曹福強(qiáng) 趙 輝 馬永東

（山東合盛銅業(yè)有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

電解銅箔是一種重要的工業(yè)材料，主要用于覆銅板、電路板、鋰離子電池的制造[1]。雖然當(dāng)前社會(huì)已經(jīng)全面邁向信息時(shí)代，但電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遠(yuǎn)未至盡頭，而若要進(jìn)一步提升電子信息類(lèi)產(chǎn)品的性能，電解銅箔是不可或缺的材料?；诖?，電解銅箔被視為電子產(chǎn)品信號(hào)與電力傳輸?shù)摹吧窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)”。在保證電解銅箔的生產(chǎn)效率、探究自動(dòng)化集成生產(chǎn)工藝及優(yōu)化應(yīng)用方式等方面具有重要意義。

1 電解銅箔工藝簡(jiǎn)析

1.1 電解銅箔生產(chǎn)工藝流程

總體而言，電解銅箔的生產(chǎn)工藝并不復(fù)雜，環(huán)節(jié)數(shù)量較為有限，主要包括溶（銅）液生箔、表面處理、產(chǎn)品分切3道工序。總體來(lái)說(shuō)，將原材料（主要是金屬銅）經(jīng)高溫加熱，待其熔化為液體后放入模具，之后對(duì)生箔的毛面進(jìn)行耐熱層鈍化處理，最終切分成下游用戶(hù)需求的尺寸大小即可[2]。盡管看似簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)過(guò)程涵蓋了電子、機(jī)械、電化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，且對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的環(huán)節(jié)提出了極高的要求。

電解銅箔的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示：①造（銅）液，即使用硫酸和銅料，在高溫的作用下，2種物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；經(jīng)過(guò)多道過(guò)濾工序處理后，將原料及溶液中的雜質(zhì)降低至一定范圍，生成標(biāo)準(zhǔn)的硫酸銅溶液，之后將專(zhuān)用的電解泵打入硫酸銅電解液儲(chǔ)槽中。②電解作業(yè)，即生成電解銅箔的環(huán)節(jié)。一般情況下，該生產(chǎn)環(huán)節(jié)須借助專(zhuān)業(yè)的電解機(jī)完成，即溶液在電解作用下，生成生箔。具體過(guò)程及工藝原理如下。常規(guī)電解機(jī)一般包括陰極輥筒、陽(yáng)極半圓形鉛鋅板及電解槽等主要部件。通電的類(lèi)型為直流電。在通電作用下，電解機(jī)內(nèi)的硫酸銅電解液中存在的正二價(jià)銅離子會(huì)向陰極輥筒界面處移動(dòng)，在還原反應(yīng)的過(guò)程中，生成銅原子，并在處于不斷轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下、十分光滑的電解機(jī)陰極輥筒表面聚焦成結(jié)晶。③表面處理。上文提到的“表面鈍化處理”是電解銅箔表面處理的一個(gè)環(huán)節(jié)，除此之外，還包括粗化處理、光面處理。具體的處理流程如下。經(jīng)過(guò)電解處理后生成的生箔表面（毛面）上存在很多“小型凸起點(diǎn)”，導(dǎo)致生箔表面的光滑程度嚴(yán)重不足?；诖?，必須進(jìn)行粗化處理。主要通過(guò)在生箔表面“鍍銅”，之后進(jìn)行電鍍，使其固化，并在小凸點(diǎn)上再鍍一層銅，完成封閉。在完成粗化處理后，應(yīng)在粗化層上再鍍一層很薄的金屬，建立鈍化層。在該基礎(chǔ)上，在鈍化層上噴射有機(jī)物，形成耦合層，即為光面處理。完成上述處理后，還需進(jìn)行最后的收尾工作，即針對(duì)S面進(jìn)行處理，在光面上鍍一種或多種金屬物、含鉻化合物，全面提高光面的耐熱變色性、焊料濕潤(rùn)性、防銹蝕性。表面處理工序的具體處理過(guò)程如圖2所示。

圖1 電解銅箔制造流程圖

圖2 電解銅箔表面處理流程圖

1.2 電解銅箔產(chǎn)品未來(lái)發(fā)展方向

目前，我國(guó)多家公司已經(jīng)能夠?qū)?μm～12μm且能夠承載多種特殊要求的銅箔進(jìn)行批量生產(chǎn)，但與世界最先進(jìn)水平之間尚存在一定的差距。結(jié)合電子信息產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展及市場(chǎng)的需求，電解銅箔相關(guān)產(chǎn)品未來(lái)的發(fā)展方向：①電解銅箔必須不斷提高延展性，降低輪廓性。②應(yīng)注重開(kāi)發(fā)環(huán)保型涂樹(shù)脂銅箔。③進(jìn)一步降低銅箔的厚度，應(yīng)以8μm批量化生產(chǎn)為常態(tài)，解決3μm制造的技術(shù)難點(diǎn)，并探索批量化生產(chǎn)的可行性方式。④全面提高電解生箔后的表面處理技術(shù)水平。⑤在陽(yáng)極涂層DSA得到廣泛推廣后，逐漸探索新的工藝。

2 電解銅箔工藝自動(dòng)化集成實(shí)現(xiàn)方式及優(yōu)化運(yùn)用簡(jiǎn)析

2.1 電解銅箔工藝自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

所謂自動(dòng)化集成控制，即是以某種產(chǎn)品的生產(chǎn)線作為主要運(yùn)行對(duì)象，對(duì)所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面梳理后，通過(guò)編制計(jì)算機(jī)程序控制算法，使每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都處于有條不紊的生產(chǎn)狀態(tài)，且在不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的銜接段，盡量降低等待時(shí)間，以達(dá)到全面提高生產(chǎn)效率的目的。除此之外，各環(huán)節(jié)的作業(yè)質(zhì)量也應(yīng)得到保證。如上文所述電解銅箔制作過(guò)程分為造液、電解、表面處理共3道大工序，在設(shè)計(jì)自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)是，需要以上述3道工序作為主框架。以此為基礎(chǔ)，將一些不可忽視的重要處理環(huán)節(jié)添加到3道工序的前后，從而使控制系統(tǒng)具備完善的控制邏輯。

造液過(guò)程需要的原材料包括硫酸、原銅、水。從理論上來(lái)看，將3種原料放入電解液制備池后，須加熱。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，原料會(huì)逐漸消耗。以原銅為例，電解液制備池中銅的濃度低至何種程度時(shí)，集成自動(dòng)控制系統(tǒng)需要向其中加入原銅，需要技術(shù)人員經(jīng)過(guò)精確測(cè)算后，以“臨界定值”的方式，編制在控制程序中，如此一來(lái)，便可保證電解液制備池中原銅的濃度在生產(chǎn)全過(guò)程均能維持在“可正常作業(yè)”的范圍之內(nèi)。例如（為方便說(shuō)明，此處所述的數(shù)據(jù)只具備象征意義，未經(jīng)過(guò)實(shí)際論證，因此不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值）某電解液制備池中，原銅的濃度在40%以上（設(shè)定其他原料永遠(yuǎn)處于充足狀態(tài)），則在“銅濃度控制”模塊中，應(yīng)以“40%”作為“危險(xiǎn)臨界值”，將“50%”作為執(zhí)行臨界值。所謂“危險(xiǎn)臨界值”，是指原銅的濃度一旦低于40%，則會(huì)因濃度較低而導(dǎo)致電解液質(zhì)量下降，會(huì)影響后續(xù)生箔（毛箔）的生成質(zhì)量。為了避免出現(xiàn)該現(xiàn)象，自動(dòng)化控制系統(tǒng)不可在原銅濃度真正降低至40%時(shí)才執(zhí)行“繼續(xù)加入原銅”的指令，而是應(yīng)該在原銅濃度降至50%時(shí)，便執(zhí)行上述指令。此間的注意事項(xiàng)：“加入原銅”指令的操作過(guò)程需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，因此，從自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)判定電解液制備池中原銅濃度已降低至50%開(kāi)始，到新原銅開(kāi)始添加的時(shí)間段內(nèi)，電解液制備池內(nèi)的原銅濃度是否會(huì)從50%降低至40%。如果不考慮此點(diǎn)，則系統(tǒng)即使成功判定“原銅濃度低”并切實(shí)執(zhí)行了“添加原銅”的指令，也會(huì)在事實(shí)上導(dǎo)致后續(xù)部分生箔質(zhì)量下降。類(lèi)似于電解液的制備，其他環(huán)節(jié)的自動(dòng)化集成控制思路大同小異，須明確“重點(diǎn)監(jiān)控項(xiàng)”、“相應(yīng)定值”、“觸發(fā)某種先決條件后，相應(yīng)的控制子模塊應(yīng)該執(zhí)行何種指令”，以此為基礎(chǔ)，完成電解銅箔工藝自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)的控制程序設(shè)計(jì)。

2.2 控制電解銅箔生產(chǎn)線自動(dòng)化運(yùn)行的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式

電解銅箔生產(chǎn)線自動(dòng)化運(yùn)行的控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)總控端測(cè)控系統(tǒng)為核心，需要對(duì)生產(chǎn)線的所有環(huán)節(jié)進(jìn)行集中管理。安徽銅冠銅箔有限公司及河南靈寶華鑫銅箔有限責(zé)任公司使用的自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)均為基于三層拓?fù)涞姆植际娇刂企w系。具體而言：第一，最上層是監(jiān)督控制層，即計(jì)算機(jī)總控端所在地，負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行情況進(jìn)行全方位監(jiān)控。第二層，是以多臺(tái)計(jì)算機(jī)為主，配置測(cè)控軟件而構(gòu)成的監(jiān)視層，主要用于監(jiān)督下方設(shè)備是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。第三層，是常規(guī)監(jiān)測(cè)及執(zhí)行層，由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，并以S7-300PLC西門(mén)子設(shè)備作為控制核心[3]，主要作用是與設(shè)置在生產(chǎn)線各處、具備相應(yīng)功能的執(zhí)行模塊相連，實(shí)時(shí)反饋設(shè)備運(yùn)行情況，并傳遞參數(shù)信息。當(dāng)具體負(fù)責(zé)的計(jì)算機(jī)收到某個(gè)參數(shù)觸發(fā)控制程序中的某個(gè)條件時(shí)，便會(huì)向?qū)?yīng)的執(zhí)行模塊下達(dá)指令，可進(jìn)行原料的添加及檢驗(yàn)，保證生產(chǎn)線安全、高效率的運(yùn)行。

2.3 用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式

在正常情況下，生箔、表面處理等子系統(tǒng)應(yīng)按部就班地作業(yè)，完成對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)的任務(wù)。但生產(chǎn)線并不是永動(dòng)機(jī)，機(jī)組設(shè)備中的零部件隨著使用時(shí)間的累積會(huì)出現(xiàn)磨損，且控制系統(tǒng)（包括子系統(tǒng)）內(nèi)預(yù)先設(shè)置的控制程序有可能因多種原因此轉(zhuǎn)變成亂碼，或是定值發(fā)生各種形式的偏差，導(dǎo)致自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)看似按部就班地運(yùn)轉(zhuǎn)，但實(shí)則已經(jīng)出現(xiàn)較大的問(wèn)題?；诖?，需要在生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)之上，額外設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)督測(cè)試的系統(tǒng)。在自動(dòng)化校準(zhǔn)核驗(yàn)領(lǐng)域內(nèi)，“整定值”與“動(dòng)作時(shí)間”是決定校核是否準(zhǔn)確的2項(xiàng)關(guān)鍵因素。以此為基礎(chǔ)，可通過(guò)判定靈敏性來(lái)確定生產(chǎn)線機(jī)組設(shè)備的“反應(yīng)速度（可視為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度）”是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。例如上文提到的電解液制備池內(nèi)原銅濃度危險(xiǎn)臨界值為40%、“加料”指令執(zhí)行臨界值為50%。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員反復(fù)計(jì)算，“準(zhǔn)備加料”到“料確實(shí)加入”的過(guò)程耗時(shí)（假定每次加料的量是固定的）記為X。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，X時(shí)間內(nèi)，電解液制備池內(nèi)原銅濃度不會(huì)從50%降低至40%?；诖?，“動(dòng)作時(shí)間”的界定標(biāo)準(zhǔn)同樣可以設(shè)置為X。但X的時(shí)間范圍可能是“最理想情況下”的用時(shí)，實(shí)際作業(yè)期間的耗時(shí)可能超過(guò)該數(shù)值。因此，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，在Y（Y的具體值大于X）時(shí)間內(nèi)完成加料操作，同樣能夠保證電解液制備池內(nèi)原銅濃度達(dá)標(biāo)。而Y便可被視為“整定值”。在理想動(dòng)作時(shí)間、整定值都已確定的情況下，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)圍繞加料的實(shí)際時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若符合X≤實(shí)際用時(shí)≤Y，則表明執(zhí)行子系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，若實(shí)際用時(shí)大于Y（理論上不可能＜X），則表明設(shè)備運(yùn)行已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題，必須及時(shí)查找原因。具體流程如圖3所示。

圖3 用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制流程示意圖

2.4 電解銅箔工藝自動(dòng)化集成的硬件組態(tài)梳理

構(gòu)成電解銅箔自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)的硬件如下。上位機(jī)3臺(tái)，Profibus-DP主站6個(gè)、Profibus-DP從站若干。Profibus-DP主站和從站基于總線完成連接，進(jìn)而形成完整的生產(chǎn)過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)。具體而言：6個(gè)Profibus-DP主站劃分方式為“2-2-1-1”模式，即用于生箔的Profibus-DP主站共計(jì)2個(gè)，包括電解液制備（包括電解液供液系統(tǒng)）及生箔生產(chǎn)；用于表面處理（如上文所述，包括粗化處理、鈍化處理、光面處理3個(gè)環(huán)節(jié)）的Profibus-DP主站數(shù)量同樣為2個(gè)。剩余的2個(gè)分別對(duì)應(yīng)冷卻循水系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)。需要指出的事，上述“2-2-1-1”分布的Profibus-DP主站及各自對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)處于“平級(jí)”狀態(tài)，相互之間的邏輯指令關(guān)系屬于平級(jí)，只能由上級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及調(diào)用相關(guān)指令，彼此之間無(wú)調(diào)用與被調(diào)用的權(quán)限設(shè)定。除此之外，變頻器的功能設(shè)定基于USS協(xié)議，與各個(gè)主站進(jìn)行通信，并在最短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。為保證變頻器具備較高的可靠性和精準(zhǔn)輸送信息的能力，且能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)到的異常信息進(jìn)行快速響應(yīng)，需搭載CP340功能模塊，進(jìn)而形成一個(gè)保護(hù)功能相對(duì)完整、信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)傳遞的控制網(wǎng)絡(luò)。

2.5 電解銅箔工藝自動(dòng)化集成的軟件構(gòu)成及組態(tài)分析

2.5.1 基于PLC可編程邏輯控制器的下位機(jī)控制子系統(tǒng)程序編制思路梳理

程序控制具體思路如上文所述，須設(shè)置定值，并圍繞定值相關(guān)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)。為達(dá)到上述目的而使用的軟件及組態(tài)情況如下：第一，借助SIM ATIC S7-300自帶的配套編程工具——STEP7[4]，在硬件組態(tài)邏輯控制層級(jí)設(shè)定完成的情況下，設(shè)置多項(xiàng)初始定值。第二，在電解銅箔生產(chǎn)線機(jī)組設(shè)備各處設(shè)置PLC可編程邏輯控制器，目的在于通過(guò)功能程序調(diào)用的方式，在有需求時(shí)直接調(diào)用PLC自帶的執(zhí)行功能，可大幅度減少程序編制工作量。例如增加原銅的控制程序出現(xiàn)“bug”，在電解液制備池的原銅濃度已經(jīng)下降至45%時(shí)，負(fù)責(zé)的子系統(tǒng)仍然沒(méi)有執(zhí)行“加料”的操作。此時(shí)的重要工作不是查找原因，而是立刻啟動(dòng)備用方案，即操作相鄰的設(shè)備完成加料，保證生產(chǎn)能夠持續(xù)進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)該過(guò)程的方法為，由計(jì)算機(jī)總控端向處于“備用”狀態(tài)的機(jī)組設(shè)備的PLC裝置下達(dá)“功能函數(shù)調(diào)用”指令，調(diào)用后迅速執(zhí)行程序功能，完成加料。

2.5.2 上位機(jī)人機(jī)UI交互界面中必須具備的功能簡(jiǎn)析

該控制系統(tǒng)的上位機(jī)人機(jī)UI交互界面使用的組態(tài)軟件為WINCC6.3驅(qū)動(dòng)程序，可借助以太網(wǎng)與多個(gè)PLC模塊完成數(shù)據(jù)互通，進(jìn)而形成完整的控制系統(tǒng)，保證生產(chǎn)線全程處于高效率的運(yùn)行狀態(tài)。基于PLC可編程邏輯控制模塊，每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“人機(jī)交互”界面均十分“人性化”，交互過(guò)程極其方便，可在短時(shí)間內(nèi)完成指令的發(fā)布，保證高效率、安全生產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

“自動(dòng)化”、“智能化”控制是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)線必須具備的特性，特別是以電解銅箔為代表的生產(chǎn)電子產(chǎn)品的必備元器件，如果不能保證高效率、精細(xì)化、批量化生產(chǎn)，則產(chǎn)能將會(huì)出現(xiàn)大問(wèn)題，會(huì)面臨外國(guó)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在技術(shù)及市場(chǎng)供應(yīng)層面“卡脖子”的困境?；诖耍鞔_電解銅箔自動(dòng)智能化集成控制生產(chǎn)線建設(shè)的重要意義，不斷探索高精生產(chǎn)線及控制方式的優(yōu)化方式，是事關(guān)國(guó)家未來(lái)發(fā)展的大事，必須予以重視。