人从切片机取出物料转运至脱胶机并完成上料。由于硅片材质的易碎特性，脱胶完成后至清洗机上料由人工完成，清洗后插片、分选由自动化设备完成。清洗完成的晶托由AMR小车运回粘棒间，对接粘棒设备晶托上料口，完成自动上料。

切片车间工艺装备自动识别机加车间流转来的晶棒编码，根据对应工艺要求完成切片工作，切片完成后的脱胶、清洗、插片、分选工序信息传递由各自工序的专用载具完成。切片车间机器人如图7所示。

信息化系统方案

本项目设计的单晶硅片智能制造车间信息化总体架构主要包括设备层、控制层、数据层、应用层和表现层。

设备层：通过各种通信协议（OPC UA、Modbus、MC等）实现SCADA系统与各生产设备的连接，达到数据采集、设备控制的目的。图8所示为SCADA系统总体架构。

控制层：结合设备层采集的数据，实现对单个设备工艺参数的变更、配置。同时，可实现对现场自动化设备的调度与控制，如：AGV、配棒库等。

数据层：将生产过程中的实时数据进行存储，方便后续数据的处理、跟踪。

应用层：通过MES系统实现全厂信息流的跟踪、追溯，实现单晶硅数字化车间信息化。图9所示为所设计的单晶硅数字化车间整体信息跟踪流程。

表现层：通过现场电子看板、数字孪生等实现现场数据的实时展示，通过虚拟与现实相结合，实现可视化，如图10、图11、图12所示。

应用效果

项目以柔性自动化系统为基础，根据单晶硅片生产实际融合大数据、传感器、工业互联网和MES智能管理等软硬件，突破了传统光伏生产车间装备独立人工控制的生产瓶颈，实现了生产指令、加工程序、工艺参数的下达以及进度、质量、物流、设备等过程数据的实时采集和交互。项目实施后，主要效果如下：

• 智能装备大量应用，利于节省人力物力，并能有效提高效率，节约成本。
• 单晶硅生产车间的自动化升级。实现自动化物料配送及动态产线调节，赋能产线柔性制造能力，产线可同时实现M10、G12等多种规格硅棒加工流转，同时满足多种厚度硅片同时共线流转生产。
• 生产信息数据化、产品质量数据化。对工艺优化、良品率提升提供数据支撑。缩短设备维保时间，延长设备寿命，提高设备利用率。对原辅料信息进行使用数据分析，为后续优化供应链、提升生产管理水平等环节提供数据支撑。
• 基于数字孪生技术的数据可视化。利用数字孪生技术构建单晶硅生产车间的三维模型实现车间的虚实映射，对产线属性、参数和运行状态进行精确测量和采集，实现精准分析和优化，使单晶硅生产过程一目了然。
• 多种模式的智能辅助决策手段。通过决策中心、工业APP等形式，实时展示产线KPI、异常报警等情况，实现生产过程发现、分析、改进、效果对比的闭环管理，为生产者、管理者和决策者提供智能辅助。

结语

智能制造系统的引入能让企业真正随时随地控制、协调制造过程，为企业拓宽制造过程中信息的深度、广度和透明度，帮助企业大幅度降低成本，提高企业反应速度和效率，提升核心竞争力，使企业真正实现管理高效、信息集成、流程优化。文中通过对单晶硅片生产制造领域的智能制造系统探索应用案例的分析阐述，为后续光伏电池硅片生产制造企业的数字化工厂建设提供了应用示范，为光伏新能源行业全产业链实现智能制造提供了基础。

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