CN110421731A - 一种金刚线断线在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个金刚线断线在线检测系统，系统包括电流拾取单元、信号采集单元、运算处理单元、信号输出单元。针对金刚线作为电介质的特点，通过附加电源激励的方式产生电流，又因不同工作状态下通过金刚线的电流值差异巨大、波动明显，从而对金刚线处于何种工作状态做出准确判断。针对不同量程的电流值，将电流拾取单元分为霍尔电流传感器和单电源放大器两路拾取电路。运算处理单元采用高时钟频率的嵌入式芯片，嵌入预设的运算程序实现高速的状态采集及断线在线识别的运算。信号输出单元则在运算处理部分判定金刚线断线后，及时的输出报警和停机信号。各个部分各司其职，相互配合。

Description

一种金刚线断线在线检测系统

技术领域

本发明涉及硅片切割技术领域，特别是涉及一种用于太阳能电池组件生产过程中的金刚线切片机设备上的断线检测装置。

背景技术

在太阳能电池组件的生产过程中，将原材料单晶硅进行切片是必不可少的一步。目前切片作业主要使用多线切割机，其工艺方法主要有游离磨料线锯切割方式和固结磨料切割方式两种。游离磨料切割是将磨浆中的磨粒通过一定速度的细钢丝线带入切割区域，达到切割工料的目的；固结磨料切割方式是利用电镀和树脂粘结等方法将金刚石磨粒附着在切割线上制成金刚石线，金刚石线通过导轮的牵引高速往复运动形成切割作用。由于游离磨料切割中用到的砂浆主要成分是碳化硅和悬浮液，该耗材是高污染高耗能的材料，会对环境造成较大的污染，故用金刚石线切割的固结磨料切割在硅片切割这一行业逐渐走向统治地位。

在用金刚石线切割硅片的切割过程中，由于摩擦力不平衡、切割线张力不均匀及硅片进给速度和切割线走线速度控制不协调等的影响，会出现切割线断线的问题，一旦断线则需要切片机及时报警停机，否则，轻则导致硅棒浪费，重则造成切割线网抽空，严重影响生产效率。

现有技术中检测断线报警的装置主要是设置切割线网带有低压电，断线后的切割线头会随着线辊电机的继续工作而甩动，一旦与设置在一旁的接地的报警杆碰到，就会导致短路报警。但这种断线检测装置并不准确，金刚线的断线后，线头可能会缠绕到主辊上，接触不到报警杆；此外，在金刚石线切割硅片的切割过程中，金刚石线高速往复运动，产生高温高热，现场通过向其喷洒冷却水来进行降温，在这种含水切割环境中，上述报警方式会出现整体电导通的情况，使接地报警杆失效，无法准确的进行断线检测，造成设备停机甚至事故发生。

发明内容

本发明的目的是：准确地对金刚线的断线情况进行检测，并及时对切割系统提供报警停机信号。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种金刚线断线在线检测系统，其特征在于，包括电流拾取单元、信号采集单元、运算处理单元及信号输出单元，其中：

在被测金刚线卷的两端外加直流电源激励，使得被测金刚线卷感生电流，电流拾取单元用于对此电流进行拾取，电流拾取单元具有N个测量支路，N≥2，N个测量支路具有N个互不重叠的测量范围，N个共同构成了电流拾取单元的总测量范围，电流拾取单元先利用测量范围较小的测量支路拾取被测金刚线卷的实时电流，若金刚线的实时电流值否超出当前测量支路的测量范围，则由运算处理单元将电流拾取单元的当前测量支路切换至测量范围更大的测量支路，利用切换后的测量支路拾取被测金刚线卷的实时电流；

信号采集单元，用于采集电流拾取单元拾取的模拟信号，将模拟信号放大并转换为数字信号后发送给运算处理单元；

运算处理单元内预设有正常工作时被测金刚线卷的电流值一以及断线时刻被测金刚线卷的电流值二，将接收自信号采集单元的实时数据与电流值一及电流值二相比较，若实时数据不大于电流值一，则被测金刚线卷的状态为正常工作状态，若实时数据大于电流值一且小于电流值二，则被测金刚线卷的状态为中间工作状态，若实时数据不小于电流值二，则被测金刚线卷的状态为断线状态；

信号输出单元，用于输出被测金刚线卷的状态。

优选地，所述电流值一及所述电流值二通过以下方法得到：

收集并统计某一统计时间长度内切片机处于不同工作状态下通过金刚线圈的电流值数据，将统计时间长度分为时间长度相等的时间段，将每个时间段内采集的数据绘制成纵坐标为电流值的大小、横坐标为时间节点的趋势图，通过趋势图分析金刚线在断线前后的电流值变化，即获得每个时间段切片机正常工作时的通过金刚线卷的电流值、每个时间段断线前M分钟通过金刚线卷的电流值、每个时间段金刚线卷断线时的电流值的统计值，利用每个时间段的统计值统计获得所述电流值一及所述电流值二。

优选地，所述信号输出单元根据所述被测金刚线卷的状态来确定是否输出报警停机信号。

优选地，所述电流拾取单元具有2个测量支路，分别定义为测量支路一及测量支路二，测量支路一的测量范围小于测量支路二的测量范围，测量支路一采用单电源放大器，测量支路二采用霍尔电流传感器

本发明提供的测试系统克服了现有技术的不足，通过金刚线断线时的电流值与正常工作时的电流值差异巨大、波动明显，通过实时对通过金刚线的电流值的采集，能够对金刚线是否处于断线状态做出准确判断。

附图说明

图1为金刚线断线在线检测系统模块示意图；

图2为金刚线断线在线检测系统结构示意图；

图3为某次实验通过金刚线的电流值数据示意图；

图4为某次实验通过金刚线的电流值变化趋势图；

图5为连续7天实验金刚线的电流变化柱形图；

图6为金刚线断线在线检测系统运算处理部分算法流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本实施例公开的一种金刚线断线在线检测系统包括电流拾取单元、信号采集单元、运算处理(MCU)单元、信号输出单元。运算处理部分采用高时钟频率的嵌入式芯片，嵌入预设的运算程序实现高速的状态采集及断线在线识别的运算。信号输出单元则在运算处理部分判定金刚线断线后，及时的输出报警和停机信号。各个部分各司其职，相互配合。由于信号采集单元涉及大量电流数据，故通过一个人机界面(HMI)实时反映电流随时间变化的趋势图，并通过优盘对数据行保存。

电流拾取单元是由单通道模拟开关、霍尔电流传感器、单电源精密仪表放大器及多个精密电阻构成的电流拾取电路。对于长达几十米甚至上百米的金刚线卷，其电阻值在50兆欧以上，在线卷两端外加5V的直流电源激励，产生的是uA级别的微弱电流，电流拾取单元对此微弱电流进行拾取。电流拾取单元输入的两端分别连接到被测金刚线卷的一端和通地机壳端，输出端作为信号采集电路的输入端。电流拾取单元将电流送进高精度的传感和信号调理器件进行放大及抗干扰处理，最后将电流信号的转化成更易处理的电压信号。

电流拾取电路分为霍尔电流传感器和单电源精密仪表放大器两路，并通过模拟开关将放大器电路检测范围做进一步细分，输入的两端分别连接到被测金刚线卷的一端和通地机壳端，输出端作为信号采集电路的输入端。电流拾取电路通过继电器选择一条支路进行电流拾取。电源精密仪表放大器测量范围为10uA-10mA，霍尔电流传感器的测量范围为10mA-400mA。由于在不同切割状态下，加之金刚线卷切割时切削液等的影响，通过金刚线卷的实时电流值不同，电流拾取单元先通过单电源精密仪表所在电路拾取电流，经信号采集单元处理后传递给运算处理单元，运算处理单元判断通过金刚线的实时电流值是否超出电源精密仪表放大器支路的测量范围，若超出，运算处理(MCU)单元立刻输出控制信号改变拾取电路中继电器的状态，关闭电源精密仪表放大器支路，打开霍尔电流传感器支路从而扩大测量范围。

信号采集单元为由多个双运算放大器、AD转换器及多个精密电阻和电容构成的信号采集电路。通过金刚线卷的电流信号经电流拾取电路后转换成电压信号，首先对信号低通滤波去干扰，再将信号传递给高速AD转换器进行转换。信号采集电路采用高速AD转换器，将与金刚线断线状态相关的信号实时采集送入32位处理器，采样精度14位，采样速度大于100kHz。

MCU的内部算法涉及切片机在不同工作状态下通过金刚线的电流值数据。故需要通过实验采集数据并对实验数据进行分析。

根据图2装置进行实验，并采集切片机在2018年12月13日至2018年12月19日连续7天工作状态下通过金刚线的电流值数据。下面以某次断线前后的实验数据采集为例进行说明：

选择该天切片机的一次断线情况进行分析，从05:41:09机器Start(开始)工作到07:22:48发生Wire breakage(断线)，最后在07:22:50机器Stop(停止)这段时间内，切片机的工作状态如表1所示。

表1切片机12月13号的部分时段工作状态表

金刚线断线检测系统与HMI通讯连接，通过通讯线将信号采集单元采集的数据实时传输到HMI上的优盘里，并借助软件easyPro打开，与上表对应的时间段内，通过金刚线的电流值数据如图3所示。

由于采用采样周期为0.1秒的周期式采样方法，故采集的数据量庞大，不能一一列出，将采集的数据绘制成纵坐标为电流值的大小，横坐标为时间节点的趋势图，如图4所示。

从图4中可以看出，在切片机连续工作的这几个小时里，在断线之前金刚线的电流值变化平稳，在60uA左右波动，但波动范围不大，也可侧面反映出在断线前金刚线基本处于稳定运行状态。同时，可以看出，在07:22:48的断线时刻，金刚线的电流值立刻发生突变，此时通过金刚线的电流值在1800uA以上。

查询切片机工作状态表得出，2018年12月13日至2018年12月19日期间，切片机断线报警次数如下表所示。

表2切片机断线次数统计表

结合上表，对通过金刚线的电流值数据按照上述方法进行整合分析，将每天切片机正常工作时的金刚线的电流值、每天断线前1分钟及断线时的电流值进行求平均值，整理成更加形象直观的柱形图，如图5所示。

通过以上大量的数据分析，结合图5可以得出结论：正常工作下，通过金刚线的电流值基本稳定在60uA左右；断线时刻，通过金刚线的电流值在1600uA以上。

运算处理单元：将信号采集单元得到的数据进行分析处理，通过数据分析辅助电流拾取单元准确拾取电流，通过数据处理得到的实时金刚线电流值与预设断线电流值的比较结果来判断金刚线是否断线。运算处理单元采用基于ARM-Cortex-M3核心的STM32-F103ZET6为主控芯片，该芯片为32位处理内核，64K的SRAM，512K的FLASH存储器，时钟最高频率为72MHz，实现高速的状态采集及断线在线识别的运算。据上述结论，将正常工作和断线时刻金刚线的电流值预设在MCU之中，MCU将信号采集单元采集到的实时电流值与预设电流值进行比较，根据比较结果来判断金刚线是否处于断线状态。MCU算法流程示意图如图6所示。

信号输出单元主要是根据运算处理单元的判断结果来确定是否输出报警停机信号，使系统及时的停止工作，主要由继电器、蜂鸣器组成。

此外，从图5中可以发现，断线前1分钟的金刚线的电流值比正常工作时的金刚线大但又比断线时刻的电流值小，称之为处于正常状态和断线状态之间的中间状态，若能排除系统绝缘不好等外界干扰因素，这套金刚线断线在线检测装置则有可能通过对这一中间状态的识别达到预判的效果。

Claims (4)

1.一种金刚线断线在线检测系统，其特征在于，包括电流拾取单元、信号采集单元、运算处理单元及信号输出单元，其中：

在被测金刚线卷的两端外加直流电源激励，使得被测金刚线卷感生电流，电流拾取单元用于对此电流进行拾取，电流拾取单元具有N个测量支路，N≥2，N个测量支路具有N个互不重叠的测量范围，N个共同构成了电流拾取单元的总测量范围，电流拾取单元先利用测量范围较小的测量支路拾取被测金刚线卷的实时电流，若金刚线的实时电流值否超出当前测量支路的测量范围，则由运算处理单元将电流拾取单元的当前测量支路切换至测量范围更大的测量支路，利用切换后的测量支路拾取被测金刚线卷的实时电流；

信号采集单元，用于采集电流拾取单元拾取的模拟信号，将模拟信号放大并转换为数字信号后发送给运算处理单元；

运算处理单元内预设有正常工作时被测金刚线卷的电流值一以及断线时刻被测金刚线卷的电流值二，将接收自信号采集单元的实时数据与电流值一及电流值二相比较，若实时数据不大于电流值一，则被测金刚线卷的状态为正常工作状态，若实时数据大于电流值一且小于电流值二，则被测金刚线卷的状态为中间工作状态，若实时数据不小于电流值二，则被测金刚线卷的状态为断线状态；

信号输出单元，用于输出被测金刚线卷的状态。

2.如权利要求1所述的一种金刚线断线在线检测系统，其特征在于，所述电流值一及所述电流值二通过以下方法得到：

收集并统计某一统计时间长度内切片机处于不同工作状态下通过金刚线圈的电流值数据，将统计时间长度分为时间长度相等的时间段，将每个时间段内采集的数据绘制成纵坐标为电流值的大小、横坐标为时间节点的趋势图，通过趋势图分析金刚线在断线前后的电流值变化，即获得每个时间段切片机正常工作时的通过金刚线卷的电流值、每个时间段断线前M分钟通过金刚线卷的电流值、每个时间段金刚线卷断线时的电流值的统计值，利用每个时间段的统计值统计获得所述电流值一及所述电流值二。

3.如权利要求1所述的一种金刚线断线在线检测系统，其特征在于，所述信号输出单元根据所述被测金刚线卷的状态来确定是否输出报警停机信号。

4.如权利要求1所述的一种金刚线断线在线检测系统，其特征在于，所述电流拾取单元具有2个测量支路，分别定义为测量支路一及测量支路二，测量支路一的测量范围小于测量支路二的测量范围，测量支路一采用单电源放大器，测量支路二采用霍尔电流传感器。