2007 年10 月,江蘇中能硅業一期1500 噸多晶硅生產線正式投產。霍尼韋爾過程控制部憑借強大的DCS品牌和豐富的多晶硅行業項目經驗,為其提供了從硬件到軟件,從
設計到服務的交鑰匙工程,幫助中能硅業完美地掌控了現代化的多晶硅生產流程。
大力開發和利用可再生能源,已成為當今世界的一大新興產業和必然趨勢。據專家預測,2030年左右太陽能光伏電價將與常規電價相當,光伏發電將占到總發電量的20%以上,屆時全球將形成3000億美元的光伏產業市場。作為太陽能電池的主要原料,目前單晶硅、多晶硅等硅材料占光伏電池成本的70%,占光伏組件的56.2%,占光伏系統的30%以上。當前,隨著太陽能光伏產品行業在全球的迅猛發展,單晶硅、多晶硅棒、片材料稀缺成為世界性的問題。
為了緩解這一矛盾,提升中國光伏硅材料產量,2006 年3 月,致力于太陽能光伏事業的江蘇中能落戶徐州經濟開發區,2007 年10 月,一期1500 噸生產線正式投產。2008年產量達到2,000噸,為國內之冠,占中國總產量的近五成。隨著三期項目的投產,截至2008年11月11日,徐州江蘇中能硅業科技發展有限公司的萬噸多晶硅第一條生產線已進入調試階段,預計2009年3月,亞州首條年產165,000噸的生產線將全部投產,屆時,江蘇中能硅業將成為中國第一,世界領先的單晶硅、多晶硅棒、片材料的生產基地,中國將成為亞州最大的多晶硅生產國,因而該項目為振興民族工業和加速中國光伏產業的發展,具有十分重要的意義。
基于前期對控制技術先進性、產品質量、保護投資、工程服務、人員培訓和行業業績等多方面的考察結果,中能硅業最終選擇了世界級控制系統品牌廠商--霍尼韋爾過程控制部來提供一期項目的DCS系統"交鑰匙"工程,其中硬件部分包括所有DCS控制系統所需要的國外及國內產品,軟件部分包括根據設計資料所完成的滿足生產工藝要求的完整多晶硅控制軟件包,服務部分主要包括硬件設計、采購及運輸,軟件工程中的設計資料接收到審核、系統組態以形成數據庫及軟件包、進行由用戶參與的出廠驗收測試、現場驗收測試、試車支持及調試、開車保運等全部工程設計及服務。
多晶硅生產的流程控制特點
多晶硅生產過程是一個典型的連續流程工業,具有高溫高壓、有毒易燃等惡劣生產環境特點。此外,過程的安全性、環保節能、工藝人員的熟悉程度都是在該多晶硅生產項目中用戶關注的要點。
多晶硅生產一般大致經歷氫氣制備與凈化、氯硅烷分離提純、三氯氫硅氫還原、還原尾氣干法分離、四氯化硅氫化、硅芯制備和產品整理等過程。其中的主要生產設備通常處于高溫(還原爐溫度超過1000℃)、高壓(包括高的系統電壓和高的內部壓力)狀態,同時生產過程中的原材料三氯氫硅和氫氣屬于易燃易爆的危險品,泄漏會對環境造成污染,因此任何情況引發的停車將會給生產帶來不可彌補的損失,造成產品的報廢,設備損壞甚至引發重大的人身安全事故和環境破壞。作為中央核心控制系統的DCS就必須具有高度的可靠性和穩定性。多晶硅系統通常結構復雜,現場的儀表數量龐大,控制器需要能夠實時的處理海量的現場信號數據和控制指令,提供大量的控制功能,適合各種過程自動化的需要。I/O掃描、常規控制、邏輯控制,以至更先進的控制功能。控制功能包括復雜的常規控制方案、連鎖邏輯功能和面向過程工程師的高級控制語言。
隨著工業自動化過程控制理論和計算機技術的迅猛發展,工業自動化過程控制系統在系統的可靠性、功能的完善性、系統的可維護性、人機界面的友好性等各個方面都能夠滿足愈來愈高的工藝要求, 同時也為工業自動化過程控制系統的發展指明了方向。多晶硅生產對DCS系統的具體要求主要還包括:
·系統必須具有高度的可靠性和穩定性:
·擁有高速度,大容量的控制器:
·集中的,友好的人機界面:
·開放的結構,可以同管理級進行通訊:
·數據的可分析可管理性:
多晶硅工藝的集散控制
針對用戶生產控制要求,霍尼韋爾提供了一套在多晶硅生產應用中最為成熟的全廠一體化TPS控制平臺,其中包括全廠主控室、工程師兼操作員站GUS 14臺、輔助機柜28面、打印機8臺、P+F安全柵44000個,以及大量的定制性工程組態與編程服務。

中能一期TPS控制系統結構
TPS系統結構可以看成是一個分散模件的組合系統,通過靈活的通訊系統連接在一起,在完整的軟件系統控制下進行操作。從運行情況來看,作為基于Windows 2000系統開發的自動化系統,TPS完全勝任現場的過程控制,批量控制和控制策略優化。在由工廠信息網絡(PIN)、局域控制網(LCN)、萬能控制網(UCN)構成的TPS三層安全工業網絡架構上,系統的高性能過程管理站(HPM)和數據服務器、操作站等模件無縫集成,不但實現了穩定可靠的數據采集與狀態監控,更為將來的先進控制和管理層優化,以及最終實現管控一體化打下了很好的基礎。
安全可靠的控制優勢
霍尼韋爾TPS系統的安全可靠性、系統維護簡便性是中能硅業的現場工程師感觸最深的地方之一。作為TPS系統的高性能過程控制站,HPM是其中的關鍵控制硬件。HPM具有許多安全特點,保證系統最大程度運行。無論是設計還是系統的總體結構,HPM都具有極高的容錯性。在通信介質的冗余方面,如I/O鏈路和UCN,都是標準特性。HPMM冗余可選,提供了1:1的熱備份,在故障時可自動切換。HLAI、STI和AO也可選擇冗余,這些增加了關鍵控制回路的安全性。
中能硅業儀表工程師周一民說:"本項目中,在進行設計時就特別考慮了冗余選擇,因此完全支持主模件到備份模件的自動切換,不需要用戶編程,1:1的冗余最大限度發揮了系統的可得到性,而且簡化了系統的電纜連接和組態。系統電源冗余,確保電源系統的可得到性。"
HPM采用了大量的自診斷功能,隨時診斷運行狀況和任何故障。故障又分為硬故障和軟故障,HPM的狀態不但在面板上有LED顯示,又在GUS上的標準狀態顯示畫面中可以看到。HPM的任何電路板均可帶電插拔,大大方便維修。更換AO或DO時,手操器可維持輸出。總而言之,HPM具有及其優秀的安全和可靠的控制性能。
在系統故障考慮方面,TPS系統的設計已采用了空前的步驟防止故障和錯誤的產生,但不可避免地還會發生一些。但TPS系統盡量采用下列技術來最小化故障影響:
·如果可能,修復故障。每個模件的存貯器具有故障檢測及修復(EDAC)特性。
·通過再次操作方式,使系統的模件從故障狀態恢復。如果產生一個可能被恢復的故障,通過軟盤、歷史模件的硬盤在LCN網上傳遞正確信息。
·如果故障不能被糾正、修復,只會對最佳可更換單元(ORU)產生有限的影響。如果對ORU影響較大則盡可能降低對模件或設備的影響。一個ORU常常是一個電路板或一個外圍設備,如一個軟盤驅動器。TPS系統的結構就是分布式的。如果一個模件有冗余的備件,當它出現故障時,會切換到備用模件上。即使沒有冗余,系統運行能力及功能也不會受影響。如果這個單元是LCN上的一個模件且沒有冗余的備件,也不會損害系統功能,只丟失一些能力。
·將故障記錄在系統故障日記中供系統維護日記使用。
·在維護提示畫面產生維護建議并進入系統維護日記。
·如果不能從故障中恢復,在安全狀態下停止操作
·設置系統報警。如果操作員懷疑某個模件產生故障,可停止操作它。
簡化系統維護
TPS系統減少維護時間的關鍵是具有容易隔離和拆換的更換件,并把損壞件返回到霍尼韋爾進行修理。這些更換件就是最佳可更換單元(ORUs),它們在查找、隔離并解決故障所花費的時間和費用之間提供最佳的折衷方案。TPS系統的控制室設備的ORU已經被最小對象化。這是通過使用遍及LCN的共性的板子來達到的。控制室設備的ORU包括8種模板類型,即2種電源模件和6種設備以及與之相連的電纜(軟盤驅動器、打印機、趨勢筆、圖形拷貝、顯示器和硬盤等)。LCN上每個模件的三種板子類型為:LCN接口、存貯器和處理器。UCN及UCN上連接的設備也同樣有ORU概念。
系統維護的另一方面在于保護用戶投資。TPS系統是在TDC-3000系統基礎上發展起來的,但是在TPS系統中,新、老系統的模件可以共存在一起各自成為系統的一部分,US和UxS的畫面還可以通過顯示轉換器轉換到GUS上。前后的兼容性不但大大方便了用戶,更保護了其前期投資。
在系統平穩運行一年多之后,中能硅業的工程師們認為,"目前來看,采用TPS給我們幫助最大的地方在于,保證可靠性,同時軟硬件設計合理,操作便捷,維護方便,節約操作時間,解放了操作員。"