【《硅片清洗机的硬软件系统设计案例》8000字】

PAGEPAGE15REF_Ref168484390\r\h错误！未找到引用源。REF_Ref168484424\h错误！未找到引用源。PAGE6硅片清洗机的硬软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u6046硅片清洗机的硬软件系统设计案例 1188961硅片清洗机的总体设计 168051.1清洗生产线 2123931.2各清洗工艺说明 3235422硅片清洗机的系统设计 5168682.1硬件设计 518602.1.1电路元器件的选型 5324712.1.2电动机的选型 6310932.2可编程控制器 8318172.2.1PLC的发展历程 1060662.2.2PLC的发展趋势 1097202.2.3PLC的应用 11135892.2.4PLC选型 1119532.2.5PLC地址分配 11182492.2.6PLC外部接线图 12321552.3软件设计 13269382.1.1程序控制要求 13284912.1.2设计工作状态 14256572.1.3定时器 1626202.1.4系统梯形图的设计 16315472.4触摸屏操作界面的设计 201硅片清洗机的总体设计一个理想的硅片表面应该是按规则的硅原子排列，其中每一个硅原子都以共价键结合在一起，由于没有其它原子在表面以外，因此表面原子外的价键是不饱和的，并且一个表面态能捕获大量的电子。事实上，理想的表面并不存在。因为硅片的真实表面在大气中被氧化吸附，它的真实表面常常含有一层薄的天然氧化层，厚度可达几埃、几十埃甚至几百埃。真正的硅片表面是内部表面和外部表面之和，内表面是硅与自然氧化层的界面，既有受体能级，又有施主能级，能级密度为109生产过程中与硅接触的所有外部介质都是硅污染杂质可能的来源。这些污染包括：硅类加工成型过程中的污染、环境污染、水污染、试剂污染、工业气体污染、工艺本身带来的污染、人体产生的污染等。硅片表面玷污分类如表3-1所示表3-1硅片表面玷污分类分类依据玷污类型玷污杂质的形态微粒型玷污杂质、薄膜型玷污杂质吸附力的性质物理吸附和化学吸附被吸附物质的存在状态分子型、原子型、离子型物化性质有机玷污、无机盐、金属离子等1.1清洗生产线整个清洁操作的处理过程主要可以分为：热水上料、温热浸泡下料清洗、超声波清洗、喷淋下料漂洗、吹干、烘道、下料。图3-1清洗工艺流程主体布局图工件由人工通过手工将工件放入篮筐内，可以实现多工件的同时清洗。超声波清洗工艺流程主体布局如上图3-1所示，共有3个清洗槽，分别为温热浸洗槽，超声清洗槽，喷淋槽。通过清洗传动链，工件被输送到不同的清洗槽，由电机、链条、链轮、减速机等组成，通过链条驱动传动。硅片通过驱动链传动达到每一条槽道，完成清洗工作后，传送到烘干输送链，在烘干过程完成后自动进行输出，卸料由手工操作完成。清洗工艺流程图如图3-2所示图3-2清洗工艺流程图温热浸洗槽、超声清洗槽中均同时盛有大量的液体清洗液，清洗槽采用自动循环式，这两个气动泵分别将各自放置在储液槽内的大量清洗液经电动过滤器过滤后，再由输送管道自动输送到各工作槽。为了清除在清洗机时槽内处于液面的污水、浮动物、油脂及其它污物都能及时排出外，清洗槽主体上部还必须同时设置有污水槽，且下部还应设置有控制排水槽。大大的增加了一次清洗加热效果，各个清洗工作槽底部都安装了一台液压清洗加热器，使得一次清洗液压机能够在一定的清洗温度下快速地安全完成一次清洗，温度被通过压力变化传感器进行控制和自动显示，当清洗温度已经完全到达温度设定值时，自动提示停止清洗加热。1.2各清洗工艺说明(1)在50~600℃温度范围内，将工件放入清洗液中，同时进行温热浸渍，完成工件的初步清洗。它的设计目标也主要是有效减少超声波清洗使用时间，提高清洗剂使用质量。(2)超声清洗的方法在清洗工件的超声清洗槽底部位置安装超声换能器，与小型超声信号发生器相连接，在40~50℃条件下，用超声清洗液对整个清洗工件底部进行超声清洗。(3)喷淋泵将已经喷入料槽的所有液体全部自动抽出，通过一个喷嘴旋转，快速清洗工件。本工艺可彻底清除附着于工件主体外壳的中性清洁剂及其它水溶性涂料污垢。(4)在强风直接吹干或直接喷淋清洗后，制造工件整体表面极有可能含有大量水珠，如果将其直接置于烘烤道内再进行二次烘烤烘烧，由于烘烤耗时过长，同时整个制造工件整体表面经过烘烤后也极有可能留下明显的珍珠水印。因此，当工件被吹到干燥槽中时，由于吹风机用力吹干工件，使其干燥，直至工件整体表面的多余水分被去除。(5)在烘干和分散焙烤全道中进行烘干和分散焙烤炉底部烘干制冷空气和风管内部各设一根大型电传动加热管，外包一层耐热保温材料，用离心力将风机底部风管保温送风，顶部风管进行保温吸风，形成电加热风机的循环，使整个烘道中的烘冷空气随温度均匀分散。清洁工艺流程中，上下料均由人工操作，清洁工艺流程由PLC控制，总体方案设计步骤如图3-3所示图3-3总体方案设计步骤2硅片清洗机的系统设计2.1硬件设计2.1.1电路元器件的选型(1)空气开关的选型必须确保空气开关的额定电压、电流不能小于电路中的工作电压、电流。查空气开关型号的手册可知，QS1可以选择型号DZ10-100/300的空气开关；QS2、QS3可以选择型号DZ10-20的空气开关。(2)熔断器的选型在电机负荷的情况下，熔体的额定电流应为所用电机额定电流的1.5~2.5倍。FU1、FU7~FU10选用型号RT12-63的熔断器；FU2~FU6选用型号RT12-32的熔断器。(3)热继电器的选型对于FR1~FR5，I≥1.1~1.5(4)接触器的选型由于接触器具有交流负载特性，故选择交流接触器；IC=①喷淋泵电动机的额定功率PN=4kw，额定电压UNI②清洗传动电动机的额定功率PN=5.5kw，额定电压UNI③吸引线圈的额定电压可以选用380V。综上所述，KM3、KM4选用为CJ10-20型交流接触器；KM1、KM2、KM5、KM6、KM10~KM12选择型号为CJ10-10的交流接触器。(5)行程开关的选型该全自动硅片清洗机设计所用的行程开关必须靠行程开关在前进过程中碰撞行程开关的操作头，故选用接触式行程开关。查行程开关型号表可知，SQ1~SQ4选用型号为JLXK1-311的行程开关。选用的电器元器件如表4-1所示表4-1电路元器件代号元件名称型号QS1空气开关DZ10-100/300QS2、QS3空气开关DZ10-20FU1、FU7~FU10熔断器RT12-63FU2~FU6熔断器RT12-32FR1~FR5热继电器JR16-20/3KM3、KM4接触器CJ10-20KM1、KM2、KM5KM6、KM10~KM12接触器接触器CJ10-10CJ10-10SQ1~SQ4行程开关JLXK1-311SB1~SB13按钮LA19-112.1.2电动机的选型(1)喷淋泵电机的选型该喷淋泵轴的额定功率为2.5kw，转速n=1480r/min，电机与喷淋泵之间通过联轴器传动，电机的效率η2=1\*GB3①电动机功率的计算PN≥取K=1.1、ηP=2\*GB3②选择电动机的结构形式超声清洗机的工作环境比较潮湿，水花必然会溅出，因此应选用封闭式鼠笼式三相交流异步电动机，Y系列电动机防护等级为IP14，故应选用Y系列电动机进行潮湿作业。=3\*GB3③根据喷淋泵要求的转速，计算出电动机的功率，查Y系列电动机的产品，选择Y112M-2型的电动机，满载转速为2890r/min额定功率为4kw。(2)清洗传动电动机的选型已知：传动链的拉力F=11500N，链传动的速度v=0.38m/s，链轮齿数Z=8，链节距p=80mm。=1\*GB3①由于工作环境比较潮湿，选择Y系列的封闭式的鼠笼式三相交流异步电动机。=2\*GB3②电动机功率的计算PW==3\*GB3③传动系统总效率的计算η1：电动机输出轴与减速器输入轴之间联轴器的传动效率，取ηη2：一对滚子轴承的传动效率（共三对），取η3：一对闭式圆柱齿轮传动的啮合效率（共两对），取ηη4：链传动的效率，取η则传动系统的总效率为：η总=η=4\*GB3④电动机所需的有效功率的计算Pd=P=5\*GB3⑤型号的确定查手册得，取电动机型号为Y132S-4，其额定功率为5.5Kw,同步转速为1500r/min。(3)其他电机的选型烘道风机电机、强吹风机电机可采用与喷淋泵一样的电机Y112M-2，烘道传动电机与清洗传动电机一样型号得电机Y132S-4，能够满足要求。根据上述的全自动硅片清洗机的清洗工艺流程和电器件的选型的分析，绘制出主电路的电气原理图如图4-1所示图4-1主电路电气原理图2.2可编程控制器可编程控制器是一种新型的通用自动化控制装置，其设计时的一个基础部件是通用计算机本身，且具有控制微处理器的能力。可编程控制器可通过直接利用其微计算器的多种处理技术，对各个设备的实际运行情况进行自动计算、定时和自动控制，使可编程控制器能够按照使用人的实际需求自动完成各种设备的运行。可编程控制器最初的基本控制能力仅包括逻辑运算、计数以及顺序控制等几个基本功能，而目前的各种可编程控制器均随着科学信息技术的不断发展、升级和逐步完善，拥有了更多的实用功能，能有效满足包括现代家庭企业自动化管理应用、公共事业管理应用以及现代商业和民用工业等在内的多个不同应用领域的巨大应用需求，为人们日常生活和工作提供更多样的便利，也在社会经济自动化和工业智能化发展中发挥着极大的技术推动作用[8]。可编程控制器主要由六个接口组成。中央处理器，即中央处理机，内存的一个输入和外部输出，接口集成电路，电源，外部通讯设备之间的接口，输入和外部输出，扩展器接口。CPU核心是基于PLC的一个基础控制核心和一个控制指令处理中心，它主要由各种编程控制器、运算器、以及数据寄存器等几个部分组成，并全部集成到一个控制芯片中。该系统主要是通过地址总线、数据总线和网络控制电路总线的三个接口电路单元，分别与数据存储器、输入和数据输出电路进行实时连接，实现数据信息的实时传输、转换。输入接口输出电路接口集成电路设计就是将PLC接口与现场各个I/O接口设备之间进行串口连接的一个组成部分。PLC将其中的一个输入输出信号对其进行转换成一个能够对其进行再次接收并最后处理的输出信号，通过一个命令用户程序将其中的命令运算将结果经由一个输出模块进行传递过来给一个命令执行器。其结构示意图如图4-2所示图4-2PLC结构示意图2.2.1PLC的发展历程PLC具有逻辑操作、时序、计数等顺序控制处理功能，已广泛地取代了传统的逻辑继电器部分，用于顺序控制，被称为新型可编程序数字逻辑顺序控制器。随着现代微电子设计技术的应用和计算机数字逻辑运算技术的不断发展和进步，70年代中期出现的一种新型微处理器在PLC中得到了广泛的应用，使PLC不仅在电子设备上具有了完全的数字逻辑顺序控制处理功能，而且在很大程度上增加了诸如数字运算、数据传输、逻辑数据处理等控制功能。80年代以后，随着超级微电子技术，如我国目前最大应用规模的集成电路在工业核心技术领域的迅速发展，16位、32位的超级微处理器被广泛应用于工业PLC，使我国PLC工业技术得到了迅速发展。PLC控制器的功能在这一阶段进一步增强，使得PLC真正逐步发展起来成为一种能够具有集成逻辑系统控制、过程系统管理、运算过程管理、数据处理、联网视频通信等多种主要功能的通用控制器。2.2.2PLC的发展趋势从当前的工艺和技术上的性能情况来看，PLC的发展还是主要表现为它们的体积缩小和性能提高这两个方面。(1)体积可以实现小型化。(2)性能的提高。可编程控制器在未正式出现之前，各大工业领域的自动控制管理系统大多由自动继电器和接触器设备进行自动控制，虽然该自动控制管理系统在设备的日常控制活动方面发挥着一定的自动控制主导作用，但是由于该控制系统需要用户通过直接固定互相连接的软硬件设备来正确完成固定控制目标，其工作体积还非常庞大，在实际使用控制过程中还普遍存在设备耗电大、寿命短以及设备故障发生率高等诸多缺点，而可编程控制器具有产品体积小、使用寿命长、故障机的发生率相对较低、比较灵活以及安装操作简单方便等特点。因此，可编程控制器在推出后很短的一段时间内，就直接通过取代传统继电器和接触器进一步控制电子系统，成为多个电子控制应用领域的主要电子控制系统设备[9]。2.2.3PLC的应用可编程控制器可对1个或数个电气对象设备进行多个指令过程控制，从而对该对象设备的性能进行完全自动化过程控制、设备安全保护、监视与性能测量。在原子电气工程与通用电子技术应用领域中，可编程自动控制器单元是一种常用的通用功能电子工程控制设备单元，其主要能通过控制计算机的可编程将控制工作程序直接键入控制设备的中央处理设备单元，使该处理设备在既定的工作程序下开始自动运行，从而实现设备运行时的自动控制。除此之外，电气设备的生产使用过程需要同时考虑多种环境因素，因为其进行设备自动控制与系统操作的技术难度较高。总之，为了能够实现所有电气设备的系统运行自动可控且完全自动化，可应用可编程控制器进行系统自动化操作程序码的编写、键入，从而使所有电气设备在既定的操作程序下实现设备运行的自动控制[10]。2.2.4PLC选型(1)物理结构选择：整体/模块式(2)确定I/O点数：根据总共I/0点数，保留10～20%余量;(3)PLC指令功能的选择∶本系统需要18个输入点，12个输出点，所以I/O点数共30个，按照留有10～20%余量的规则，选择48点数的PLC，选用FX2-48MR型PLC，输入输出点数都是24，其工作电压为220V，工作频率为50Hz/60Hz。2.2.5PLC地址分配对一条生产线正常工作过程的分析，生产线在正常工作和运行整个过程中，有几个自动控制点是需要的：清洗传动的快速启动开关，烘道传动的快速启动开关，烘道风机的启动开关，喷淋水泵的启动开关，强吹风机的启动开关，超声波的启动开关等。具体I/O分配及地址如表4-2、表4-3所示表4-2输入信号及其地址编号表名称输入功能信号编号SA手动/自动转换开关X0/X21SB1自动启动按钮X1SQ1接近开关X2SB2加热按钮X3SQ2上限位开关X4SQ3盖合开关X5SQ5温控开关X6SB3停止按钮X7SQ4烘道限位开关X10SB4手动按钮X11SB5清洗传动按钮X12SB6烘道传动按钮X13SB7烘道风机按钮X14SB8喷淋泵按钮X15SB9强吹风机按钮X16SB10超声波按钮X17SA1开机程序启动X20表4-3输出信号及其地址编号表名称输出功能信号编号KM1烘道风机接触器Y0KM2强吹风机接触器Y1KM3清洗传动接触器Y2KM4清洗向上传动Y3KM5烘道传动接触器Y4KM6喷淋泵接触器Y5KM10交流接触器Y12KM11超声波启停接触器Y10KM12加热控制接触器Y11HL1自动运行指示灯Y6HL2手动运行指示灯Y7HL3结束指示灯Y132.2.6PLC外部接线图通过对PLC的选型和接线地址的分配，可以绘制出具体的外部接线图如图4-3所示图4-3外部接线图2.3软件设计2.1.1程序控制要求清洗工厂在产品生产线上对于清洁控制厂家的管理要求主要包括有以下两套控制管理技术。(1)自动控制：采用PLC来控制清洁生产线上的清洁工作。(2)手动控制：当生产开始时可以选择手动控制各个工艺的进行。所以当整个清洁的操作程序都必须是由专业程序人员来自行启动进行控制时，在系统启动完后程序重新打开后它就需要连续保持8秒左右的启动延时，以便为了更好地维护使得整个生产线上各设备的安全正常启动和稳定地正常运行。之后我们也就需要把所有这个需要清洁的每个工件都自动地进行运送出来到一个需要进行清洗的物理位置，8秒钟后就有机会自动开始清洁的整个动作，完成了整个清洁就是生产线的一项重要核心清洁功能--自动超声波清洁的整个动作。清洗循环工作全部完成后我们可以需要把烘烤工件上的清洁液用强的大风再次冲洗干净并连续喷淋2分钟，喷淋工作完毕之后为了能够避免在烘烤工件留下印记（会严重影响涉及到工件的正常安装使用和工作精度），因而我们需要用强的大风连续吹两分钟把烘烤工件的整体表面干净吹干后在工件进入后的烘道内再次进行焙烤整个工件，烘干工作完毕之后还可以需要用装在烘道内的移动电机将烘烤工件通过传输器送出去再次完成整个的工件清洗循环操作，完成后延时10秒的一次工作清洗时间就够了可以再次转移一直到如今在程序运行中的下一个工件周期性的清洗循环。按照具体的要求进行设计绘制出系统顺序和功能图以及I/O接线。之后按照先前的顺序功能图和I/O的分配状态进行设计制作出一个系统的程序梯形图。2.1.2设计工作状态了解该系统的工艺和技术条件，根据现场生产制造设备的要求，确定PLC的输入、输出工序点数，在此基础上绘制出PLC的工艺和技术条件要求的工作状态图。超声波清洗生产线自动工作状态图如图4-4所示。图4-4超声波清洗生产线自动工作状态图关闭X20和SB1后，超声波和烘道风机启动，准备就绪，系统自动运行。T0起动计时8秒，然后输出Y2，清洗传动电机控制接触器关闭，清洗传动电机启动并完成传动动作。超声清洗开始时，必须将清洗池盖好，以保证机器及工人的人身安全。工件被送到现场后，接近开关SQ1关闭，关闭后，T1开始计时，计算时间7秒。之后，开始超声清洗，定时器T2、T3、T4分别开始计时3分钟、2分钟、2分钟，清洗传动电机Y2、喷淋电机Y5、强吹风电机Y1接触器Y1开始接通工作，完成超声清洗3分钟、喷淋2分钟、强风吹干2分钟。清洗工作完成后，进入烘焙道内烘干工件，烘道传动Y4开始输送工件。定时进入下一周期，计时器T5计时10秒后进入下一个循环。顺序功能图如图4-5所示。图4-5顺序功能图2.1.3定时器基于输入输出信号的地址分布和超声波清洗生产线的自动工作状态分析各定时器计时时间及功能如表4-4所示。表4-4各个定时器的计时时间及功能定时器定时时间功能T08秒计时8秒，正常启动工作T17秒计时7秒的时间让清洗传动停止T23分钟清洗时间3分钟T32分钟喷淋2分钟T42分钟强风吹干2分钟T510秒延时计时，让烘道传送出装有硅片的篮筐后，更换下一个新篮筐2.1.4系统梯形图的设计该操作程序主要可以分为两个部分，第一个部分采用了自动化控制，第二个部分则采用了手动控制。当按下启动的按钮并且选择自动运行，启动后各种电机都可以使能够进入正常的工作状态，并且将运输的工件放在一定的位置上。然后就是已经完成了清洗工作的程序，然后还有需要就是把工件做一些清洁后的操作，比如说清水喷淋或者强风烘干等。最后把工件运送出下料位，并进入程序的循环进行。（1）自动控制程序的梯形图，如图4-6所示闭合X20，启动超声波和烘道风机。闭合X21选择自动运行，自动指示灯Y6亮。开始3分钟的超声波清洗。清洗完成后，篮筐将传送至喷淋槽。接下来进行喷淋2分钟，当喷淋动作完成后，传送至强风吹干。强风吹干2分钟。动作完成后，篮筐将进入烘道传动。最后，利用烘道传动传出装有硅片的篮筐。由人工取出硅片。图4-6自动梯形图当我们自己选择了这种手动控制的操作方式清洗时候，生产