球形硅微粉生产线自动化系统

0 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 W INCC 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。
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 P I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化, 生产过程中不需人工干预, 极大地提高了工厂的生 产效率并节约了大量的人力成本。另外 , 系统预留 了扩展接口 , 在需要的情况下可 以接入互联网 , 以方便进行远程 管理及 远程数 据分析 处理 等工 作。
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。
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
( Colleg e of Eng & T ech und erH uazhong Ag ricul tura l Un iv ersity, H ubei W uhan 430070, C hina )
Abstract : T his paper g iv es an in troduction about an autom atic process contro l system fo r use w ith a spherica l S i O2 powder product io n line w ith a capac ity of one k iloton per year . T he system perform its cont erol function based on the Siem ens W I NCC and S7- 300 PLC along w ith the system hardw are , contro l m odules , m an m achine in terface, etc . K ey w ords: spherical SiO2 powder ; S iem ens PLC; autom at io n
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
收稿日期 : 2007- 10- 09 作者简介 : 胡月来 , 研究方向为自动化技术及应用。
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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 Leabharlann Baidu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。
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 1 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. 8 MP a ; 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
参考文献 : [ 1] 廖 常初 . S7 - 300 /400PLC 应用 技术 [M ]. 北 京 : 机械 工业 出版 社 , 2005. [ 2] 苏昆哲 . 深入浅出西门子 W inCC V 6[M ] . 北京 : 北 京航 空航 天大 学出版社 , 2004.
图 3 工艺设备运行状态
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 4~ 20 mA 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 P I D 调节控制。 ( 4)炉内温度控制 煅烧后的物料温度在 1 000 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 P I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 P I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 P I 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 P I 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
图 2 硬件设计方案
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
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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。 ( 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 P I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。
A n autom atic process con trol system designed for a sph erical SiO 2 powder p roduction line
HU Y ue la , i GAO Yun , L IANG X iu y ing , HUANG H an y ing
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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 W I NCC 及 S7- 300 PLC 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- 03
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、 PS307 10 A 电源模块 1 块、 S M 321( 32 点 ) 数字量输入模块 2 块、 S M 322( 32 点 ) 数字量输出模 块 1 块、S M 331 ( 8 通道 ) 模 拟 量输 入 模块 11 块、 SM 332( 8 通道 )模拟量输出模块 6 块、 ET200 M 接口 模块 2 块等。系统的硬件设计方案如图 2 所示。