多晶硅全自動(dòng)熔煉控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是多晶硅全自動(dòng)熔煉控制系統(tǒng)及控制方法，屬于高新技術(shù)材料熔煉技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的多晶硅熔煉控制大多都是開(kāi)環(huán)式控制方式，即完全靠人工操作。由于多晶硅材料熔煉周期長(zhǎng)，完全靠人工操作中頻電源，人力勞動(dòng)強(qiáng)度太大；完全靠人工操作時(shí)，控制精度不高，無(wú)法完全保證產(chǎn)品質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提出的是多晶硅全自動(dòng)熔煉控制系統(tǒng)及控制方法，其目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，實(shí)現(xiàn)功率、溫度閉環(huán)配方模式全自動(dòng)熔煉控制。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:多晶硅全自動(dòng)熔煉控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括可編程序控制器PLC、中頻電源功率分配板、多晶硅熔煉坩堝溫度裝置、數(shù)字顯示當(dāng)前功率和溫度裝置、傳感器、4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器；其中可編程序控制器PLC的第一信號(hào)輸出端通過(guò)中頻電源功率分配板連接多晶硅熔煉坩堝溫度裝置的信號(hào)輸入端，可編程序控制器PLC的第二信號(hào)輸出端連接數(shù)字顯示當(dāng)前功率和溫度裝置的信號(hào)輸入端，中頻電源功率、多晶硅熔煉坩堝溫度裝置的信號(hào)輸出端通過(guò)傳感器接入4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器，4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端接入可編程序控制器PLC的信號(hào)輸入端。
[0005]多晶硅全自動(dòng)熔煉控制方法:通過(guò)閉環(huán)控制中頻電源的功率和多晶硅熔煉坩堝溫度來(lái)達(dá)到多晶硅熔煉工藝的高精度控制要求。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
I)產(chǎn)品廢品率低。與其他爐種熔煉控制相比，本系統(tǒng)采用中頻感應(yīng)爐熱電偶在坩堝壁上全程測(cè)溫加熱方式，與工藝有關(guān)的中頻電源功率、頻率，以及多晶硅的實(shí)時(shí)熔煉溫度都可以通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)可根據(jù)多晶硅的工藝要求，對(duì)這些參數(shù)經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)，輸出結(jié)果可精確控制多晶硅的各項(xiàng)性能指標(biāo)，使產(chǎn)品的廢品率大大降低。
[0007]2)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。本套系統(tǒng)從加料開(kāi)始一直到出料，整條生產(chǎn)過(guò)程都是全自動(dòng)化控制；滿足多晶硅熔煉工藝性能參數(shù)存于PLC中，形成一套完善的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，操作者只需從WINCC人機(jī)接口界面上選擇相應(yīng)的工藝配方，PLC即會(huì)根據(jù)所選配方，調(diào)用相應(yīng)的預(yù)存控制參數(shù)，設(shè)置階段功率、時(shí)間、溫度，并以坩堝上熱電偶全程所測(cè)的溫度作為閉環(huán)反饋信息，結(jié)合工藝要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)中頻電源輸出功率。從而大大地減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
[0008]此外生產(chǎn)過(guò)程中，各主要參數(shù)都可在上位機(jī)畫(huà)面中以棒圖、曲線、表格等多種形式顯示，并以Excel表格形式保存于上位機(jī)硬盤(pán)中，可隨時(shí)進(jìn)行打印、復(fù)制。無(wú)須操作者動(dòng)筆記錄，實(shí)現(xiàn)了 “無(wú)紙化”操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。
[0009]3)提高生產(chǎn)效率。多晶硅熔煉周期長(zhǎng)，控制精度要求高，使人為操作時(shí)不能完全控制所需工藝要求內(nèi)，致使多晶硅的熔煉在國(guó)內(nèi)外成功率不高，在加入PLC全自動(dòng)的配方模式控制條件下，可以使每爐的熔煉按照最完美的工藝要求熔煉，大大提高了多晶硅熔煉的成材率。
[0010]4)降低安全隱患?？刂葡到y(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的一些安全隱患因素:進(jìn)水壓力、回水溫度、中頻電源情況、坩堝溫度等都進(jìn)行了檢測(cè)，一旦出現(xiàn)異常情況，立刻進(jìn)行聲、色、光三種方式報(bào)警，及時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員排除故障，從而降低安全隱患。
【附圖說(shuō)明】
[0011]附圖1是多晶硅全自動(dòng)熔煉控制系統(tǒng)的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]對(duì)照?qǐng)D1，多晶硅全自動(dòng)熔煉控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括可編程序控制器PLC、中頻電源功率分配板、多晶硅熔煉坩堝溫度裝置、數(shù)字顯示當(dāng)前功率和溫度裝置、傳感器、4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器；其中可編程序控制器PLC的第一信號(hào)輸出端通過(guò)中頻電源功率分配板連接多晶硅熔煉坩堝溫度裝置的信號(hào)輸入端，可編程序控制器PLC的第二信號(hào)輸出端連接數(shù)字顯示當(dāng)前功率和溫度裝置的信號(hào)輸入端，中頻電源功率、多晶硅熔煉坩堝溫度裝置的信號(hào)輸出端通過(guò)傳感器接入4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器,4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端接入可編程序控制器PLC的信號(hào)輸入端。
[0013]所述的中頻電源功率、多晶硅熔煉坩堝溫度裝置的結(jié)構(gòu)組成部件以及工作原理如下:中頻電源功率即多晶硅熔煉爐功率，即多晶硅熔煉爐電流電壓相乘得到，恒功率中頻電源的工作原理為:采用三相橋式全控整流電路將交流電整流為直流電，經(jīng)電抗器平波后，成為一個(gè)恒定的直流電流源，再經(jīng)單相逆變橋，把直流電流逆變成一定頻率(一般為1000至8000Hz)的單相中頻電流。負(fù)載由感應(yīng)線圈和補(bǔ)償電容器組成，連接成并聯(lián)諧振電路；多晶硅測(cè)溫裝置采用B型熱電偶，B型熱電偶又叫貴金屬熱電偶，它作為溫度測(cè)量傳感器，通常與溫度變送器、調(diào)節(jié)器及顯示儀表等配套使用，組成過(guò)程控制系統(tǒng)，用以直接測(cè)量或控制各種生產(chǎn)過(guò)程中0-1800°C范圍內(nèi)的流體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面等溫度。鉬銠熱電偶是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時(shí)，當(dāng)兩接合點(diǎn)溫度不同時(shí)，就會(huì)在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存在有溫差時(shí)，顯示儀表將會(huì)批示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)所對(duì)應(yīng)的溫度值。鉬銠熱電偶的熱電動(dòng)熱將隨著測(cè)量端溫度升高而增長(zhǎng)，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)、與熱電極的長(zhǎng)度、直徑無(wú)關(guān)。各種鉬銠熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要成分組成。所述的中頻電源功率分配板，結(jié)構(gòu)組成部件以及工作原理如下:
1.整個(gè)控制電路除逆變末級(jí)觸發(fā)電路板外，做成一塊印刷電路板結(jié)構(gòu)，從功能上分為整流觸發(fā)部分、調(diào)節(jié)器部分、逆變部分、啟動(dòng)演算部分:
I)整流觸發(fā)工作原理這部分電路包括三相同步、數(shù)字觸發(fā)、末級(jí)驅(qū)動(dòng)等電路。觸發(fā)部分采用的是數(shù)字觸發(fā)，具有可靠性高、精度高、調(diào)試容易等特點(diǎn)。數(shù)字觸發(fā)器的特征是用計(jì)(時(shí)鐘脈沖)數(shù)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)移相，該數(shù)字觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖振蕩器是一種電壓控制振蕩器，輸出脈沖頻率受移相控制電壓Uk的控制，Uk降低，則振蕩頻率升高，而計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是固定的(256)，計(jì)數(shù)器脈沖頻率高，意味著計(jì)一定脈沖數(shù)所需時(shí)間短，也即延時(shí)時(shí)間短，α角小，反之α角大。計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)刻同樣受同步信號(hào)控制，在α=0時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)。現(xiàn)假設(shè)在某Uk值時(shí)，根據(jù)壓控振蕩器的控制電壓與頻率間的關(guān)系確定輸出振蕩頻率為25ΚΗΖ，則在計(jì)數(shù)到256個(gè)脈沖所需的時(shí)間為(1/25000) X 256=10.2 (ms)相當(dāng)于約180°電角度，該觸發(fā)器的計(jì)數(shù)清零脈沖在同步電壓。
[0014]所述的4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器，即西門(mén)子S7-300PLC的模擬量輸出模塊。
[0015]所述的數(shù)字顯示當(dāng)前功率和溫度裝置，結(jié)構(gòu)組成部件以及工作原理如下:
本控制系統(tǒng)當(dāng)前功率和溫度由安裝了 WINCC6.2軟件的工控機(jī)電腦數(shù)字顯示。WinCC是SIMATIC PCS 7過(guò)程控制系統(tǒng)及其它西門(mén)子控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件。
[0016]所述的傳感器型號(hào):CE-1Z06-43ES3-1.0 (電流傳感器);CE-VJ03-43MS2_0.5 (電壓傳感器)；WRR-131B型(熱電偶)。
[0017]所述的PLC的型號(hào):S7_300系列。
[0018]所述可編程序控制器PLC _號(hào):S7-300系列)，為了確保質(zhì)量與控制精度，PLC選用西門(mén)子公司的S7-300系列。該系列PLC不但運(yùn)算速度快，精度高，而且具有豐富的程序控制指令，可以確保控制系統(tǒng)有效完成機(jī)組所有過(guò)程控制任務(wù)和調(diào)速定位功能。
[0019]PLC的CPU模塊選用317-2DP，它同時(shí)具有MPI 口與DP 口，能滿足多種形式通訊的要求。
[0020]工作時(shí)，
以PLC控制中心為樞紐，用傳感器取中頻電源的功率以及多晶硅坩堝壁的溫度信號(hào)接進(jìn)PLC控制中心，PLC輸出4-20MA電流信號(hào)控制中頻電源功率做到多晶硅中頻感應(yīng)功率、溫度閉環(huán)配方模式全自動(dòng)熔煉控制。
[0021]多晶硅全自動(dòng)熔煉控制系統(tǒng)，最終目標(biāo)是將多晶硅熔煉工藝做到全程功率、溫度閉環(huán)，全程工藝配方自動(dòng)模式的全自動(dòng)熔煉生產(chǎn)線。實(shí)現(xiàn)按工藝要求設(shè)定的程序拍節(jié)，有節(jié)奏的聯(lián)線自動(dòng)工作，它與機(jī)組所有參與自動(dòng)生產(chǎn)的設(shè)備都有聯(lián)系，確保設(shè)備按工藝要求協(xié)作動(dòng)作，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。
[0022]全自動(dòng)配方熔煉時(shí)，在電腦WINCC畫(huà)面按照工藝要求設(shè)定好各階段的溫度、功率、時(shí)間，也可以調(diào)用以調(diào)用以前成熟配方，如果對(duì)本爐熔煉結(jié)果滿意，也可以把改配方存儲(chǔ)到資源管理器中以備以后調(diào)用?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員按配方模式啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)按照工人預(yù)先設(shè)定好的工藝全程自動(dòng)烘爐，在全自動(dòng)配方熔煉程中也可以人為干預(yù)，烘爐結(jié)束前5分鐘系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)聲光報(bào)警提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員，如果現(xiàn)場(chǎng)操作人員無(wú)疑義，5分鐘后會(huì)自動(dòng)結(jié)束全自動(dòng)配方熔煉。而且在該界面可以看到爐子的電流、電壓、功率、能耗、時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.多晶硅全自動(dòng)熔煉控制系統(tǒng)，其特征是包括可編程序控制器PLC、中頻電源功率分配板、多晶硅熔煉坩堝溫度裝置、數(shù)字顯示當(dāng)前功率和溫度裝置、傳感器、4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器；其中可編程序控制器PLC的第一信號(hào)輸出端通過(guò)中頻電源功率分配板連接多晶硅熔煉坩堝溫度裝置的信號(hào)輸入端，可編程序控制器PLC的第二信號(hào)輸出端連接數(shù)字顯示當(dāng)前功率和溫度裝置的信號(hào)輸入端，中頻電源功率、多晶硅熔煉坩堝溫度裝置的信號(hào)輸出端通過(guò)傳感器接入4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器，4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端接入可編程序控制器PLC的信號(hào)輸入端。
2.如權(quán)利要求1的多晶硅全自動(dòng)熔煉控制方法，其特征是該方法包括如下步驟: O設(shè)定中頻電源功率和多晶硅熔煉坩堝溫度； 2)采集中頻電源功率、多晶硅熔煉坩堝溫度信號(hào)； 3)在PLC中比較設(shè)定值和實(shí)際采集值偏差； 4)PLC控制中頻電源功率來(lái)修正設(shè)定值和實(shí)際采集值偏差。
【專利摘要】本發(fā)明是多晶硅全自動(dòng)熔煉控制系統(tǒng)及控制方法，其結(jié)構(gòu)包括可編程序控制器PLC、中頻電源功率分配板、多晶硅熔煉坩堝溫度裝置、數(shù)字顯示當(dāng)前功率和溫度裝置、傳感器、4-20MA電流信號(hào)發(fā)生器；優(yōu)點(diǎn)：采用中頻感應(yīng)爐熱電偶在坩堝壁上全程測(cè)溫加熱方式，與工藝有關(guān)的中頻電源功率、頻率，以及多晶硅的實(shí)時(shí)熔煉溫度都可以通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)可根據(jù)多晶硅的工藝要求，對(duì)這些參數(shù)經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)，輸出結(jié)果可精確控制多晶硅的各項(xiàng)性能指標(biāo)，使產(chǎn)品的廢品率大大降低；減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；提高生產(chǎn)效率；4）降低安全隱患。
【IPC分類】G05D23-22, G05B19-05
【公開(kāi)號(hào)】CN104570912
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410840440
【發(fā)明人】朱興發(fā), 李亞逸, 韓至成, 高玉龍, 朱偉, 陳睿
【申請(qǐng)人】朱興發(fā)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月30日