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1、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
2、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
3、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
4、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
5、,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(
6、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
7、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4～20mA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
8、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
