文/貝加萊工業(yè)自動(dòng)化(中國)有限公司 王鵬飛 徐慶磊

　　青島高測科技股份有限公司 仲召進(jìn)

　　摘 要：多線切割機(jī)是光伏切割領(lǐng)域中的重要一環(huán)，采用貝加萊PLC和伺服控制系統(tǒng)，利用Powerlink總線的快速響應(yīng)，靈活實(shí)現(xiàn)各軸之間的位置和速度耦合關(guān)系，隨著設(shè)備高速化和細(xì)線化的趨勢，貝加萊專業(yè)的行業(yè)控制方案和專業(yè)的優(yōu)化工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸和線軸的優(yōu)化控制，減少金剛線張力抖動(dòng)，提高切割良率高，減少斷線率。

　　The Development and Application of B&R Controller for Multi-Wire Cutting Machine

　　Abstract: Multi-Wire Cutting machine is an important part of the photovoltaic cutting field, using B&R PLC and servo control system with Powerlink fast response, flexible position and speed coupling relationship of axes, B&R professional industry control solutions and professional optimization tools can help to achieve the accurary control of main and winder rollers, reduce the jitter of diamond wire, improve the cutting performance and reduce the wire-break rate with the trend of high speed and thin line.

　　Keywords: Multi-Wire Cutting machine B&R Drive S-Curve SLO

　　1引言

　　近年來，碳達(dá)峰、碳中和成為國內(nèi)國際公認(rèn)的重大發(fā)展戰(zhàn)略理念，新能源體系全面建立，伴隨我國集成電路和半導(dǎo)體技術(shù)的重大突破，單晶硅等半導(dǎo)體材料在光伏發(fā)電、大規(guī)模集成電路等電子產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，硅棒的切片加工是太其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，多線切割技術(shù)是硅片加工的創(chuàng)新性核心工藝和主流技術(shù)，多線切割機(jī)就是用于硅棒切片加工的專用機(jī)械設(shè)備，切片的質(zhì)量直接影響后續(xù)組件的質(zhì)量和發(fā)電效率。多線切割機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜，控制精度要求非常高，而且現(xiàn)在細(xì)線薄片化、低張力低抖動(dòng)、高轉(zhuǎn)速高效率成為多線切割機(jī)高速發(fā)展的需求，因此如何優(yōu)化控制系統(tǒng)從而進(jìn)一步提升切割效果、減少速度和張力波動(dòng)、降低斷線率等方向就成為當(dāng)前研究的主要課題。

　　貝加萊在多線切割機(jī)行業(yè)的位置和速度耦合控制、扭矩控制和張力控制等積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)多線切割機(jī)進(jìn)行程序開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用，成功調(diào)試完成并且進(jìn)行了性能優(yōu)化，在多個(gè)用戶現(xiàn)場大批量應(yīng)用。

　　2多線切割機(jī)結(jié)構(gòu)概述

　　如圖1所示，多線切割機(jī)的原理是通過多根金剛線在主輥表面凹槽內(nèi)纏繞若干圈，三個(gè)主輥之間形成了對(duì)硅棒進(jìn)行加工的切割面，表面凹槽則保證切割線始終保持等距平行來得到相同厚度的切片，主輥帶動(dòng)附著金剛石刃料的鋼線高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)硅棒粘在工作臺(tái)向下做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硅棒的切割。設(shè)備中金剛線的運(yùn)動(dòng)軌跡：切割線從放線輥出發(fā)，依次通過：排線輪、放線側(cè)張力擺桿、主輥、收線側(cè)張力擺桿、排線輪，最后回到收線輥，其中左右兩側(cè)繞線室包括收放線電機(jī)、排線電機(jī)、張力臂電機(jī)，切割室由三個(gè)主輥電機(jī)構(gòu)成，各電機(jī)帶動(dòng)各自機(jī)械裝置來完成切割線的控制，各機(jī)械結(jié)構(gòu)之間通過一系列導(dǎo)輪相連[1]。

　　圖1 多線切割機(jī)示意圖

　　多線切割機(jī)金剛線從放線輪到收線輪走線行程大，在這個(gè)過程中會(huì)有很多因素影響張力的穩(wěn)定， 如設(shè)備頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)加減速過程引起的張力波動(dòng)、電機(jī)之間的跟隨誤差、導(dǎo)輪自身慣量和安裝精度而引起的金剛線抖動(dòng)等，使系統(tǒng)控制更復(fù)雜，難度更大。

　　多線切割機(jī)的硬件架構(gòu)如圖2所示，設(shè)備有左右兩個(gè)電器柜，硬件配置對(duì)稱設(shè)計(jì)，左側(cè)電氣柜模塊依次是左電源、左主軸、第三軸、左線軸、左張力軸、左右排線，右側(cè)電氣柜模塊依次是右電源、右主軸、右線軸、右張力軸、進(jìn)給軸。觸摸屏是顯控于一體的工控機(jī)，通過Ethernet Powerlink接口與伺服驅(qū)動(dòng)器(ACOPOSMulti)連接。伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)于由應(yīng)用程序或事件觸發(fā)的響應(yīng)速度是非常重要的，貝加萊伺服驅(qū)動(dòng)器支持最快50us的循環(huán)周期，伺服之間的數(shù)據(jù)在通訊速率為100Mbps的Ethernet Powerlink網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，進(jìn)行高速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)必然會(huì)降到最低，會(huì)得到更好的平滑運(yùn)動(dòng)特性和定位精度，同時(shí)也能在不影響循環(huán)通信情況下處理非循環(huán)數(shù)據(jù)[2]。

　　圖2 多線切割機(jī)硬件拓?fù)鋱D

　　3多線切割機(jī)控制系統(tǒng)控制

　　多線切割機(jī)控制原理如圖3所示，左軸做為主軸，接受來自PLC生成的運(yùn)動(dòng)曲線，右軸和下軸扭矩跟隨左軸，三個(gè)電機(jī)扭矩保持同步，它的速度、加速度、往復(fù)運(yùn)動(dòng)距離以及換向時(shí)間等參數(shù)由實(shí)際切割工藝配方?jīng)Q定，是多線切割機(jī)中功率最大的電機(jī)，金剛線和硅棒直接作用在主軸上，直接參與切割，是設(shè)備受力最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，控制難度也是最大。

　　收放線電機(jī)根據(jù)設(shè)備線速度一致的理念，隨著收放線輥直徑不斷變化，其電機(jī)轉(zhuǎn)速也在不斷調(diào)整，因?yàn)榫€輥是金剛線的來源，所以保證線輥的速度和電流的平滑變化也是對(duì)金剛線的張力抖動(dòng)也至關(guān)重要。

　　張力電機(jī)以轉(zhuǎn)矩控制模式對(duì)金剛線施加張力，通過把金剛線切割張力轉(zhuǎn)換成電機(jī)的控制扭矩。當(dāng)主輥和收放線輪的線速度不一致或者張力發(fā)生突變時(shí)，兩者之間的金剛線線產(chǎn)生位移差，這時(shí)張力臂會(huì)產(chǎn)生來回?fù)u擺運(yùn)動(dòng)，通過收放線輪轉(zhuǎn)速補(bǔ)償最終迗到新的平衡，這樣才能緩沖切割過程中的張力波動(dòng)程度，高效高質(zhì)量地完成切割且保證不斷線。

　　排線電機(jī)通過電子凸輪與收放線電機(jī)保持位置同步，保證金剛線在線輥上有序排列，不發(fā)生壓線、斜拉等現(xiàn)象，防止金剛線在線輥上交叉重疊和相互纏繞而影響收放線甚至是造成斷線。

　　進(jìn)給電機(jī)就是根據(jù)切割配方，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)位置控制，作上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

　　圖3 多線切割機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

　　4主軸控制

　　三主軸電機(jī)利用扭矩同步方式拖動(dòng)三獨(dú)立主輥往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其頻繁換向、加減速;收放線軸完成金剛線的循環(huán)收放，并實(shí)時(shí)保持與左主輥的線速度同步;排線導(dǎo)輪精確跟蹤線軸位置同步，實(shí)現(xiàn)均勻整齊布線。其中主輥電機(jī)的轉(zhuǎn)速由PLC系統(tǒng)程序生成，下發(fā)給主軸，因此主軸速度曲線是多軸同步系統(tǒng)的本質(zhì)核心，所有軸的轉(zhuǎn)速都直接或間接的受其控制。

　　因此如何生成平滑的主軸速度曲線，特別是換向、加減速階段的過渡曲線至關(guān)重要，平穩(wěn)與高效的加減速過程，有利于減少三個(gè)主輥對(duì)設(shè)備的電流沖擊，能有效提升多軸系統(tǒng)的同步精度以及延長設(shè)備的使用壽命。

　　加減速過程常用S曲線，如圖4所示，加減速過程是6s，加加速時(shí)間是1s，圖中的上半部分是速度曲線，速度比較柔和;下半部分是加速度曲線，梯形形狀，屬于直線增減形式，但實(shí)際電機(jī)因其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度有限，難以及時(shí)精確跟蹤這一跳變，導(dǎo)致實(shí)際位置和設(shè)定位置產(chǎn)生了很大的偏差，伺服驅(qū)動(dòng)器為了削弱這個(gè)偏差，就會(huì)輸出更大電流去驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如果偏差波動(dòng)很大，電流波動(dòng)也會(huì)增大大，這樣導(dǎo)致張力擺桿劇烈擺動(dòng)，甚至出現(xiàn)斷線故障[3]。

　　圖4 普通S曲線的運(yùn)動(dòng)軌跡

　　在實(shí)際設(shè)備上空載運(yùn)行，切割速度40m/s，加減速過程是6s，加加速時(shí)間是1s，如圖5所示，加減速過程最大電流是45A，而且電流波形毛刺多，波動(dòng)大。

　　圖5 普通S曲線加減速電流

　　因此對(duì)于頻繁加減速的多線切割機(jī)系統(tǒng)，為解決梯形加速度突變、不連續(xù)引起的電流和張力波動(dòng)，本文采用優(yōu)化后的S曲線，其加減速度引入正弦過渡方式，同樣的參數(shù)下，曲線模擬運(yùn)行如圖6所示，加速度變化圓潤平滑。

　　圖6 優(yōu)化S曲線的運(yùn)動(dòng)軌跡

　　在實(shí)際設(shè)備上空載運(yùn)行，如圖7所示，加減速過程最大電流是38A，比S曲線優(yōu)化前減少7A，電流毛刺明顯減少，波動(dòng)小，優(yōu)化的S曲線效果還是非常明顯的。

　　圖7 優(yōu)化S曲線加減速電流

　　5 線軸控制

　　當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，放線輥的卷徑逐漸減小，相反收線輥的卷徑相應(yīng)遞增，收放線輥的慣量是變化的，即收放線輥通常具有較大的時(shí)變性，因此其同步控制精度、穩(wěn)定性、魯棒性及自適應(yīng)性要求非常高。目前線軸控制主要有兩種模式，一是電子齒輪位置跟隨主軸，主輥直徑和線軸直徑的主從關(guān)系，二是速度循環(huán)跟隨主軸，主軸速度轉(zhuǎn)換成線軸速度。

　　位置模式下，卷徑變化后，電子齒輪也需要快速響應(yīng)，同步進(jìn)行更新，相當(dāng)于位置發(fā)生了變化，那么位置的導(dǎo)數(shù)就是速度，速度也會(huì)有一個(gè)斜率突變，這樣從實(shí)際監(jiān)控就可以發(fā)現(xiàn)，線軸的電流上下波動(dòng)幅度較大，對(duì)金剛線的抖動(dòng)也會(huì)增大，那么線網(wǎng)張力也會(huì)隨之波動(dòng)，對(duì)切割效果和斷線率都是負(fù)面影響。

　　速度模式下，采用貝加萊MC_BR_MoveCyclicVelocityExt專用函數(shù)對(duì)線軸實(shí)時(shí)寫入速度，速度信號(hào)不需要經(jīng)過PLC，直接在伺服驅(qū)動(dòng)器之間進(jìn)行運(yùn)算交換，減少了由于PLC與伺服數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)而導(dǎo)致的速度寫入信號(hào)滯后問題，使速度控制更快速更準(zhǔn)確;而且該函數(shù)還有速度插補(bǔ)功能，即使寫入速度存在大的階梯，實(shí)際寫入的速度信號(hào)也會(huì)更平滑，因此我們實(shí)際采用了速度控制模式，實(shí)際運(yùn)行效果很好。

　　目前繞在線輥的金剛線距離越來越長，一般都是240Km起步，運(yùn)行時(shí)放線不斷減小，最后直至到0Km，線輥慣量變化也很大，為了讓驅(qū)動(dòng)器更好的適應(yīng)線輥慣量的變化，我們采用SLO(Servo Loop Optimizer)伺服優(yōu)化工具對(duì)線軸進(jìn)行整定，如圖8所示,線輥辨識(shí)得到的對(duì)數(shù)波特圖，根據(jù)相位和幅值，選擇相應(yīng)位置環(huán)、速度環(huán)增益參數(shù)，以及有多個(gè)濾波模式可選，NOTCH濾波、LOW_PASS濾波、BIQUAD濾波等，參數(shù)設(shè)定完成后，SLO還可以重新驗(yàn)證該參數(shù)對(duì)當(dāng)前模型是否匹配，保證參數(shù)的準(zhǔn)確性，使線軸控制的魯棒性和自適應(yīng)性更強(qiáng)[4]。

　　圖8 線軸參數(shù)SLO整定

　　6 總結(jié)

　　通過多用戶現(xiàn)場切割結(jié)果表明，優(yōu)化后的主軸和線軸控制方案能有效減少電流波動(dòng)，加減速過程跟隨誤差減小，張力波動(dòng)控制在±0.2N以內(nèi)，張力擺桿擺動(dòng)角度減小，角度控制在±0.5°以內(nèi)，從而滿足多線切割設(shè)備對(duì)張力恒定的高精度要求，同時(shí)斷線率也成下降趨勢，該方案目前已經(jīng)全面推廣。貝加萊控制系統(tǒng)擁有多個(gè)自動(dòng)化行業(yè)Know-How的專用函數(shù)庫和便捷優(yōu)化工具，而且都是是開放性系統(tǒng)，能在多個(gè)行業(yè)拿來即用，能展示其較高的工程效能。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 王夢(mèng)然. 多線切割機(jī)張力控制系統(tǒng)及研究:[浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文]. 浙江：浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2018

　　[2] 齊蓉, 肖維榮. 可編程控制器技術(shù). 電子工業(yè)出版社，2009

　　[3] 江麗. 多線切割機(jī)多軸系統(tǒng)的速度同步控制研究:[武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文]. 武漢：武漢理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2013

　　[4] 貝加萊(中國)技術(shù)團(tuán)隊(duì).貝加萊Automation Studio自動(dòng)化項(xiàng)目開發(fā)指南.機(jī)械工業(yè)出版社，2022

　　作者簡介

　　王鵬飛 男 (1980~) 碩士研究生 就職于貝加萊，光伏行業(yè)技術(shù)經(jīng)理

　　仲召進(jìn) 男 (1988~) 本科生 就職于青島高測，光伏電氣高級(jí)工程師

　　徐慶磊 男 (1977~) 本科生 就職于貝加萊，光伏行業(yè)負(fù)責(zé)人