多晶硅还原炉温度开环控在HONEYWELL系统上的创新运用.doc

论文题目：多晶硅还原炉温度开环控制在HONEYWELL -TPS系统上的创新运用姓 名： 牛 国 刚 身份证号：所在单位： 四川瑞能硅材料有限公司 编写时间： 2016年12月12日 多晶硅还原炉温度开环控制在HONEYWELL-TPS系统上的创新运用引言多晶硅材料是太阳能电池组件中光电转换的重要材料，1955年，德国西门子开发出以H2与高纯SiHCl3，在加热到1100的硅芯上沉积多晶硅的生产工艺;1957年，这种多晶硅生产工艺开始应用于工业化生产，被外界称为“西门子法”。改良西门子法是在传统的西门子工艺的基础上，同时具备节能、降耗、回收利用生产过程中伴随产生的大量H2、HCI、SiCI4等副产物以及大量副产热能的配套工艺。目前世界上绝大部分厂家均采用改良西门子法生产多晶硅。还原炉是生产多晶硅材料的重要设备，而还原炉炉内温度控制是整个还原沉积过程重要的参数，温度控制的精度直接影响太阳能级“硅(Si)”材料的生产安全、沉积效率、成品质量等因素。多晶硅产能3000T/a工控DCS系统选用Honeywell（霍尼韦尔）TPS系统，TPS系统能够实现生产过程中的时时数据及过程控制，工艺操作员根据TPS系统温度一次仪表的检测数据来给AEG电控系统的电流值完成对还原炉温度的控制。还原炉温度控制需要工艺操作员根据炉内测量温度调节还原炉电控电流。这种时时调整工艺控制参数的监控模式不但工作量大，而且控制过程中容易出现因人为因素造成的设备故障、质量问题及产能异常。一、多晶硅还原炉温度控制方案为提高工艺的运行稳定与生产效率，提出对现有TPS系统进行技术改造来实现还原炉温度自动化控制方案。方案一：闭环控制方案。通过测控一次测量仪表（红外线温度计、H2流量计、TCS流量计）、扩展TPS系统LCN网络硬件AM模块（应用模块）与系统AMO软件（应用软件）来完成用户的高级算法、控制策略与监控操作软件来实现还原炉温度PID闭环控制。闭环控制对温度一次仪表测量精度与测量环境条件要求极高，现有的红外线高温仪表测量值精度与还原炉测量窗口条件是造成PID控制系统稳定性及安全性下降而无法实现闭环控制的原因，而改造所需的TPS系统扩展设备、红外线高温仪表投资成本过高、测量条件维护困难等因素的限制导致无法实现闭环控制方案。方案二：开环控制方案。通过编写LC控制程序结合TPS系统硬软件配置来实现还原炉温度自动化控制的目的，LC程序的兼容性与稳定性完全可以实现对AEG电控系统的控制，因此可在CL语言程序的基础上设计编写还原炉温度开环控制程序。此方案无需扩展硬件与软件所需费用，由CL控制程序结合测控仪表对每台还原炉工艺控制参数进行运行分析，设计电流给定时间周期值（s），按照每台装置的运行周期，总运行时间除以总加载电流、功率平均后的数值，由CL执行程序向AEG还原炉电控器定时赋值。为便于操作人员根据工艺运行状态进行人为调控，可设置手动与自动两种模式来满足还原炉温度控制要求。二、CL执行程序架构设计CL程序还原炉温度开环控制方案，由CL程序中的各TPS系统控制模块来执行，包括：手/自动控制模块、CL主控程序、时间控制器、时间变量、还原炉PLC通讯模块，CL执行程序控制架构图如下。2系统中各模块的功能：2.1控制模块：控制模块是自/手动两种模式切换，当操作人员选择自动时，CL执行程序起动，此时无法进行手动干预；当操作人员根据工艺运行状况确认需要手动调整时，停止自动模式，转换手动模式运行，此时CL执行程序停止运行，操作人员根据工艺要求进行人为干预，干预完成后即可转换为自动模式。2.2时间变量：时间变量是根据工艺控制要求完成自动赋值的最优时间频率，由操作人员参考时间周期表输入时间值。2.3时间控制器：当操作人员根据时间周期表赋值后，CL主控程序指令时间控制器启动并开始倒计时，当时间控制器计时时间与给定时间变量相同时自动将TIME FLAG反馈给CL程序执行。2.4CL主控程序：CL主控程序是信息处理和指令发出的控制中心。当CL执行程序接收到控制模块自动模式和时间变量的指令后启动时间控制器开始计时；当程序接收到时间控制器返回的TIME FLAG后自动向AEG电控PLC通讯模块发送执行指令。2.5PLC通讯模块：为TPS系统与AEG电控系统完成监控信号的接收与发送信息处理。3.历史曲线对比3.1手动模式的历史曲线3.2自动模式的历史曲线三、CL程序时间周期设计根据各还原炉控制系统一年内的监控数据分析得出最佳的运行时间、物料、配比、电流、功率等参数，分析得出运行时间与工艺介质各参数的对应时间周期表。四、开环控制方案优点4.1投入后的还原炉温度自控程序，在提升工作效率、降低运营成本、改善工作环境上有很大改善。使工艺操作人员从每班4人降到2人，从每人负责一个区到负责两个区，工作强度从80%降到35%以下。4.2生产控制中的故障率得到有效的控制。由于工艺操作员疲劳操作所导致的运行工况不稳定而引起的炉内热场波动，造成硅棒裂棒、熔硅、夹层、停炉与倒炉等现象。4.3还原生产过程中实现电流、功率与物料的可控性，CL自控程序的精确控制使三相电流与功率同步，从而保证了内外圈硅棒热场分布均匀，减少了工艺控制过程中的故障率，可增加单炉产出150至180T/a。4.4过程控制历史曲线4.4.1手动控制模式运行曲线4.4.1自动控制模式运行曲线五、CL程序控制运行结果A区1炉投用还原炉温度开环控制CL程序运行123小时，12对硅棒重量2.17T，直径135mm，沉积速度31.86kg/h， TCS单耗48.52t/t，温度程序运行结果完全符合工艺控制要求，程序的再次优化后下装TPS系统，B/C/D区12台还原炉温度开环控制程序运行顺利，投入各还原炉的生产技术取得到了理想的结果。分析还原炉TPS系统运行数据与单台产量的运行数据得出，还原炉CL自控程序在集散控制系统上的应用从安全性、稳定性、经济性方面获得重大突破，产品核心竞争力明显提高。通过解决实际运行过程中生产工艺与程序控制程