冉瑞應， 黑學蘭， 金 雪

（銀川隆基硅材料有限公司， 寧夏 銀川 750021）

0 引言

能源和環(huán)境問題， 是制約當今世界經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的兩個突出問題。 隨著全球范圍內(nèi)的能源緊缺和安全問題的日益突出，大力發(fā)展風電、光伏發(fā)電及充電樁等新能源業(yè)務， 已成為世界各國應對氣候變化的主要措施之一。 由于太陽能光伏發(fā)電具有可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，近年來迎來了新的發(fā)展機遇。

集中監(jiān)控系統(tǒng)的研究成為了各行各業(yè)的研究熱點，光伏行業(yè)也不例外。 實現(xiàn)單晶硅棒制造車間數(shù)據(jù)自主采集、信息化、少人化工廠，對硅片制造端作集中管理，達到質(zhì)量控制目的的同時，實現(xiàn)全面系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)融合，打破數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的跨工段垂直整合。

1 集控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

1.1 基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的車間運行分析與優(yōu)化

集控系統(tǒng)的制造數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出典型的“3V”特效，即規(guī)模性（Volume）、多樣性（Variety）和高速性（Velocity）。 基礎(chǔ)拉晶生產(chǎn)的特點在于其現(xiàn)場產(chǎn)生的數(shù)據(jù)種類多、 記錄的頻次高、數(shù)據(jù)量大，部分信息甚至有實時性要求，因此需要采用實時歷史庫或其他方式保證數(shù)據(jù)的吞吐穩(wěn)定。 項目使用實時數(shù)據(jù)庫進行大量詳細實時數(shù)據(jù)的存儲與管理，進行直接設(shè)備數(shù)據(jù)采集、外圍確認信息采集（如設(shè)備的點檢信息、現(xiàn)場異常的確認結(jié)果等），并對所有的實時數(shù)據(jù)進行初步的計算和處理，轉(zhuǎn)化成可供使用的數(shù)據(jù)。 單晶爐采數(shù)網(wǎng)絡拓撲圖如圖1 所示。

圖1 單晶爐采數(shù)網(wǎng)絡拓撲圖Fig.1 Single crystal furnace mining network topology

智能制造車間內(nèi)的基本思路首先是基于大數(shù)據(jù)思維，將設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、計劃執(zhí)行情況等運行參數(shù)，以及質(zhì)量等性能指標數(shù)據(jù)化，通過聚類、序列模式挖掘、關(guān)聯(lián)等算法分析這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系； 然后通過數(shù)據(jù)挖掘手段獲取產(chǎn)品合格率等車間性能在設(shè)備狀態(tài)、 運行過程等參數(shù)影響下的演化規(guī)律，建立性能預測模型；最后基于控制理論，從演化規(guī)律中找到關(guān)鍵參數(shù)進行定量控制，保證性能達到要求。

1.2 MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)及應用

現(xiàn)代企業(yè)基于綜合自動化系統(tǒng)， 通過信息融合實現(xiàn)企業(yè)信息化。 其中，在在企業(yè)生產(chǎn)管理方面，以企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、供應鏈管理（SCM）和客戶關(guān)系管理（CRM）為代表的管理信息系統(tǒng)得到廣泛應用， 在企業(yè)生產(chǎn)過程自動化控制方面，分散型控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、可編程控制器（PLC）等代表性自動化裝備及技術(shù)已廣為普及應用， 并極大地提高了生產(chǎn)過程控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量， 建立過程控制層與管理層之間的信息聯(lián)絡環(huán)節(jié)，構(gòu)建企業(yè)綜合自動化控制系統(tǒng)。 實現(xiàn)管控一體化。各層的作用如圖2 所示。

圖2 企業(yè)應用集成EAI 框架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Enterprise application integration EAI framework structure diagram

2 集控系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計

2.1 運行監(jiān)控功能

集中監(jiān)控系統(tǒng)具備對所有拉晶車間設(shè)備數(shù)據(jù)和狀態(tài)的監(jiān)視和控制功能，主要包括：運行安全監(jiān)視， 通過在各單體單晶爐端加設(shè)專用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備， 實現(xiàn)對爐內(nèi)氣流場、 溫度場、轉(zhuǎn)速、生長速度、環(huán)境監(jiān)測等信息以及保護測控、 功率預測等子系統(tǒng)的接入。通過生產(chǎn)模擬圖、趨勢圖和參數(shù)分類表等多種監(jiān)視方式實時顯示爐體內(nèi)各個數(shù)據(jù)的變化，起到監(jiān)控作用。公司的監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖3 所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of monitoring system

2.2 故障診斷功能

單晶爐設(shè)備數(shù)量龐大、類型不一、設(shè)備型號不同，因此需對各設(shè)備數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的編碼和處理， 進行故障報警。 其主要的業(yè)務流程如圖4 所示。

圖4 單晶車間故障業(yè)務流程分析圖Fig.4 Single crystal workshop failure business process analysis chart

（1）設(shè)備故障描述。 系統(tǒng)對設(shè)備上送集控中心的告警（故障）信息描述需與車間原有系統(tǒng)保持一致，清晰明確易理解。 同時需顯示故障發(fā)生的廠站，設(shè)備，類型。

（2）故障判斷。 系統(tǒng)實現(xiàn)故障自動判斷功能，當設(shè)備運行狀態(tài)產(chǎn)生突變或參數(shù)超越原來的設(shè)定值時， 系統(tǒng)可以記錄下設(shè)備發(fā)生的異常情況， 并且通過畫面閃爍或聲音報警，及時提醒當值運維人員。 告警方式包括畫面顏色提示，文字變色、閃爍、語音播報，并應通過APP 推送提醒相關(guān)生產(chǎn)人員的功能。

（3）報警級別設(shè)置。 報警處理包括事故信號和預告信號，集中監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)過程中，根據(jù)故障的類別和輕重緩急，或影響晶棒的拉制對故障進行分級處理，保證人員高效投入；同時出現(xiàn)不同等級的報警時，畫面上對應的電氣參數(shù)顯示不同的顏色并閃爍，便于運行人員直觀發(fā)現(xiàn)，并以告警窗口、音響等多種形式推送出來。

（4）輔助處理功能。 集中監(jiān)控系統(tǒng)軟件具備智能診斷的功能，把與特定故障相關(guān)的輔助信息提供給運維人員，包括故障的原因、位置信息（可鏈接到現(xiàn)場版2D/3D 物理環(huán)境圖上定位位置）、排查操作步驟，同類設(shè)備歷史故障信息等。

（5）故障知識庫。 系統(tǒng)實現(xiàn)故障知識庫功能，提供一個開放的信息平臺， 將單晶爐設(shè)備不同類別的故障和解決方案整理、歸類，方便運維人員和技術(shù)人員隨時查閱、進行經(jīng)驗分享，輔助運維人員正確判斷、快速處理故障，提高工作效率。

2.3 智能運維與大數(shù)據(jù)挖掘

系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析和高性能計算技術(shù)的結(jié)合，將采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，建立起統(tǒng)一的資源數(shù)據(jù)庫，對各種知識進行長期積累，形成集團知識庫[4]。 基于系統(tǒng)大數(shù)據(jù)庫，單晶爐運維分析主要從晶體轉(zhuǎn)速、坩堝轉(zhuǎn)速、氬氣流速以及設(shè)備運行水平指標等多方面出發(fā)對單個或多個單晶爐的運行數(shù)據(jù)進行多層次、多維度綜合對比分析，評估生產(chǎn)運行情況[5]，達到精細化管理目標。 通過對多個單晶爐晶體轉(zhuǎn)速、坩堝轉(zhuǎn)速、氬氣流速及設(shè)備運行水平指標、 等效利用小時數(shù)等運營指標評估各個車間單晶爐施工質(zhì)量、設(shè)備選型、運營管理情況，為設(shè)計、設(shè)備選型、運維，最終為提升產(chǎn)能和資產(chǎn)價值提供依據(jù)，為實現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)管理優(yōu)化提供支持。

2.4 報表功能

系統(tǒng)會根據(jù)用戶的需求按照固定模版自動生成統(tǒng)計報表。 報表界面友好，格式固定、統(tǒng)一，支持日、月、季、年和自定義時間段統(tǒng)計方式，支持對單個單晶爐、系統(tǒng)內(nèi)所有單晶爐和自定義地理區(qū)域單晶爐統(tǒng)計方式，支持Excel、PDF格式導出和常規(guī)打印。支持采用不同來源的數(shù)據(jù)生成報表，可根據(jù)需要在報表參數(shù)設(shè)置欄上選擇過濾出所需內(nèi)容而導出自定義報表。 用戶可根據(jù)報表調(diào)出歷史數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，將需要的數(shù)據(jù)繪制成曲線等進行處理[6]，以郵件形式報送至相關(guān)業(yè)務人員， 取代項目前期人工數(shù)據(jù)統(tǒng)計錄入、郵件報送業(yè)務。 主要包含報表的自動生成與報送，見表1。

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

2.5 集中生產(chǎn)管理功能

集中生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要包括設(shè)備管理、物資管理、綜合管理等模塊功能。同時可進行工作依據(jù)、操作依據(jù)的管理，提高日常消缺和故障處理的效率，整體提高單晶爐的運營管理水平。

2.6 移動APP 發(fā)布

移動終端軟件可支持安卓及IOS 兩種版本， 軟件能實時查詢各單晶爐的數(shù)據(jù)情況， 并根據(jù)每日運作情況作出相應的推送。 移動終端軟件也是集運行、檢修、管理和展示等多種功能角色為一體的軟件， 具備靈活的人員權(quán)限管理。 移動終端軟件發(fā)揮其便攜性，增強運維人員現(xiàn)場工作時的指導，方便獲取如下信息，如故障定位、設(shè)備邏輯位置、故障原因、操作步驟等。移動APP 在便捷性、時效性上提供了巨大的支持。

圖6 移動APP 界面圖Fig.6 Mobile APP interface diagram

3 結(jié)論

本文主要基于MES 系統(tǒng)構(gòu)建覆蓋底層設(shè)備、 過程控制、質(zhì)量控制等無縫一體化的信息系統(tǒng)，實現(xiàn)全面系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)融合，最終實現(xiàn)車間集中監(jiān)控，將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)從經(jīng)驗分析轉(zhuǎn)向?qū)崟r全量數(shù)據(jù)決策，從成本驅(qū)動轉(zhuǎn)向用戶價值和知識驅(qū)動， 將生產(chǎn)制造模式轉(zhuǎn)變成“預測性制造”，為光伏行業(yè)核心產(chǎn)品實現(xiàn)全生命周期網(wǎng)絡協(xié)同制造及全產(chǎn)業(yè)鏈智能制造打下堅實基礎(chǔ)。