數控多晶硅切斷機床

1 前言

　　隨著國家對節能減排的要求越來越嚴格，對清潔能源的需求量也越來越大，太陽能發電（光伏產業）正是清潔能源的代表。光伏產業因而得到迅猛發展，專家預測太陽能光伏產業在二十一世紀前半期將超過核電成為較重要的基礎能源之一。而光伏產業的主要原料便是多（單）晶硅。

　　市場對多晶硅的旺盛需求也帶動了太陽能設備制造行業，此行業用的設備如多晶爐，切斷機床，滾圓磨床，端面磨床，及開槽，切片，倒角等設備也處于供不應求的狀態。太陽能行業對設備的要求：設備生產效率高，穩定可靠，使用方便。

　　面對日益復雜的要求和相應產生的生產效率問題，本文基于臺達的DVP系列 PLC和HMI及伺服等自動化產品，成功開發實現了一套數控多晶硅切斷機床的控制系統。此控制系統控制核心部件全套用臺達產品，包括PLC，觸摸屏，變頻器，伺服，及臺達的開關電源。機器完整外形圖如圖1所示。

　

　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　 圖1 機器完整外形圖

　　2 工藝分析

　　多晶硅切斷機床為多晶硅生產出來后，用于將兩端頭去掉或用于多晶硅坯料的鋸段成指定長度產品的設備。

此設備的工藝過程分析如圖2所示：
　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　圖2 多晶硅切斷機床工藝過程分析框圖

　　先在工作臺上用專用夾具裝夾多晶硅坯料工件，然后調整好鋸帶張力，之后，啟動鋸帶（鋸帶的速度由變頻器控制），然后工作臺會根據設好的工藝參數進行送料，先工作臺帶動坯料快速靠近鋸帶，然后轉為慢速進行邊緣切割，速度慢，是由于多晶硅坯料表皮較硬，速度過快容易損壞鋸帶；切完表皮后，接著轉為勻速正常切割，此過程要求送料速度穩定，這樣，切出來的料表面平整度才好。切到較后，又轉為邊緣切割，直到把坯料切斷，切斷后，工作臺快速返回原來的工作原點，等待操作人員將成品拿下，換上新坯料。

　　對于客戶的工藝要求，我們在選型中，有三點要特別考慮：

　　動鋸帶的輪子直徑較大，設備負載屬于恒轉矩負載，切割時線速度較高，還要較快的停車速度，因此需要變頻器有較大的容量和制動能力；

　　作臺進給是由伺服電機帶動滾珠絲杠，切割時，為了保證光潔度，進給速度很慢，這就要求伺服低速穩定性能好。

客戶要求設備在參數設置后，能精確顯示此坯料的加工時間，并在工作中，實時顯示當前狀態和切割進度，還要求顯示鋸帶的實時轉速。

　　3 系統方案

　　3.1 電氣配置清單：

　　根據以上工藝要求，我們為客戶配置的系統硬件配置如下：

　　PLC: DVP40ES200T*1

　　人機界面： DOP-AE10THTD1

　　變頻器: VFD075B43A+制動電阻

　　開關電源：PMC-024V100W1AA

　　3.2 系統方案圖如下：

　　系統的控制框圖如圖3所示：

　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　圖3 系統的控制框圖

　　主控部分采用臺達較新推出的ES2 PLC，該系列PLC是臺達較新型小型PLC，具有2路100K脈沖頻率輸出功能，利用臺達運動控制指令控制臺達ASDA-AB伺服，配合伺服合適的電子齒輪比，可以達到很高的控制精度。另外， ES2 PLC具有3個獨立通訊口，COM1為RS232, COM2,COM3為RS485界面，鋸帶變頻器的頻率就是ES2 PLC 利用其COM2口通訊給的，并且將鋸帶變頻器當前的實時速度讀回來，顯示在屏上。

　　此外，此PLC還具有以下特點：

　　16k steps大程序容量、數據存儲器10k words

　　基本指令LD較快執行時間0.54μs

　　較大擴展IO點數—256點輸入+16點輸出 或 256點輸出+16點輸入

　　新增多種特殊運動指令—包括閉回路控制(DCLLM)、對標(Mark)、遮蔽(Mask)、立即變速度(DVSPO, DICF)(內含自動加減速)

　　較多可達8個單相(2個100kHz、6個10kHz)或4組AB相高速輸入

　　提供2點100kHz與2點10kHz高速輸出

　　具有3個獨立通訊口，COM1為RS232, COM2,COM3為RS485界面。具有變頻器便利指令：包括正反轉運行、停止等用于臺達變頻器。

　　顯示部分為10寸臺達觸摸屏AE10THTD1，此型號屏采用LED背光，畫面清晰亮麗，對比度高，并且能耗小，使用壽命長。

　　3.3 上位機畫面說明：

　　先在參數頁設置好相關行程參數，如行程次數，距離和速度，較低速度可達6um/sec。此處如圖4所示：

　　　　　 　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　 圖4 參數頁設置畫面

　　參數設置好手，將設備點動到合適位置，進入運行畫面（如下圖），設備就可正常工作了。此處如圖5所示：

　　　　　 　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 系統運行畫面

　　鋸帶選用的是臺達通過型矢量變頻器VFD-B系列460V，7.5KW機種，此款變頻器啟動力矩大，低速性能好，加配了制動電阻后（要將06-00參數設定為0），可快速停車，并能減少外部電網或負載回灌的能量對變頻器的沖擊。

　　送料機構均采用直線導軌加滾珠絲桿結構，由臺達B2系列1.5KW伺服電機驅動，臺達伺服具有PDFF控制構架，可在保證快速響應的同時，防止過沖，并且低速時速度平穩。

　　4 結束語

　　我公司開發的數控多晶硅切斷機床控制系統，整套方案提供了較為優異的控制性能及安全性，系統在提高準確控制的同時，也可提供校正及完善的報警自診斷功能。設備廠對我公司的開發能力十分滿意，覺得開發速度快，能貼近客戶需求，并且產品性價比優異，性能也穩定可靠，讓客戶放心。