電解銅箔工藝自動化集成及優化

曹福強 趙 輝 馬永東

（山東合盛銅業有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

電解銅箔是一種重要的工業材料，主要用于覆銅板、電路板、鋰離子電池的制造[1]。雖然當前社會已經全面邁向信息時代，但電子信息產業的發展遠未至盡頭，而若要進一步提升電子信息類產品的性能，電解銅箔是不可或缺的材料。基于此，電解銅箔被視為電子產品信號與電力傳輸的“神經網絡”。在保證電解銅箔的生產效率、探究自動化集成生產工藝及優化應用方式等方面具有重要意義。

1 電解銅箔工藝簡析

1.1 電解銅箔生產工藝流程

總體而言，電解銅箔的生產工藝并不復雜，環節數量較為有限，主要包括溶（銅）液生箔、表面處理、產品分切3道工序。總體來說，將原材料（主要是金屬銅）經高溫加熱，待其熔化為液體后放入模具，之后對生箔的毛面進行耐熱層鈍化處理，最終切分成下游用戶需求的尺寸大小即可[2]。盡管看似簡單，但生產過程涵蓋了電子、機械、電化學等多個領域，且對生產作業的環節提出了極高的要求。

電解銅箔的生產工藝流程如圖1所示：①造（銅）液，即使用硫酸和銅料，在高溫的作用下，2種物質之間發生化學反應；經過多道過濾工序處理后，將原料及溶液中的雜質降低至一定范圍，生成標準的硫酸銅溶液，之后將專用的電解泵打入硫酸銅電解液儲槽中。②電解作業，即生成電解銅箔的環節。一般情況下，該生產環節須借助專業的電解機完成，即溶液在電解作用下，生成生箔。具體過程及工藝原理如下。常規電解機一般包括陰極輥筒、陽極半圓形鉛鋅板及電解槽等主要部件。通電的類型為直流電。在通電作用下，電解機內的硫酸銅電解液中存在的正二價銅離子會向陰極輥筒界面處移動，在還原反應的過程中，生成銅原子，并在處于不斷轉動狀態下、十分光滑的電解機陰極輥筒表面聚焦成結晶。③表面處理。上文提到的“表面鈍化處理”是電解銅箔表面處理的一個環節，除此之外，還包括粗化處理、光面處理。具體的處理流程如下。經過電解處理后生成的生箔表面（毛面）上存在很多“小型凸起點”，導致生箔表面的光滑程度嚴重不足。基于此，必須進行粗化處理。主要通過在生箔表面“鍍銅”，之后進行電鍍，使其固化，并在小凸點上再鍍一層銅，完成封閉。在完成粗化處理后，應在粗化層上再鍍一層很薄的金屬，建立鈍化層。在該基礎上，在鈍化層上噴射有機物，形成耦合層，即為光面處理。完成上述處理后，還需進行最后的收尾工作，即針對S面進行處理，在光面上鍍一種或多種金屬物、含鉻化合物，全面提高光面的耐熱變色性、焊料濕潤性、防銹蝕性。表面處理工序的具體處理過程如圖2所示。

圖1 電解銅箔制造流程圖

圖2 電解銅箔表面處理流程圖

1.2 電解銅箔產品未來發展方向

目前，我國多家公司已經能夠對8μm～12μm且能夠承載多種特殊要求的銅箔進行批量生產，但與世界最先進水平之間尚存在一定的差距。結合電子信息產業未來發展及市場的需求，電解銅箔相關產品未來的發展方向：①電解銅箔必須不斷提高延展性，降低輪廓性。②應注重開發環保型涂樹脂銅箔。③進一步降低銅箔的厚度，應以8μm批量化生產為常態，解決3μm制造的技術難點，并探索批量化生產的可行性方式。④全面提高電解生箔后的表面處理技術水平。⑤在陽極涂層DSA得到廣泛推廣后，逐漸探索新的工藝。

2 電解銅箔工藝自動化集成實現方式及優化運用簡析

2.1 電解銅箔工藝自動化集成控制系統的設計思路

所謂自動化集成控制，即是以某種產品的生產線作為主要運行對象，對所有生產環節進行全面梳理后，通過編制計算機程序控制算法，使每個生產環節都處于有條不紊的生產狀態，且在不同生產環節的銜接段，盡量降低等待時間，以達到全面提高生產效率的目的。除此之外，各環節的作業質量也應得到保證。如上文所述電解銅箔制作過程分為造液、電解、表面處理共3道大工序，在設計自動化集成控制系統是，需要以上述3道工序作為主框架。以此為基礎，將一些不可忽視的重要處理環節添加到3道工序的前后，從而使控制系統具備完善的控制邏輯。

造液過程需要的原材料包括硫酸、原銅、水。從理論上來看，將3種原料放入電解液制備池后，須加熱。隨著化學反應的進行，原料會逐漸消耗。以原銅為例，電解液制備池中銅的濃度低至何種程度時，集成自動控制系統需要向其中加入原銅，需要技術人員經過精確測算后，以“臨界定值”的方式，編制在控制程序中，如此一來，便可保證電解液制備池中原銅的濃度在生產全過程均能維持在“可正常作業”的范圍之內。例如（為方便說明，此處所述的數據只具備象征意義，未經過實際論證，因此不具備實際應用價值）某電解液制備池中，原銅的濃度在40%以上（設定其他原料永遠處于充足狀態），則在“銅濃度控制”模塊中，應以“40%”作為“危險臨界值”，將“50%”作為執行臨界值。所謂“危險臨界值”，是指原銅的濃度一旦低于40%，則會因濃度較低而導致電解液質量下降，會影響后續生箔（毛箔）的生成質量。為了避免出現該現象，自動化控制系統不可在原銅濃度真正降低至40%時才執行“繼續加入原銅”的指令，而是應該在原銅濃度降至50%時，便執行上述指令。此間的注意事項：“加入原銅”指令的操作過程需要耗費一定的時間，因此，從自動化集成控制系統判定電解液制備池中原銅濃度已降低至50%開始，到新原銅開始添加的時間段內，電解液制備池內的原銅濃度是否會從50%降低至40%。如果不考慮此點，則系統即使成功判定“原銅濃度低”并切實執行了“添加原銅”的指令，也會在事實上導致后續部分生箔質量下降。類似于電解液的制備，其他環節的自動化集成控制思路大同小異，須明確“重點監控項”、“相應定值”、“觸發某種先決條件后，相應的控制子模塊應該執行何種指令”，以此為基礎，完成電解銅箔工藝自動化集成控制系統的控制程序設計。

2.2 控制電解銅箔生產線自動化運行的控制系統設計方式

電解銅箔生產線自動化運行的控制系統以計算機總控端測控系統為核心，需要對生產線的所有環節進行集中管理。安徽銅冠銅箔有限公司及河南靈寶華鑫銅箔有限責任公司使用的自動化集成控制系統均為基于三層拓撲的分布式控制體系。具體而言：第一，最上層是監督控制層，即計算機總控端所在地，負責對生產線的運行情況進行全方位監控。第二層，是以多臺計算機為主，配置測控軟件而構成的監視層，主要用于監督下方設備是否處于正常運行狀態。第三層，是常規監測及執行層，由多臺計算機組成，并以S7-300PLC西門子設備作為控制核心[3]，主要作用是與設置在生產線各處、具備相應功能的執行模塊相連，實時反饋設備運行情況，并傳遞參數信息。當具體負責的計算機收到某個參數觸發控制程序中的某個條件時，便會向對應的執行模塊下達指令，可進行原料的添加及檢驗，保證生產線安全、高效率的運行。

2.3 用于自動化生產線的現場監測系統設計方式

在正常情況下，生箔、表面處理等子系統應按部就班地作業，完成對應環節的任務。但生產線并不是永動機，機組設備中的零部件隨著使用時間的累積會出現磨損，且控制系統（包括子系統）內預先設置的控制程序有可能因多種原因此轉變成亂碼，或是定值發生各種形式的偏差，導致自動化集成控制系統看似按部就班地運轉，但實則已經出現較大的問題。基于此，需要在生產線自動化控制系統之上，額外設計針對系統運行穩定性進行監督測試的系統。在自動化校準核驗領域內，“整定值”與“動作時間”是決定校核是否準確的2項關鍵因素。以此為基礎，可通過判定靈敏性來確定生產線機組設備的“反應速度（可視為自動化控制系統的反應速度）”是否處于正常運行狀態。例如上文提到的電解液制備池內原銅濃度危險臨界值為40%、“加料”指令執行臨界值為50%。經過技術人員反復計算，“準備加料”到“料確實加入”的過程耗時（假定每次加料的量是固定的）記為X。經過實際檢驗，X時間內，電解液制備池內原銅濃度不會從50%降低至40%。基于此，“動作時間”的界定標準同樣可以設置為X。但X的時間范圍可能是“最理想情況下”的用時，實際作業期間的耗時可能超過該數值。因此，經過檢驗，在Y（Y的具體值大于X）時間內完成加料操作，同樣能夠保證電解液制備池內原銅濃度達標。而Y便可被視為“整定值”。在理想動作時間、整定值都已確定的情況下，檢測系統應圍繞加料的實際時間進行監測，若符合X≤實際用時≤Y，則表明執行子系統處于正常運行狀態，若實際用時大于Y（理論上不可能＜X），則表明設備運行已經出現問題，必須及時查找原因。具體流程如圖3所示。

圖3 用于自動化生產線的現場監測系統控制流程示意圖

2.4 電解銅箔工藝自動化集成的硬件組態梳理

構成電解銅箔自動化集成控制系統的硬件如下。上位機3臺，Profibus-DP主站6個、Profibus-DP從站若干。Profibus-DP主站和從站基于總線完成連接，進而形成完整的生產過程控制網絡。具體而言：6個Profibus-DP主站劃分方式為“2-2-1-1”模式，即用于生箔的Profibus-DP主站共計2個，包括電解液制備（包括電解液供液系統）及生箔生產；用于表面處理（如上文所述，包括粗化處理、鈍化處理、光面處理3個環節）的Profibus-DP主站數量同樣為2個。剩余的2個分別對應冷卻循水系統與輔助系統。需要指出的事，上述“2-2-1-1”分布的Profibus-DP主站及各自對應的子系統處于“平級”狀態，相互之間的邏輯指令關系屬于平級，只能由上級控制系統進行監測及調用相關指令，彼此之間無調用與被調用的權限設定。除此之外，變頻器的功能設定基于USS協議，與各個主站進行通信，并在最短時間內完成數據交換。為保證變頻器具備較高的可靠性和精準輸送信息的能力，且能夠對監測到的異常信息進行快速響應，需搭載CP340功能模塊，進而形成一個保護功能相對完整、信號能夠實時傳遞的控制網絡。

2.5 電解銅箔工藝自動化集成的軟件構成及組態分析

2.5.1 基于PLC可編程邏輯控制器的下位機控制子系統程序編制思路梳理

程序控制具體思路如上文所述，須設置定值，并圍繞定值相關的運行過程進行質量監測。為達到上述目的而使用的軟件及組態情況如下：第一，借助SIM ATIC S7-300自帶的配套編程工具——STEP7[4]，在硬件組態邏輯控制層級設定完成的情況下，設置多項初始定值。第二，在電解銅箔生產線機組設備各處設置PLC可編程邏輯控制器，目的在于通過功能程序調用的方式，在有需求時直接調用PLC自帶的執行功能，可大幅度減少程序編制工作量。例如增加原銅的控制程序出現“bug”，在電解液制備池的原銅濃度已經下降至45%時，負責的子系統仍然沒有執行“加料”的操作。此時的重要工作不是查找原因，而是立刻啟動備用方案，即操作相鄰的設備完成加料，保證生產能夠持續進行。實現該過程的方法為，由計算機總控端向處于“備用”狀態的機組設備的PLC裝置下達“功能函數調用”指令，調用后迅速執行程序功能，完成加料。

2.5.2 上位機人機UI交互界面中必須具備的功能簡析

該控制系統的上位機人機UI交互界面使用的組態軟件為WINCC6.3驅動程序，可借助以太網與多個PLC模塊完成數據互通，進而形成完整的控制系統，保證生產線全程處于高效率的運行狀態。基于PLC可編程邏輯控制模塊，每個生產環節的“人機交互”界面均十分“人性化”，交互過程極其方便，可在短時間內完成指令的發布，保證高效率、安全生產。

3 結語

“自動化”、“智能化”控制是現代工業生產線必須具備的特性，特別是以電解銅箔為代表的生產電子產品的必備元器件，如果不能保證高效率、精細化、批量化生產，則產能將會出現大問題，會面臨外國競爭對手在技術及市場供應層面“卡脖子”的困境。基于此，明確電解銅箔自動智能化集成控制生產線建設的重要意義，不斷探索高精生產線及控制方式的優化方式，是事關國家未來發展的大事，必須予以重視。