多晶硅全自动熔炼控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是多晶硅全自动熔炼控制系统及控制方法，属于高新技术材料熔炼技术领域。
【背景技术】
[0002]现有的多晶硅熔炼控制大多都是开环式控制方式，即完全靠人工操作。由于多晶硅材料熔炼周期长，完全靠人工操作中频电源，人力劳动强度太大；完全靠人工操作时，控制精度不高，无法完全保证产品质量。
【发明内容】
[0003]本发明提出的是多晶硅全自动熔炼控制系统及控制方法，其目的旨在克服现有技术存在的上述缺陷，实现功率、温度闭环配方模式全自动熔炼控制。
[0004]本发明的技术解决方案:多晶硅全自动熔炼控制系统，其结构包括可编程序控制器PLC、中频电源功率分配板、多晶硅熔炼坩埚温度装置、数字显示当前功率和温度装置、传感器、4-20MA电流信号发生器；其中可编程序控制器PLC的第一信号输出端通过中频电源功率分配板连接多晶硅熔炼坩埚温度装置的信号输入端，可编程序控制器PLC的第二信号输出端连接数字显示当前功率和温度装置的信号输入端，中频电源功率、多晶硅熔炼坩埚温度装置的信号输出端通过传感器接入4-20MA电流信号发生器，4-20MA电流信号发生器的信号输出端接入可编程序控制器PLC的信号输入端。
[0005]多晶硅全自动熔炼控制方法:通过闭环控制中频电源的功率和多晶硅熔炼坩埚温度来达到多晶硅熔炼工艺的高精度控制要求。
[0006]本发明的优点:
I)产品废品率低。与其他炉种熔炼控制相比，本系统采用中频感应炉热电偶在坩埚壁上全程测温加热方式，与工艺有关的中频电源功率、频率，以及多晶硅的实时熔炼温度都可以通过传感器转换成数字信号传送给PLC系统，PLC系统可根据多晶硅的工艺要求，对这些参数经过PID调节，输出结果可精确控制多晶硅的各项性能指标，使产品的废品率大大降低。
[0007]2)减轻劳动强度。本套系统从加料开始一直到出料，整条生产过程都是全自动化控制；满足多晶硅熔炼工艺性能参数存于PLC中，形成一套完善的数据库系统。实际生产时，操作者只需从WINCC人机接口界面上选择相应的工艺配方，PLC即会根据所选配方，调用相应的预存控制参数，设置阶段功率、时间、温度，并以坩埚上热电偶全程所测的温度作为闭环反馈信息，结合工艺要求，自动调节中频电源输出功率。从而大大地减轻了操作人员的劳动强度。
[0008]此外生产过程中，各主要参数都可在上位机画面中以棒图、曲线、表格等多种形式显示，并以Excel表格形式保存于上位机硬盘中，可随时进行打印、复制。无须操作者动笔记录，实现了 “无纸化”操作，减轻劳动强度。
[0009]3)提高生产效率。多晶硅熔炼周期长，控制精度要求高，使人为操作时不能完全控制所需工艺要求内，致使多晶硅的熔炼在国内外成功率不高，在加入PLC全自动的配方模式控制条件下，可以使每炉的熔炼按照最完美的工艺要求熔炼，大大提高了多晶硅熔炼的成材率。
[0010]4)降低安全隐患。控制系统对生产过程中的一些安全隐患因素:进水压力、回水温度、中频电源情况、坩埚温度等都进行了检测，一旦出现异常情况，立刻进行声、色、光三种方式报警，及时提醒现场操作人员排除故障，从而降低安全隐患。
【附图说明】
[0011]附图1是多晶硅全自动熔炼控制系统的原理图。
【具体实施方式】
[0012]对照图1，多晶硅全自动熔炼控制系统，其结构包括可编程序控制器PLC、中频电源功率分配板、多晶硅熔炼坩埚温度装置、数字显示当前功率和温度装置、传感器、4-20MA电流信号发生器；其中可编程序控制器PLC的第一信号输出端通过中频电源功率分配板连接多晶硅熔炼坩埚温度装置的信号输入端，可编程序控制器PLC的第二信号输出端连接数字显示当前功率和温度装置的信号输入端，中频电源功率、多晶硅熔炼坩埚温度装置的信号输出端通过传感器接入4-20MA电流信号发生器,4-20MA电流信号发生器的信号输出端接入可编程序控制器PLC的信号输入端。
[0013]所述的中频电源功率、多晶硅熔炼坩埚温度装置的结构组成部件以及工作原理如下:中频电源功率即多晶硅熔炼炉功率，即多晶硅熔炼炉电流电压相乘得到，恒功率中频电源的工作原理为:采用三相桥式全控整流电路将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成一定频率(一般为1000至8000Hz)的单相中频电流。负载由感应线圈和补偿电容器组成，连接成并联谐振电路；多晶硅测温装置采用B型热电偶，B型热电偶又叫贵金属热电偶，它作为温度测量传感器，通常与温度变送器、调节器及显示仪表等配套使用，组成过程控制系统，用以直接测量或控制各种生产过程中0-1800°C范围内的流体、蒸汽和气体介质以及固体表面等温度。钼铑热电偶是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存在有温差时，显示仪表将会批示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。钼铑热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关、与热电极的长度、直径无关。各种钼铑热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要成分组成。所述的中频电源功率分配板，结构组成部件以及工作原理如下:
1.整个控制电路除逆变末级触发电路板外，做成一块印刷电路板结构，从功能上分为整流触发部分、调节器部分、逆变部分、启动演算部分:
I)整流触发工作原理这部分电路包括三相同步、数字触发、末级驱动等电路。触发部分采用的是数字触发，具有可靠性高、精度高、调试容易等特点。数字触发器的特征是用计(时钟脉冲)数的办法来实现移相，该数字触发器的时钟脉冲振荡器是一种电压控制振荡器，输出脉冲频率受移相控制电压Uk的控制，Uk降低，则振荡频率升高，而计数器的计数值是固定的(256)，计数器脉冲频率高，意味着计一定脉冲数所需时间短，也即延时时间短，α角小，反之α角大。计数器开始计数时刻同样受同步信号控制，在α=0时开始计数。现假设在某Uk值时，根据压控振荡器的控制电压与频率间的关系确定输出振荡频率为25ΚΗΖ，则在计数到256个脉冲所需的时间为(1/25000) X 256=10.2 (ms)相当于约180°电角度，该触发器的计数清零脉冲在同步电压。
[0014]所述的4-20MA电流信号发生器，即西门子S7-300PLC的模拟量输出模块。
[0015]所述的数字显示当前功率和温度装置，结构组成部件以及工作原理如下:
本控制系统当前功率和温度由安装了 WINCC6.2软件的工控机电脑数字显示。WinCC是SIMATIC PCS 7过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件。
[0016]所述的传感器型号:CE-1Z06-43ES3-1.0 (电流传感器);CE-VJ03-43MS2_0.5 (电压传感器)；WRR-131B型(热电偶)。
[0017]所述的PLC的型号:S7_300系列。
[0018]所述可编程序控制器PLC _号:S7-300系列)，为了确保质量与控制精度，PLC选用西门子公司的S7-300系列。该系列PLC不但运算速度快，精度高，而且具有丰富的程序控制指令，可以确保控制系统有效完成机组所有过程控制任务和调速定位功能。
[0019]PLC的CPU模块选用317-2DP，它同时具有MPI 口与DP 口，能满足多种形式通讯的要求。
[0020]工作时，
以PLC控制中心为枢纽，用传感器取中频电源的功率以及多晶硅坩埚壁的温度信号接进PLC控制中心，PLC输出4-20MA电流信号控制中频电源功率做到多晶硅中频感应功率、温度闭环配方模式全自动熔炼控制。
[0021]多晶硅全自动熔炼控制系统，最终目标是将多晶硅熔炼工艺做到全程功率、温度闭环，全程工艺配方自动模式的全自动熔炼生产线。实现按工艺要求设定的程序拍节，有节奏的联线自动工作，它与机组所有参与自动生产的设备都有联系，确保设备按工艺要求协作动作，生产出合格的产品。
[0022]全自动配方熔炼时，在电脑WINCC画面按照工艺要求设定好各阶段的温度、功率、时间，也可以调用以调用以前成熟配方，如果对本炉熔炼结果满意，也可以把改配方存储到资源管理器中以备以后调用。现场操作人员按配方模式启动按钮，系统按照工人预先设定好的工艺全程自动烘炉，在全自动配方熔炼程中也可以人为干预，烘炉结束前5分钟系统会自动声光报警提醒现场操作人员，如果现场操作人员无疑义，5分钟后会自动结束全自动配方熔炼。而且在该界面可以看到炉子的电流、电压、功率、能耗、时间等相关数据。
【主权项】
1.多晶硅全自动熔炼控制系统，其特征是包括可编程序控制器PLC、中频电源功率分配板、多晶硅熔炼坩埚温度装置、数字显示当前功率和温度装置、传感器、4-20MA电流信号发生器；其中可编程序控制器PLC的第一信号输出端通过中频电源功率分配板连接多晶硅熔炼坩埚温度装置的信号输入端，可编程序控制器PLC的第二信号输出端连接数字显示当前功率和温度装置的信号输入端，中频电源功率、多晶硅熔炼坩埚温度装置的信号输出端通过传感器接入4-20MA电流信号发生器，4-20MA电流信号发生器的信号输出端接入可编程序控制器PLC的信号输入端。
2.如权利要求1的多晶硅全自动熔炼控制方法，其特征是该方法包括如下步骤: O设定中频电源功率和多晶硅熔炼坩埚温度； 2)采集中频电源功率、多晶硅熔炼坩埚温度信号； 3)在PLC中比较设定值和实际采集值偏差； 4)PLC控制中频电源功率来修正设定值和实际采集值偏差。
【专利摘要】本发明是多晶硅全自动熔炼控制系统及控制方法，其结构包括可编程序控制器PLC、中频电源功率分配板、多晶硅熔炼坩埚温度装置、数字显示当前功率和温度装置、传感器、4-20MA电流信号发生器；优点：采用中频感应炉热电偶在坩埚壁上全程测温加热方式，与工艺有关的中频电源功率、频率，以及多晶硅的实时熔炼温度都可以通过传感器转换成数字信号传送给PLC系统，PLC系统可根据多晶硅的工艺要求，对这些参数经过PID调节，输出结果可精确控制多晶硅的各项性能指标，使产品的废品率大大降低；减轻劳动强度；提高生产效率；4）降低安全隐患。
【IPC分类】G05D23-22, G05B19-05
【公开号】CN104570912
【申请号】CN201410840440
【发明人】朱兴发, 李亚逸, 韩至成, 高玉龙, 朱伟, 陈睿
【申请人】朱兴发
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月30日