球形硅微粉生产线自动化系统

球形硅微粉生产线自动化系统胡月来,高云,梁秀英,黄汉英(华中农业大学工程技术学院,湖北武汉430070)摘要:介绍了基于西门子 WINCC 及 S7-300PLC 的一套自动化系统的硬件、控制功能、人机界面等。该系统应用于球形硅微粉年产千吨新工艺。关键词:球形硅微粉;西门子 PLC;自动化中图分类号:TP278文献标识码:B 文章编号:1000-0682(2008)04-0082-030引言随着我国电子信 息产业的快速发展,手机、个人电脑等越来越多的电子信息产品的产销量开始进入世界前列,带动了我国集成电路市场规模的不断扩大。高纯超细熔融球形石英粉 (简称球形硅微粉),由于具有高介电、高耐热等优越性能,在大规模、超大规模集成电路的基板和封装料中成为不可缺少的优质材料,也随之显示出广阔的发展前 景。在球形硅微粉的多种生产工艺中,直流等离子体熔融法由于温度范围适中、控制平稳、可达到较高球化率,因而是一种较合适的生产方法。该文介绍采用这种工 艺方法的年产千吨生产线的自动化系统,该系统利用 WINCC 组态软件提供功能完善、友好的人机界面,利用 S7-300PLC实现生产线的自动化运行控制。1生产工艺及其控制要求球形硅微粉年产千吨的生产工艺流程如图1所示,螺旋电子秤将料仓中的粉料均匀地送往等离子球化炉的煅烧室,煅烧后的粉料在球化炉中经压缩空气及循环水冷却后,在风机所产生的负压作用下,被吸入旋风收尘器和袋式收尘器,收尘器将已加工好的粉料送入包装机中打包。图一 工艺流程图为了保证生产的顺利进行,该工艺流程提出了如下控制要求:1)监控料仓里的料位,当料位过低时启动补料机构 ,当料位过高时关闭补料机构;2)根据操作人员的设定值调整电子秤的转速,以保证合适的送料量;3)根据球化炉内负压的大小调整风机阀门的开度,以保证炉内负压稳定在0.8MPa;4)控制压缩空气供气量,以保证煅烧后的物料温度下降到合适的范围内;5)监控物料在进入收尘器前的温度,若温度过高则进行相应的报警及保护处理;6)监控氩气流量,使流量稳定在设定值 ;7)监控氮气流量,使流量稳定在设定值 ;8)监控供水水池的水位,水位过低时启动水泵补水 ,水位过高时则关闭水泵;9)监控球化炉供水回路的出水温度,根据出水温度的变化调节供水流量,以使出水温度控制在一个较合理的范围内;10)监测球化炉燃烧室内的温度 ,温度异常时报警。2控制系统硬件根据控制要求,系统采用上位机加下位机的方案。上位机主要用于提供人机界面及数据管理等服务,采用 DELL 公司具有较好性价比的定 制 PC 机型,并采用双机备份的运行模式,以提高系统运行的可靠性。下位机主要进行生产过程的监测及控制,因此对运行的可靠性、安装调试周期等提出了很高的 要求。由于西门子 PLC 具有功能强大、组态灵活、较强的抗干扰能力、较高的性价比等优点,在此处也就成了一个较佳的选择。综合分析系统的控制及性能要求, 在西门子公司的 PLC 产品中,下位机选用 S7-300系列具有较高的性价比,其主要选用模块为:CPU315中央处理器1块、PS30710A 电源模块 1、SM321(32点) 数字量输入模块2块、SM322(32点)数字量输出模块1块、SM331(8通道)模拟量输入模块11块、SM332(8通 道)模拟量输出模块6块、ET200M 接口模块 2块等。系统的硬件设计方案如图2所示。图二3控制系统功能(1)料位监控在料仓里设置一个料位计,控制系统根据料位计发出的料位信号启动或停止补料系统,即可实现料位监控。目前的料位计有机械式、电容 式、射频导纳式等多种形式,但根据实际使用经验,这些料位计的使用效果都不太理想。由于该系统对料位值并不要求很精确,因此使用间接测量方法,即在料仓的 底部装上一个压力传感器 ,通过料仓压力的变化计算出料仓里料位的高低。实践证明该方法有效可靠,且使用寿命较长。(2)产量设定生产的产量是由螺旋电子秤送料螺旋的转速决定的。由于螺旋电子秤是一个独立的闭环系统,因此产量数据可在电子秤的控制器上直接设定。为了操作界面的一致性,这里在上位机设定产量,设定好的数据由下位机产生420mA 的电流信号传送至电子秤控制器。(3)炉内负压控制生产过程中,球化炉内的负压会在各种干扰因素的作用下产生一定的波动,为了将负压值稳定在设定值,需调节风机阀门的开度,使之随炉内负压大小而作相应的调整。由于系统特性未知,因此阀门的开度采用 PID 调节控制。(4)炉内温度控制煅烧后的物料温度在1000以上,在物料进入收尘器之前,必须使其温度下降到200以下 ,因此降温幅度较大。为了保证降温可 靠,系统采用水冷加风冷的降温方式。由于冷却水系统的时滞较小,故水的流量采用 PI 调节方式进行控制。水冷降温的幅度有限,主要的降温还是由压缩空气实现 的,空气的流量采用模糊控制与 PI 控制相结合的方法进行控制,即:当温度与设定值相差不大时使用 PI 控制调节空气流量,反之则使用模糊控制策略调节空气流量。(5)收尘温度监测物料在进入吸尘器前的温度必须小于200,否则会引起设备损坏。因此,系统监测吸尘器入口的温度,若温度过高,则停止生产线并报警。(6)氩气、氮气流量控制氩气、氮气是产生等离子的气体,其流量必须稳定,以使煅烧温度稳定。由于氩气、氮气流量控制系统的时滞较小,此处采用 PI 调节使其稳定在设定值。(7)水池水位监控等离子枪中的去离子水必须使用软水,为降低成本,软水循环使用。由于循环过程中的蒸发量较大,需及时向软水水池中补水。系统采用浮球式液位计监测水池水位,水位低于设定值时自动启动软水制备系统,给水池补水;水位高于设定值时,则关闭软水制备系统。图三(8)出水温度控制从等离子枪中出来的水温度必须在一个合适的范围内,其温度的控制可通过调节水的流量来实现。此处水流量的调节采用 PI 控制方式。(9)其他为了使生产过程能自动、安全的进行,除了上述功能外,系统还需完成一些其他功能,如:监测球化炉燃烧室内的温度、设备的启停控制、设备异常状况监测及保护处理等。4人机交互界面生产过程中,操作员通过上位机完成对系统的管理工作。为了让操作员在管理时有一个较好的人机交互界面,将所有的控制指令、过程数 据、设备运行状态等信息分为总控、供气回路、供水回路、球化炉、数据管理等共5个页面显示。系统开机后自动进入总控页面,总控页面中设置至其他各页面的链 接,操作员可通过相应的链接按钮进入其他页面。总控页面划分为3个区。一区位于屏幕的上方,为系统报警状态显示区。当球化炉内的温度、入袋收尘温度、球化炉内负压等工艺数据不正 常时,系统除了发出声响警报外,位于该区相应的信号指示灯同时闪烁,以便指示故障原因。二区位于屏幕的左方,为系统操纵控制区。操作员通过该区里的运行方 式开关可选择手动或自动启动各设备,无论是手动还是自动,下位机在接收到上位机的信号后,在向相关设备发送信号前均会进行设备的连锁保护检查。除了至其他 页面的链接按钮外,该区还设有一个退出按钮与一个关机按钮。操作员只能使用关机按钮关闭计算机系统,而退出按钮上设置只有工程师才能使用的密码,以便工程 师可以退回到操作系统状态下进行系统的维护工作。屏幕上的其他地方主要用来显示系统的工艺流程、设备的运行状态等。如图3所示,该页面除显示生产现场实测 数据外,当采用手动方式运行时,每个设备的图标兼作该设备的启、停按钮。供气回路、供水回路、球化炉的显示页面除显示相应系统的工艺流程、工艺设备、生产 现场实测数据外,其相应的图标也作为手动时的启、停按钮。数据管理页面由几十个子页面组成,除了可显示所有的报警信息、生产记录数据等信息外,还可显示各 实测值的变化曲线,供技术人员分析研究时使用。5结束语系统将所有的工艺设备及报警指示功能集中在总控页面,便于操作人员监控系统整体运行状况,及时进行报警故障位置及故障原因判断,以 便迅速作出相应的处理。系统的数据管理功能,不仅使企业管理人员能随时掌握并分析企业的生产状况,也使工艺人员能分析工艺性能以改良生产工艺,使技术人员 能分析系统的控制特性以进行优化控制等。使用双机备份策略,使用压力变化值来测量料位,使用 PI 控制加模糊控制的策略来调节温度等技术措施,有力地保证了 控制的质量与可靠性等性能。由于采取了各种控制措施,整个生产线完全实现了自动