浅谈集控技术在单晶硅片智能制造领域的应用模式

冉瑞应， 黑学兰， 金 雪

（银川隆基硅材料有限公司， 宁夏 银川 750021）

0 引言

能源和环境问题， 是制约当今世界经济社会可持续发展的两个突出问题。 随着全球范围内的能源紧缺和安全问题的日益突出，大力发展风电、光伏发电及充电桩等新能源业务， 已成为世界各国应对气候变化的主要措施之一。 由于太阳能光伏发电具有可观的经济效益和环境效益，近年来迎来了新的发展机遇。

集中监控系统的研究成为了各行各业的研究热点，光伏行业也不例外。 实现单晶硅棒制造车间数据自主采集、信息化、少人化工厂，对硅片制造端作集中管理，达到质量控制目的的同时，实现全面系统集成与数据融合，打破数据孤岛，实现数据分析的跨工段垂直整合。

1 集控系统的设计与开发

1.1 基于大数据驱动的车间运行分析与优化

集控系统的制造数据呈现出典型的“3V”特效，即规模性（Volume）、多样性（Variety）和高速性（Velocity）。 基础拉晶生产的特点在于其现场产生的数据种类多、 记录的频次高、数据量大，部分信息甚至有实时性要求，因此需要采用实时历史库或其他方式保证数据的吞吐稳定。 项目使用实时数据库进行大量详细实时数据的存储与管理，进行直接设备数据采集、外围确认信息采集（如设备的点检信息、现场异常的确认结果等），并对所有的实时数据进行初步的计算和处理，转化成可供使用的数据。 单晶炉采数网络拓扑图如图1 所示。

图1 单晶炉采数网络拓扑图Fig.1 Single crystal furnace mining network topology

智能制造车间内的基本思路首先是基于大数据思维，将设备状态参数、计划执行情况等运行参数，以及质量等性能指标数据化，通过聚类、序列模式挖掘、关联等算法分析这些数据之间的关联关系； 然后通过数据挖掘手段获取产品合格率等车间性能在设备状态、 运行过程等参数影响下的演化规律，建立性能预测模型；最后基于控制理论，从演化规律中找到关键参数进行定量控制，保证性能达到要求。

1.2 MES 制造执行系统及应用

现代企业基于综合自动化系统， 通过信息融合实现企业信息化。 其中，在在企业生产管理方面，以企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）和客户关系管理（CRM）为代表的管理信息系统得到广泛应用， 在企业生产过程自动化控制方面，分散型控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）、可编程控制器（PLC）等代表性自动化装备及技术已广为普及应用， 并极大地提高了生产过程控制水平和产品质量， 建立过程控制层与管理层之间的信息联络环节，构建企业综合自动化控制系统。 实现管控一体化。各层的作用如图2 所示。

图2 企业应用集成EAI 框架结构示意图Fig.2 Enterprise application integration EAI framework structure diagram

2 集控系统的功能模块设计

2.1 运行监控功能

集中监控系统具备对所有拉晶车间设备数据和状态的监视和控制功能，主要包括：运行安全监视， 通过在各单体单晶炉端加设专用数据网关设备， 实现对炉内气流场、 温度场、转速、生长速度、环境监测等信息以及保护测控、 功率预测等子系统的接入。通过生产模拟图、趋势图和参数分类表等多种监视方式实时显示炉体内各个数据的变化，起到监控作用。公司的监控系统主界面如图3 所示。

图3 监控系统主界面Fig.3 Main interface of monitoring system

2.2 故障诊断功能

单晶炉设备数量庞大、类型不一、设备型号不同，因此需对各设备数据进行统一的编码和处理， 进行故障报警。 其主要的业务流程如图4 所示。

图4 单晶车间故障业务流程分析图Fig.4 Single crystal workshop failure business process analysis chart

（1）设备故障描述。 系统对设备上送集控中心的告警（故障）信息描述需与车间原有系统保持一致，清晰明确易理解。 同时需显示故障发生的厂站，设备，类型。

（2）故障判断。 系统实现故障自动判断功能，当设备运行状态产生突变或参数超越原来的设定值时， 系统可以记录下设备发生的异常情况， 并且通过画面闪烁或声音报警，及时提醒当值运维人员。 告警方式包括画面颜色提示，文字变色、闪烁、语音播报，并应通过APP 推送提醒相关生产人员的功能。

（3）报警级别设置。 报警处理包括事故信号和预告信号，集中监控系统开发过程中，根据故障的类别和轻重缓急，或影响晶棒的拉制对故障进行分级处理，保证人员高效投入；同时出现不同等级的报警时，画面上对应的电气参数显示不同的颜色并闪烁，便于运行人员直观发现，并以告警窗口、音响等多种形式推送出来。

（4）辅助处理功能。 集中监控系统软件具备智能诊断的功能，把与特定故障相关的辅助信息提供给运维人员，包括故障的原因、位置信息（可链接到现场版2D/3D 物理环境图上定位位置）、排查操作步骤，同类设备历史故障信息等。

（5）故障知识库。 系统实现故障知识库功能，提供一个开放的信息平台， 将单晶炉设备不同类别的故障和解决方案整理、归类，方便运维人员和技术人员随时查阅、进行经验分享，辅助运维人员正确判断、快速处理故障，提高工作效率。

2.3 智能运维与大数据挖掘

系统通过大数据分析和高性能计算技术的结合，将采集的数据进行统计分析，建立起统一的资源数据库，对各种知识进行长期积累，形成集团知识库[4]。 基于系统大数据库，单晶炉运维分析主要从晶体转速、坩埚转速、氩气流速以及设备运行水平指标等多方面出发对单个或多个单晶炉的运行数据进行多层次、多维度综合对比分析，评估生产运行情况[5]，达到精细化管理目标。 通过对多个单晶炉晶体转速、坩埚转速、氩气流速及设备运行水平指标、 等效利用小时数等运营指标评估各个车间单晶炉施工质量、设备选型、运营管理情况，为设计、设备选型、运维，最终为提升产能和资产价值提供依据，为实现企业的生产管理优化提供支持。

2.4 报表功能

系统会根据用户的需求按照固定模版自动生成统计报表。 报表界面友好，格式固定、统一，支持日、月、季、年和自定义时间段统计方式，支持对单个单晶炉、系统内所有单晶炉和自定义地理区域单晶炉统计方式，支持Excel、PDF格式导出和常规打印。支持采用不同来源的数据生成报表，可根据需要在报表参数设置栏上选择过滤出所需内容而导出自定义报表。 用户可根据报表调出历史数据、故障数据，将需要的数据绘制成曲线等进行处理[6]，以邮件形式报送至相关业务人员， 取代项目前期人工数据统计录入、邮件报送业务。 主要包含报表的自动生成与报送，见表1。

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

2.5 集中生产管理功能

集中生产管理系统主要包括设备管理、物资管理、综合管理等模块功能。同时可进行工作依据、操作依据的管理，提高日常消缺和故障处理的效率，整体提高单晶炉的运营管理水平。

2.6 移动APP 发布

移动终端软件可支持安卓及IOS 两种版本， 软件能实时查询各单晶炉的数据情况， 并根据每日运作情况作出相应的推送。 移动终端软件也是集运行、检修、管理和展示等多种功能角色为一体的软件， 具备灵活的人员权限管理。 移动终端软件发挥其便携性，增强运维人员现场工作时的指导，方便获取如下信息，如故障定位、设备逻辑位置、故障原因、操作步骤等。移动APP 在便捷性、时效性上提供了巨大的支持。

图6 移动APP 界面图Fig.6 Mobile APP interface diagram

3 结论

本文主要基于MES 系统构建覆盖底层设备、 过程控制、质量控制等无缝一体化的信息系统，实现全面系统集成与数据融合，最终实现车间集中监控，将生产过程数据从经验分析转向实时全量数据决策，从成本驱动转向用户价值和知识驱动， 将生产制造模式转变成“预测性制造”，为光伏行业核心产品实现全生命周期网络协同制造及全产业链智能制造打下坚实基础。