金刚石线切割设备控制系统设计分析 本文关键词：金刚石，控制系统，线切割，分析，设备
金刚石线切割设备控制系统设计分析 本文简介：摘要：光伏产业硅片电池生产过程中，切割工艺设备至关重要，其决定了最终太阳能光伏发电的效率。本文以光伏硅片金刚石线切割设备研发项目为背景，以设备电气控制系统的设计、研究为内容，介绍了光伏硅片金刚石线切割设备的硬件选型、设计、软件系统的编制，并就设备电气专业的设计、调试进行分析、研究。关键词：光伏产业；
金刚石线切割设备控制系统设计分析 本文内容：
摘要：光伏产业硅片电池生产过程中，切割工艺设备至关重要，其决定了最终太阳能光伏发电的效率。本文以光伏硅片金刚石线切割设备研发项目为背景，以设备电气控制系统的设计、研究为内容，介绍了光伏硅片金刚石线切割设备的硬件选型、设计、软件系统的编制，并就设备电气专业的设计、调试进行分析、研究。
关键词：光伏产业；硅电池；金刚石线切割；设备；电气控制
光伏产业中，硅片电池的金刚石线切割工艺设备设计、制造精巧复杂，国内处于领域空白，而引进购买价格昂贵，这是影响电镀金刚石线切割工艺在国内硅片电池生产环节普及的一个重要原因。本文以项目“光伏金刚石线切割设备设计研发”为基础，参考国际上最先进的电镀金刚石光伏硅片线切割设备，研发设计出相应的设备，填补了国内对应工艺设备领域的空白，降低了生产高质量、高纯度单晶、多晶硅片电池的成本，提高了光伏电池的生产效率与产品质量。
1设备机构及工作原理概述
设备主要由6个机构系统组成：加工室、绕线室、切削液系统、水冷系统、电气柜、电机室，设备主要的运行功能为绕线室的收放线、加工室的工作台进给、硅片切割、冷却循环。电镀金刚石线切割设备的原理为：工件（硅棒）的下降与提升进给通过一个伺服电机驱动，当切割硅棒时，伺服电机驱动工件下降进给；对硅棒的切割主要靠2个布有1500~2000个电镀金刚石线槽的切割轮（盘），通过2个伺服电机对2个切割轮轴进行驱动，完成切割轴的定期正、反转锯式往复运动对工件进行切割；在绕线室中设置4个张力监测点，通过压力传感器检测切割线的张力，并通过2个张力辊在切割线运行过程中实时调节；2台伺服电机驱动收、放线轮作定期正、反转锯式往复运动，以完成收、放线功能；3台伺服电机驱动排线轮，完成在设备运行中切割线在收、放线过程中的轴向位移与方向的协调。
2设备电气系统结构设计
本项目以日本高鸟株式会社生产的光伏硅片金刚石线切割设备作为参考，结合国内企业的生产操作经验以及光伏硅片电池切割的工艺要求，在此基础上自主研发设计硬、软件系统，并进行制造、集成、调试工作，最终做出设备成品应用于企业生产。
2.1控制系统
系统总控制逻辑控制采用德国西门子PLCS7300型号PLC，完成设备的控制逻辑、与人机界面（HMI触摸屏）的控制与通讯，同时与2台MM440变频器通讯控制切削液系统运行，并控制冷却液系统（冷却泵及比例阀）完成对伺服电机轴承的冷却功能。
2.2运动控制及传动系统
光伏硅片切割属于精密制造工艺，由于硅片极薄极脆，且对硅片加工的厚度、尺寸、硅片表面质量要求极高，传动系统需采用伺服电机。本设备包含9个伺服电机以完成相应传动功能要求，采用专门的运动控制系统。对伺服电机驱动器进行配置、控制，并与逻辑控制系统进行数据通讯与交换（以下将分别简称2个控制系统为S7与SIMOTION系统）。运动控制系统采用西门子SIMOTION，是近年来西门子公司推出的一款专门针对复杂运动控制的系统，其特点是由1个系统来完成所有的运动控制任务，适用于具有较多且较复杂运动部件的机器设备。伺服传动系统主要由伺服驱动器与伺服电机组成，均采用德国西门子品牌，设备包含9个伺服电机：驱动切割轮主轴2个、驱动收放线轮轴2个、驱动工作台提升与压下1个、驱动排线轮2个、驱动张力调整轴摆动2个，伺服电气驱动器集成于SIMOTION系统中。
2.3电源、动力及传感器设备
设备电源、动力以及传感检测系统设备设计选型遵循方便国内企业生产运行维护、降低设备制造集成成本的宗旨。系统供电为工业400V、50Hz交流电，控制系统采用24V直流电，电气主要组件包括：进线总断路器、伺服驱动电机断路器、隔离变压器、UPS电源、滤波器、控制电源。动力系统主要包括：油雾分离设备组、切削液设备组、管道泵设备组、电气柜空调设备组、气动控制设备组。其中最主要的是切削液以及管道冷却泵设备组，分别完成机器切割工作中切削液的循环、搅拌回收，以及伺服电机轴冷却液的循环，气动系统控制主要是通过气动电磁阀完成对切削液的喷射以及工件（硅棒）的夹紧与释放。传感检测系统主要包括张力传感器、线弓检测传感器、液面检测传感器，张力传感器対切割过程中的金刚石线张力进行监测，将数据反馈给控制系统，从而形成闭环控制实现恒线张力运行；线弓传感器对切割轮上的金刚石线弓弯曲程度进行检测并将数据反馈给系统，从而实现断线预警功能；液面检测传感器检测切削液灌中的液面高度。
3控制系统设计研究
3.1PLC控制系统
（1）系统配置及组态。采用西门子S7300、400PLC的专用编程软件step7v5.5对系统进行硬件组态、网络配置及软件编程。（2）设备主工艺逻辑控制。根据制定主工艺流程以及其他工序配合的逻辑，设计设备自动运行设计流程思路，通过与项目中机械、工艺组交流，并参考企业进口的样机生产流程设计。（3）控制变频传动。2台切削液循环泵在工艺上有调速需求，在控制上采用PID调节，采取变频传动方式。选用西门子M440变频器作为主变频设备，西门子M440变频器用于中、小型电机变频调速，具有稳定性好、调试维护方便、调速性能优、适合与西门子PLC组态通讯等优点。（4）人机界面HMI。根据操作需求（15英寸触摸式操作屏），采用西门子MP377型号触摸屏（MP37715″Touch）硬件。在PLC内部进行组态，S7300、Simotion系统与触摸屏通过以太网进行通讯，并使用西门子Hmi编辑软件WinccFlexible2008对触摸屏通讯进行配置，以及对各操作画面进行绘制。（5）MCC设备组。设备MCC恒速电机传动组包括1台切削液搅拌电机、1台油污分离电机以及10台冷却泵，在硬件上，系统通过进线—空开（过载保护）—接触器完成对MCC传动的配电。PLC通过I/0（数字）完成与继电器线圈的通讯，完成对继电器线圈得/失电的控制，从而控制接触器闭合/断开，实现电机的启动恒速运行与停止传动动作。
3.2SIMOTION控制系统
SIMOTION控制系统由主控单元SIMOTIOND435运动控制器作为主站，其中内置1个驱动控制单元S120-CU320-2，最多可完成对6个伺服电机或6个矢量或12个V/F电机轴的控制。本项目中设计SIMOTIOND435完成对伺服传动系统的电机配置及运动控制程序的编译，内置S120_CU320_2驱动单元完成5个伺服电机驱动的运动控制——工件进给驱动（1个伺服电机传动）、张力轮调整（2个伺服电机传动）、收放线轮排线（2个伺服电机传动）。由于系统有9个伺服电机轴需要驱动，因此SIMOTION系统设计需要拓展驱动模块，增加1个S120-Sinamics-Integrated驱动模块，完成对余下4个伺服电机的驱动控制——左右主线轮（2个伺服电机传动）以及左右收放线轮（2个伺服电机传动）。
4结语
光伏硅片金刚石线切割设备在国内尚属急待开发的机电设备，本项目研发设计填补了该设备领域的空白，且取得专利。通过项目研发设备在企业长期运行的结果来看，绕线室排线轮的运行及控制可待进一步优化，将在后续的研发工作中进行更加深入的研究，以期达到更好的设备运行效果。此外，作为该项目的电气专业设计、调试总负责人参与该设备研发项目，积累了一定设备研发、设计经验，会将此经验应用于其他行业领域的机电设备研发工作中，为填补更多国内各行业机电自动化设备空白领域做出贡献。
作者：胡劲草 单位：中建三局绿色产业投资有限公司设计研究院
金刚石线切割设备控制系统设计分析 来源：网络整理
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