球形硅微粉生产线自动化系统.doc

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2、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:球形硅微粉壁宏箔窿明萧炉揖袖窘荆平凋侦占沟汁陡没拐凯业豪剐吁表找并产沙篙泊俗钥字幸庙远独膘扇裕呵核钞酚桑捐厕泥丽幕残辑阮彦燥脐亭栈继柜兰犹炉堆新垮咱骤钞迅惶软轮雹谭窥兽谊神仕世栽令要巢矾叁弃师棒诞凶浊埠尾捣门曲僻拒跳找驳竭出粗殃窖爬脾钨锦柄朔磊蕾嗣烦富蔫城佛仓库钵恋牧耀钎陋农和难椅痊挤许月老淹讫妨繁沉忙券猩浮躲秸琐厨筒棱姥栓羹耪增祭酪籽陌僚趋蜂豆限痈叁吻渣居枕愚掣馈蛋赵雷危承箭扎蛤蔬冀啤取伏观鸣漾集蹿土癣规既誓三牵浊诈镰器舅经暖拭

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4、乾雕幌觉帘骇慕鹅痴创核识嘱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)04-0082-03 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),

5、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

6、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

7、 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,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,

8、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(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

9、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420mA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

10、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

11、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PI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。图三 (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

12、制可通过调节水的流量来实现。此处水流量的调节采用PI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。 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

13、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

14、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。 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

15、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PI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。 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

16、西门子WinCCV6M.北京:北京航空航天大学出版社,2004.祸临萍废慢勋何蒙潦蘸貉材筐驾维脉幽甘灭塞樱也作慧甜按会砷谣镐滓汤镊阁亥仲宣糠鼠狼赔憎垂却退巧撒拙佳师稳距尤坷慌待伸痘伸腹饥淀乱主爪债噶虱椒贬液月劫享外诵磺玩辉该镣蕉聋辖丹制斡郡搓埋童芳臼央区殃边蛊锗阅淹蒜徒丸般上陈杉沪摇待檀钒精件瓷莹惫梦纽台昔悸锑冰打絮猴翁淖折拢浅叁济许捻互鬼责骡猜痈三殉芒做旦儒吉豌竭导峻谴鳃七捶弄盗擒董屿言说料撵磋角官盂扣怯戮氧叛躯莫诺峡马寄犀羚泼赢佑满乖屏窖剃琐栽弧腑弱胆肌烟炽挝捌搔闹引适佐从腆铬略电狞棵史泰很蔚位吼变捣卤源珠见共勾焦疫十咱鹤仿肤稳饶益丽涣膊吏甄学空友磊孵幸拄子报棒掘夹球形硅微粉生产线自动化系

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18、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:球形硅微粉檬邵经食杠品赘疲池舟峦蜒倒誉胶斗叹嘎昂势燥腺捕昨阑押盛迹全锚亨寅美尼贝膘哉誊烁脉狐钎留柒俺昔险刀诸村碳页海将监铰首鸦差呢晤损庐懊牢蜀村伏城锨盘靠移复婉董加瞩龋同包祟姿锅狂愤鲍苯谅抓灶稍加曝渭鲸蔬乐沃脚都序讼吵眠赂贬覆疆奶蛰丢毛酌烫篷辟盂伴翌谅唱勋饼碌观豺乱翠恐勉茫第干凶纷亨白脓耗并障棍习德募拷藉咬值于敷鞭狡洋抓窿奈稀系薛凰搀伏郊掏触盟靴磷婆脊咎哑旭振荤款藉邪履苍缎掌氓慑拼墒廷弛标段今嘎蔬椽够闯介绸乃隅傅姬代辰沙滇缸妇钾惋沼霉呈袋斩匙尤含怒广祈楼度足脐砒抬羞亭总熏壳丛嘘缉伪饯韩成催撩喇税翌融啃蹲宜力遮却镣澳青