La automatización flexible de los hornos monocristalinos aumenta la competitividad

Para el crecimiento de semiconductores monocristalinos, la empresa china Jingsheng Mechanical & Electrical utilizaba originalmente un proceso y un sistema de control de temperatura independientes. Pero el cambio a la tecnología de control basada en PC de Beckhoff no solo le ha permitido ahorrar costes, sino que también ha simplificado la implementación gracias a su escalabilidad. Como valor añadido para el cliente, el software TwinCAT permite proteger la propiedad intelectual.

Con sede en la provincia de Zhejiang, Jingsheng Mechanical & Electrical Co. (JSG) es un proveedor líder mundial de equipos de alta gama para las industrias de semiconductores y fotovoltaica. Con muchos años de experiencia en desarrollo, JSG es un proveedor consolidado de tecnología de crecimiento de cristales para equipos fotovoltaicos. Para automatizar sus hornos monocristalinos, JSG utilizaba anteriormente un PLC convencional y un sistema de control de temperatura. Sin embargo, el control de temperatura tenía una funcionalidad limitada y, en combinación con el PLC, se había vuelto demasiado poco flexible. Por ello, JSG adoptó una plataforma de control Beckhoff compuesta por un PC embebido, el software de automatización TwinCAT y varios terminales EtherCAT para conectar de forma sencilla y flexible los dispositivos de campo a través del sistema Ethernet industrial EtherCAT. La plataforma de control integrada sustituye a dos dispositivos separados y, según JSG, ofrece mucha más flexibilidad para adaptarse a las necesidades individuales.

El crecimiento de monocristales solo es posible en condiciones específicas. Tras fundirse el silicio en el horno, se sumerge en la masa fundida un cristal semilla monocristalino adherido a una varilla metálica, con lo que se inicia el proceso de cristalización. Mientras se mantiene la masa fundida a una determinada temperatura, se hace girar la varilla lentamente y se tira de ella hacia arriba de forma que el material pueda depositarse, hasta que la columna de cristal, conocida como lingote, alcanza su diámetro final. La ventaja de un semiconductor monocristalino, que se corta en obleas y se utiliza en módulos solares, es su alta eficiencia gracias a la orientación uniforme de los cristales.

El requisito previo es un control secuencial preciso y un control estable del proceso durante periodos de tiempo prolongados de entre varios días y medio mes. En este proceso, el control de la temperatura es esencial, ya que las variaciones de temperatura pueden provocar el crecimiento de material policristalino y, en consecuencia, defectos estructurales en la matriz del cristal. Para el funcionamiento continuo del horno, el sistema de control debe ser capaz de procesar grandes cantidades de datos. Sin embargo, esto no supone ningún problema para los PC embebidos de Beckhoff. Los controladores industriales para riel DIN también resisten bien las condiciones ambientales adversas. Aunque JSG empezó con un PC embebido CX1030, ahora utiliza como controlador central de la máquina un CX9020 o un CX8080, según los requisitos del proyecto. La empresa se beneficia del rendimiento escalable de los controladores, siempre disponibles con nuevas generaciones de CPU, al poder optimizar continuamente su producción y reducir costes, lo que aumenta la competitividad.

Aunque JSG utiliza principalmente el software de control TwinCAT 2, el cambio a TwinCAT 3 es sencillo en caso de que se necesiten funciones ampliadas. Para migrar un proyecto de control, basta con ampliarlo y actualizarlo, sin necesidad de grandes cambios en el código. Además, TwinCAT admite una amplia gama de protocolos de comunicación, lo que permite la comunicación entre el sistema de control principal y subsistemas como los de calentamiento y generación de campos magnéticos. La transmisión y el intercambio de datos sin fisuras crean sinergias y mejoran la eficacia general del sistema. Wang, especialista senior de JSG, afirma lo siguiente sobre la plataforma de software Beckhoff: “El software TwinCAT está maduro y probado en la práctica, y su programación flexible facilita el procesamiento de todo tipo de datos. Además, la arquitectura de control basada en PC facilita la conexión del controlador a un sistema MES para intercambiar datos entre los sistemas de producción y el nivel corporativo”.

Para la comunicación en tiempo real a través de EtherCAT, JSG puede elegir entre la amplia gama de terminales EtherCAT disponibles. Wang explica: "Los módulos de E/S distribuidos EtherCAT aportan una gran comodidad a la ejecución de proyectos, con una flexibilidad topológica ilimitada y una enorme variedad de opciones de configuración. Así, podemos seleccionarlos en función de las necesidades y los requisitos de coste de los distintos proyectos. Los productos EtherCAT de Beckhoff son fáciles de usar, compatibles y aptos para sustituir productos esclavos de distintos fabricantes sin que ello afecte al rendimiento y la estabilidad generales, al tiempo que garantizan la coherencia de los productos EtherCAT. Dado que EtherCAT permite prescindir de switches y otros dispositivos activos, se reducen los costes de adquisición y mantenimiento de equipos de hardware, además de simplificarse el cableado y la puesta en marcha del sistema».

Uno de los componentes esenciales del control de hornos monocristalinos es el control de la temperatura, y los clientes necesitan mantener esta parte de su propiedad intelectual en la máxima confidencialidad. Una ventaja del software de automatización modular TwinCAT es que los usuarios pueden separar fácilmente todo el programa de control en conjuntos de subtareas en función de su prioridad, y asignar a distintos usuarios la gestión independiente de estas. El intercambio de datos entre los distintos programas de subtareas puede realizarse mediante la asignación de variables. Durante la tiempo de ejecución, TwinCAT va llamando las distintas tareas. El diseño modular hace que el desarrollo y el mantenimiento del software sean más flexibles y eficientes. Además, JSG adopta el procesamiento de tareas multi-PLC para encapsular el algoritmo central del proceso en un único programa PLC. Para proteger la seguridad del programa del algoritmo central, JSG guarda el programa como código binario que no se puede descompilar. El despliegue es muy cómodo, ya que el programa completo puede descargarse simplemente copiando estos archivos de código binario en el controlador de destino.

En 2023, una delegación de Jingsheng Mechanical & Electrical visitó la sede central de Beckhoff Automation en Verl, donde fueron recibidos calurosamente (de izquierda a derecha): Chao He (director de ventas de área para China, Beckhoff Alemania), Changsheng Hua (director de ciencia de datos e ingeniería, Beckhoff China), Xingkai Ma (director general de Beckhoff China), Hans Beckhoff (propietario gerente de Beckhoff), Jianwei Cao (presidente de Jingsheng), Jin Tu (presidente adjunto, Jingsheng) y Kai Ristau (jefe de ventas internacionales, Beckhoff Alemania). Foto: Beckhoff.

En relación con las últimas innovaciones tecnológicas de la empresa, Wang afirma: “JSG ha lanzado su quinta generación de hornos monocristalinos basados en una arquitectura de plataforma abierta. Su mayor ventaja radica en la transición desde un modelo tradicional de sistema de control cerrado hacia la configuración con control basado en software con una arquitectura abierta. La plataforma permite la creación automática de configuraciones TwinCAT XAE mediante programación en lenguaje de alto nivel, basada en la interfaz de automatización TwinCAT. Gracias a esta interfaz, los clientes finales pueden convertir valiosos conocimientos sobre sus propios procesos de fabricación en módulos de software. Esto aumenta enormemente la capacidad de los usuarios finales para desarrollar procesos personalizados y proteger sus innovaciones con el fin de mejorar su competitividad”.