汇川技术在硅片切割线设备中电气解决方案参考资料

1、1 页脚内容页眉内容汇川技术在硅片切割线设备中电气解决方案（提供：深圳市汇川技术股份有限公司，应用领域：金属制品）作者：肖尚辉V1.00 关键词： 硅片切割、排线自动补偿、精确卷径计算、 R 角补偿 摘要： 本文介绍了汇川技术变频器、PLC 、伺服与 HMI 全系列产品在切割线设备上的成功 应用，通过精确卷径计算控制排线伺服换向位置实现自动补偿， 避免工字轮两变凸起涨轮和 凹陷滑丝而夹丝，实现工字轮整个收线过程平整收线。前言随着全球能源的短缺， 可再生的清洁能源成为各国发展的方向。 太阳能光伏做为可再生的清 洁能源受到越来越多人青睐。近年来国内市场对太阳能能源的需求大幅增加，太阳能光伏电池 原

2、材料硅片切割的单晶硅切割钢丝的需求量相应增加，带来线切割设备的需求大增。硅片供应商生产硅锭或者硅块， 将硅原料切合处理成硅片， 最终销售给光伏电池制造商 用于制造电池。 硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键环节， 该工艺用于处理单晶硅 或者多晶硅的固体硅锭。 线锯首先把硅锭切成方块， 然后切成很薄的硅片， 这些硅片就是制 造光伏电池的基板。硅片是晶体硅光伏电池技术中最昂贵的部分， 降低这部分的制造成本对于提高太阳能对 传统能源的竞争里至关重要。因此对切割用的钢丝抗拉强度、表面光洁度、尺寸精度、单根 长度等都提出了很高的要求，并朝着细小高强度方向发展。硅片切割工艺介绍 光伏切片发展史第一台实

3、用的光伏切片机台诞生于 1980 年代， 它源于瑞士 HCT 切片系统创办人 Charles Hauser博士，这些机台使用切割线配以研磨浆来完成切割动作。今天主流的用于硅 锭和硅片切割的机台基本结构仍然源于 Charles Hauser 博士最初的机台， 不过在处理载荷和 切割速度上已经有了显著的提高。硅片生产过程现代线锯的核心是在研磨浆配合下用于完成切割动作的超细高强度切割线。最多可达1000 条切割线相互平行的缠绕在导线轮上形成一个水平的切割线“网” 。马达驱动导线轮使 整个切割线网以每秒 5 到 25 米的速度移动。硅块被固定于切割台上，切割台垂通过运动的 切割线切割网，使硅块被切割成

4、硅片。 切割原理看似非常简单， 但是实际操作过程中有很多 挑战。 线锯必须精确平衡和控制切割线直径、切割速度和总的切割面积， 从而在硅片不破碎的情况下， 取得一致的硅片厚度，并缩短切割时间，减少硅料消耗。对于以硅片为基底的光 伏电池来说，晶体硅（ c-Si ）原料和切割成本在电池总成本中占据了最多的部分。光伏电池 生产商可以通过在切片过程中节约硅原料来降低成本。 降低截口损失可以达到这个效果， 截 口损失主要与切割线直径有关， 是切割过程本身所产生的原料损失。 切割线直径普遍使用的 140100 “降低切割线直径还可以在同样的硅块长度下切割出更多的硅片，提升机台产量。让硅片变得更薄同样可以减少

5、硅原料消耗。目前普遍厚度在180-220卩m范围内。硅片厚度也是影响生产力的一个因素， 因为它关系到每个硅块所生产出的硅片数量。 超 薄的硅片给线锯技术提出了额外的挑战， 因为其生产过程要困难得多。 除了硅片的机械脆性 以外，如果线锯工艺没有精密控制，细微的裂纹和弯曲都会产品不良率产生负面影响。光伏领域， 线锯技术的进步缩小硅片厚度并降低切割过程中材料损耗，从而减少太阳能电力硅材料消耗量。 （每瓦使用更少克数的硅材料）目前，原材料几乎占了晶体硅太阳能电 池成本的三分之一，因此线锯技术对于降低太阳能每瓦成本并最终促使其达到电网平价起到 了至关重要的作用。最新最先进的线锯技术提高了生产力并通过更薄

6、的硅片减少了硅材料的页眉内容消耗。硅片切割对切割线拉拔工艺要求 根据后道硅片切割严格的工艺要求， 以及晶体硅昂贵的价格， 因此2 页脚内容对切割线的生产有着很高 的要求，主要有：1） 单根丝要足够长，至少要 50 万米以上，中间不能有接头否则就变为废品处理。 切割线相互平行的缠绕在导线轮上形成一个水平的切割线“网” ，确保一次加工出多片 硅片，如果长度不够将无法绕成“网” 。2） 线外径尺寸一致准确，表面光洁无毛刺发生 无论硅片的厚薄， 晶体硅光伏电池制造商都对硅片的质量提出了极高的要求。 硅片不能 有表面损伤（细微裂纹、线锯印记） ，形貌缺陷（弯曲、凹凸、厚薄不均）要最小化，对额外后端处理如

7、抛光等的要求也要降到最低，切割线直径尺寸一致，表面光洁度好， 对拉丝模具精度高，同时张力要平稳，运行后不能加减速。3）缠绕在导线轮时放丝不出现夹线断线 所谓夹丝是指后绕的丝压人或滑入之前绕的丝内，造成无法逐层放线，而形成断线。出 现夹线就会造成无法放出足够长度的线，整盘线报废，所以对工字轮两变的排线要求很 高，收线过程中时刻保持表面和两侧平整不出现凹陷和凸起现象。否则就必然夹丝，收 线整个过程要求系统能自动检测收线表面凹凸，调整排线换向位置，不需要人为参与。 因此对电气控制提出了很高要求。4） 整根线有足够的抗拉强度，减少切割过程断丝的风险 为了提高生产力，更高的切割速度和更大的荷载将会加大切

8、割线的拉力，增加切割线断 裂的风险。由于同一硅块上所有硅片是同时被切割的，只要有一条切割线断裂，所有部 分切割的硅片都不得不丢弃。然而，使用更粗更牢固的切割丝也并不可取，这会减少每 次切割所生产的硅片数量，并增加硅原料的消耗量，因此对线要求较小的直径下有足够 抗拉强度。这主要是对材料和拉拔工艺有严格要求。切割线设备对电气控制要求1） 张力平稳，启停冲击小，运行中减少断丝的风险；2） 排线实现自动补偿，减少夹丝涨轮等情况发生；汇川线切割机控制方案（如图1-1）电气控制柜 原材料在一个大的工字轮上采用气缸抱闸控制放卷张力，进入主机后经过多道拉拔出 来成品线， 经过过线轮由摆杆检测张力进入排线导论再

9、绕到收线工字轮上。 拉丝主机控制整 个拉丝的速度， 变频器只起到调速作用， 但低频带载能力要强。 收卷由主机的运行频率做为 主速度，同时根据摆杆检测到的信号做反馈经内部 PID 计算后得到 PID 输出频率，最后的 输出频率为主速度加 PID 。排线控制是关键，除了精密排线外还要对两边线凹凸进行控制,如下图所示（图 1-2）工字轮收线图 A 为工字轮空盘两边机械加工的需要有R 角，这也是提高机械强度需要，同时工字轮两侧与中心线不垂直， 这是由机械加工或工字轮使用后涨轮造成， 而且这种倾斜角度大小是 不可预知的，因此仅靠开始对边的位置排线换向运行行下去必然带来如图B 两边凸起或凹陷的情况， 凸起

10、的丝就会出现松丝滑落， 凹陷后拉的丝就会滑入凹槽内， 这就是造成夹丝放 线断丝的原因，最后造成整盘丝报废。排线自动补偿的实现 排线上电先回原点，确保排线位置准确一致，新盘上去后要对两边位置对边，当前排线位置由伺服电机编码器反馈信号到PLC，排线开始前要选择工字轮类型进行R 角的补偿，页眉内容PLC 过线轮检测到的材料线速度和收线轮检测到的收线角速度计算出当前实时卷径值，卷 径计算精度要控制在 0.5mm 以内，结合排线位置即可得到收线工字轮卷径的高低误差，经PI 运算后调整下一个周期排线换向位置控制两边排线凹凸，总调整量为两 R 角补偿量与自 动补偿量总和，实现平整排线，如图 C 补偿后的效果。为了实现精确排线要适当加大排线 伺服刚性和速度前馈量，减少随动误差。采用汇川系