趙立華,任曉慶,楊曉靜,楊松濤
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所,北京100176)
半導(dǎo)體專用設(shè)備是為了滿足半導(dǎo)體制造工藝而開(kāi)發(fā)的專用設(shè)備,近些年在多個(gè)行業(yè)得到了快速發(fā)展。而其電氣控制柜作為設(shè)備的關(guān)鍵組成部分,其設(shè)計(jì)越來(lái)越重要,越來(lái)越需要向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化發(fā)展。
電氣控制柜是將高、低壓電氣元、部件或各種電氣、電子控制功能模塊及有關(guān)輔件集成到柜體中,以完成監(jiān)測(cè)、控制為主要功能作用的產(chǎn)品和系統(tǒng),通常具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能模塊劃分、布線合理、便于維護(hù)等特點(diǎn)。就半導(dǎo)體專用設(shè)備而言,手動(dòng)、半自動(dòng)設(shè)備的控制柜大多在設(shè)備內(nèi)部,而隨著設(shè)備自動(dòng)化程度的提高以及工業(yè)通信更加網(wǎng)絡(luò)化,設(shè)備專用電氣柜將越來(lái)越多,越來(lái)越專業(yè),對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要求更高、更具體。
電氣控制柜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)主要分為:柜體、顯示和控制部件及若干內(nèi)部電氣、電子功能部件。依據(jù)具體用途不同其類型也不同。有些是專業(yè)型的,比如,側(cè)重于電氣元件和低壓控制單元的開(kāi)關(guān)柜,側(cè)重于各種通信模塊的通信或網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜;有些是綜合型的,例如,半導(dǎo)體設(shè)備上安裝的控制柜等。在此,主要針對(duì)半導(dǎo)體專用設(shè)備電氣控制柜的設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。
控制柜設(shè)計(jì)的基本途徑和方法分為三步:首先根據(jù)半導(dǎo)體專用設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)組成以及控制方案,確定電氣控制柜的布局、結(jié)構(gòu)尺寸等;其次,進(jìn)行內(nèi)部電氣原理圖和接線圖的詳細(xì)設(shè)計(jì);最后,根據(jù)實(shí)際的裝配調(diào)試效果,經(jīng)過(guò)優(yōu)化、驗(yàn)證,從而滿足設(shè)備的控制與維護(hù)要求。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電氣控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制柜總體配置圖、總接線圖設(shè)計(jì)及各部分的裝配圖與接線圖設(shè)計(jì),同時(shí)還要有部分的元件目錄、進(jìn)出線號(hào)及主要材料清單等技術(shù)資料。
半導(dǎo)體專用設(shè)備中以低壓電氣控制柜為主,設(shè)計(jì)之前一定要了解系統(tǒng)配置、工作方式、環(huán)境、控制方式以及工藝要求等。另外,半導(dǎo)體專用設(shè)備屬于典型的機(jī)電一體化系統(tǒng),需要依據(jù)能量匹配、慣量匹配、信號(hào)一致性等基本原則,進(jìn)行機(jī)電一體化分析和設(shè)計(jì)。
設(shè)備的整機(jī)控制方案必須根據(jù)設(shè)備的功能需求、性能指標(biāo)以及性價(jià)比等因素進(jìn)行衡量,以電源模塊、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)單元、控制與顯示單元、I/O 單元與專用控制單元等多個(gè)模塊方案為基礎(chǔ)。詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí),還要考慮電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范性、電氣布局圖繪制合理性、控制柜結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)等細(xì)節(jié)。
3.1.1 整體結(jié)構(gòu)與配置設(shè)計(jì)
電氣控制柜根據(jù)設(shè)備的實(shí)際需要,分為專用控制柜和通用控制柜。隨著設(shè)備自動(dòng)化程度提高和設(shè)備模塊化的需要,通用電氣控制柜應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多,其基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先選用抽屜集中式控制柜。將整個(gè)控制柜均分為若干等份,各個(gè)抽屜即是相對(duì)獨(dú)立的控制箱,在箱內(nèi)安裝電氣控制元件和布線;把功能類似、接線關(guān)系密切以及需經(jīng)常調(diào)節(jié)、維護(hù)的元件組合在一起,這樣盡可能減少組件間的連線數(shù)量,同時(shí)也要讓強(qiáng)弱電控制器分離便于減少干擾;單元柜內(nèi)合理布局,為防對(duì)控制系統(tǒng)和其他電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾,主回路盡量要短,且采取可靠屏蔽措施??刂凭€路盡量簡(jiǎn)明,而且接線規(guī)范,標(biāo)志清楚。當(dāng)然,對(duì)設(shè)計(jì)的模塊化提出了更高的要求,必要時(shí)還要利用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析和優(yōu)化,便于在設(shè)計(jì)階段考慮后期的實(shí)施細(xì)節(jié)。
電氣控制柜總體配置設(shè)計(jì)是根據(jù)電氣原理圖的工作原理與控制要求,先將控制系統(tǒng)劃分為幾個(gè)組成部分,根據(jù)電氣控制柜的復(fù)雜程度,把每一部件劃成若干組件。然后,再根據(jù)電氣原理圖的接線關(guān)系整理出各部分的進(jìn)出線號(hào),并調(diào)整它們之間的連接方式。實(shí)踐中,根據(jù)設(shè)備具體需要,把電氣箱分為多個(gè)部分,要么集中放置在一個(gè)立體空間內(nèi),要么采取集中和分散相結(jié)合的方法,控制單元集中而驅(qū)動(dòng)終端分散在設(shè)備實(shí)際位置附近。
總體配置設(shè)計(jì)是以電氣系統(tǒng)的總裝配圖與總接線圖形式來(lái)表達(dá)的,圖中應(yīng)以示意形式反映出各部分主要組件的位置及各部分接線關(guān)系、走線方式及使用的行線槽、管線等??傮w設(shè)計(jì)要使整個(gè)電氣控制系統(tǒng)集中、緊湊,同時(shí)在空間允許條件下,把發(fā)熱元件,噪聲振動(dòng)大的電氣部件,盡量放在距離其它元件較遠(yuǎn)的地方或隔離起來(lái);
對(duì)于多工位的大型設(shè)備,還應(yīng)考慮兩地操作的方便性;控制柜的總電源開(kāi)關(guān)、緊急停止控制開(kāi)關(guān)應(yīng)安放在方便而明顯的位置??傮w配置設(shè)計(jì)得合理與否關(guān)系到電氣控制系統(tǒng)的制造、裝配質(zhì)量,更將影響到電氣控制系統(tǒng)性能的實(shí)現(xiàn)及其工作的可靠性、操作、調(diào)試和維護(hù)等工作的方便及質(zhì)量。
3.1.2 組件裝聯(lián)
針對(duì)自動(dòng)化程度較高、單元模塊比較多的設(shè)備,其電氣控制柜(箱)更多更復(fù)雜,組件之間連接顯得尤為重要,通常要注意以下幾個(gè)方面:
(1)開(kāi)關(guān)元件、控制板的進(jìn)出線一般采用接線端頭或接線鼻子連接,這可按電流大小及進(jìn)出線數(shù)選用不同規(guī)格的接線端頭或接線鼻子;
(2)電氣柜、控制柜、柜(臺(tái))之間以及它們與被控制設(shè)備之間,采用接線端子排或工業(yè)聯(lián)接器連接;
(3)弱電控制組件、印制電路板組件之間應(yīng)采用各種類型的標(biāo)準(zhǔn)接插件連接;電氣柜、控制柜、柜(臺(tái))內(nèi)的元件之間的連接,可以借用元件本身的接線端子直接連接,過(guò)渡連接線應(yīng)采用端子排過(guò)渡連接,端頭應(yīng)采用相應(yīng)規(guī)格的接線端子處理。
3.1.3 元件布置圖的設(shè)計(jì)與繪制
隨著半導(dǎo)體專用設(shè)備功能的復(fù)雜化和智能化,電氣元件的布置變得越來(lái)越重要,同時(shí)要注意和整機(jī)的機(jī)構(gòu)配合。電氣元件布置圖是某些元件按一定原則的組合,其設(shè)計(jì)依據(jù)是部件原理圖、組件的劃分情況等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:
(1)應(yīng)注意將體積大和較重的元件安裝在電器板的下面,而發(fā)熱元件應(yīng)安裝在電氣控制柜的上部或后部,便于接線并使走線最短,且宜于散熱;
(2)強(qiáng)電弱電分開(kāi)并注意屏蔽,防止干擾;
(3)需要經(jīng)常維護(hù)、檢修、調(diào)整的元件安裝位置不宜過(guò)高或過(guò)低;
(4)元件的布置應(yīng)考慮安全間隙,并做到整齊、美觀、對(duì)稱。由于半導(dǎo)體專用設(shè)備常采用行線槽配線方式,應(yīng)適當(dāng)加大各排間距,便于布線和維護(hù);
(5)在布置圖設(shè)計(jì)中,除了確定位置之外,還要選擇進(jìn)出線方式及接線端子排、連接器及接插件等,并按一定順序標(biāo)上進(jìn)出線的接線號(hào)。
3.1.4 部件接線圖的繪制
電氣部件接線圖是根據(jù)部件電氣原理及元件布置圖繪制的,它表示成套裝置的連接關(guān)系,是電氣安裝、維修、查線的依據(jù)。接線圖應(yīng)按以下原則繪制:
(1)接線圖、表的繪制應(yīng)符合GB/T6988.6-1993 中《控制系統(tǒng)功能表圖的繪制》之規(guī)定;
(2)所有電氣元件及其引線應(yīng)標(biāo)注與電氣原理圖中相一致的文字符號(hào)及接線號(hào)。原理圖中的項(xiàng)目代號(hào)、端子號(hào)及導(dǎo)線號(hào)的編制分別應(yīng)符合GB5094-2002 《電氣技術(shù)中的項(xiàng)目代號(hào)》、GB/T4026-2010《人機(jī)界面標(biāo)志標(biāo)識(shí)的基本和安全規(guī)則設(shè)備端子和導(dǎo)體終端的標(biāo)識(shí)》及GB4884-85《絕緣導(dǎo)線的標(biāo)記》等規(guī)定;
(3)電氣接線圖一律采用細(xì)線條繪制。走線方式分板前走線及板后走線兩種,一般采用板前走線,對(duì)于簡(jiǎn)單電氣控制部件,元件數(shù)量較少,接線關(guān)系又不復(fù)雜的,可直接畫(huà)出元件間的連線;對(duì)于復(fù)雜部件,元件數(shù)量多,接線較復(fù)雜的情況,一般是采用走線槽,只要在各元件上標(biāo)出接線號(hào),不必畫(huà)出各元件間連線;
(4)接線圖中應(yīng)標(biāo)出配線用的各種導(dǎo)線的型號(hào)、規(guī)格、截面積及顏色要求等。
另外,在裝配實(shí)踐中,電氣控制柜和設(shè)備整機(jī)的外圍連接也非常重要,是設(shè)備的可維護(hù)性、可靠性的必然要求。電氣組裝作業(yè)時(shí)要嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行,布線時(shí)盡量做到可靠、整潔、美觀。
當(dāng)方案設(shè)計(jì)完畢后,要考慮實(shí)際的布局和裝聯(lián)。涉及到的因素主要有:機(jī)柜的裝配與安裝、零部件及印制板上元器件的安裝、接線圖、導(dǎo)線和電纜選擇、配線工藝設(shè)計(jì)、導(dǎo)線加工及連接工藝等。如圖1所示為某專用設(shè)備的總體布局與接線圖,主要包括主電源電氣箱、設(shè)備單元電氣箱、工控機(jī)、UPS 電源、驅(qū)動(dòng)模塊以及主要的線槽等。
模塊布局設(shè)計(jì)屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。如另外一種成線配套的電池片印刷線的模塊布局如圖2、3、4 所示。
(1)強(qiáng)電電氣箱布局。主要有380 V 動(dòng)力電源、變壓器、繼電器以及保護(hù)元件等。
(2)弱電電氣箱布局。主要有I/O 板、輸入輸出模塊、TTL 信號(hào)模塊等。
(3)模塊(運(yùn)動(dòng)控制)布局主要有接口板、運(yùn)動(dòng)控制卡等。
圖1 總體布局與接線簡(jiǎn)圖
圖2 強(qiáng)電電氣箱
圖3 弱電電氣箱
圖4 運(yùn)動(dòng)控制布局
主要進(jìn)行電源部分電路設(shè)計(jì),電氣柜是元件的載體,也是這些電器元件最直接的保護(hù)層,好的電氣柜設(shè)計(jì)是保證電氣系統(tǒng)以致整個(gè)半導(dǎo)體專用設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件。國(guó)標(biāo)體系文件中對(duì)電氣柜,尤其是配電柜的設(shè)計(jì)有較明確的要求。另外,在設(shè)計(jì)電柜前,根據(jù)客戶供電形式選用合適的電源配置??刂齐娫磻?yīng)采用隔離變壓器,尤其是對(duì)于像激光光源等對(duì)電壓敏感型的專用裝置。開(kāi)關(guān)電源作為由電子電路器件組成的電源,體積小、對(duì)輸入電壓要求不是很高,通常應(yīng)用在半導(dǎo)體專用設(shè)備的直流控制電壓領(lǐng)域。電源部分,首選器件、線纜選型正確、整體空間配置合理,利用接線端子、線槽等合理配置,同時(shí)要標(biāo)識(shí)明確,不得遺漏,維護(hù)測(cè)試方便。
主要內(nèi)容包括,輸入輸出單元的控制,如傳感、氣動(dòng)、溫度/壓力控制單元等,分為模擬、數(shù)字兩種類型。 半導(dǎo)體專用設(shè)備中,經(jīng)常用到專用模塊和單元。比如儀器儀表類的專用電性能測(cè)試儀及接口板、超聲檢測(cè)單元、溫度控制單元以及氣體生成與壓力控制單元,還有特種光源等,比如激光光源。
控制回路和設(shè)備的外圍如驅(qū)動(dòng)和傳感、檢測(cè)裝置等緊密連接,在設(shè)計(jì)工作中出現(xiàn)問(wèn)題較多的是,中間過(guò)渡連接線懸空,有時(shí)還受到設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件的碰撞等,這些細(xì)節(jié)問(wèn)題需要在接線圖表達(dá)以及實(shí)際裝配過(guò)程中密切注意。否則,設(shè)備會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題,降低了設(shè)備的可靠性和可維修性。針對(duì)特殊單元還需要專門(mén)的控制模塊,同時(shí)防止互相干擾。
電氣控制裝置通常都需要制作單獨(dú)的電氣控制柜、箱,其設(shè)計(jì)需要考慮以下幾方面:
(1) 根據(jù)操作需要及控制面板、箱、柜內(nèi)各種電氣部件的尺寸確定電氣箱、柜的總體尺寸及結(jié)構(gòu)形式,非特殊情況下,應(yīng)使電氣控制柜總體尺寸符合結(jié)構(gòu)基本尺寸與系列;
(2) 根據(jù)電氣控制柜總體尺寸及結(jié)構(gòu)形式、安裝尺寸,設(shè)計(jì)箱內(nèi)安裝支架,并標(biāo)出安裝孔、安裝螺栓及接地螺栓尺寸,同時(shí)注明配作方式;
(3) 為利于控制柜箱內(nèi)電器的通風(fēng)散熱,在箱體適當(dāng)部位設(shè)計(jì)通風(fēng)孔或通風(fēng)槽,必要時(shí)應(yīng)在柜體上部設(shè)計(jì)強(qiáng)迫通風(fēng)裝置與通風(fēng)孔。通常在驅(qū)動(dòng)器安裝位置附近安裝通風(fēng)孔;
(4) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝、維修方便等要求,設(shè)計(jì)電氣控制柜的開(kāi)門(mén)方式及形式,在半導(dǎo)體專用設(shè)備中通常以內(nèi)置門(mén)把手為主。
3.5.1 防護(hù)
除了電磁兼容EMC 之外,電氣控制柜還有防護(hù)的要求??刂乒癫粌H是各種元器件集中的地方,也是這些電氣部件的保護(hù)層。按國(guó)家規(guī)定,電氣控制柜的防護(hù)等級(jí)要達(dá)到IP54 標(biāo)準(zhǔn),既要防護(hù)粉塵的有限進(jìn)入,還要防止水和其他液體以任何角度的噴灑。特別是對(duì)活動(dòng)部件的密封設(shè)計(jì),還要考慮電纜出線處的設(shè)計(jì)和密封。在電氣柜內(nèi)的布局上,要充分考慮各部件的質(zhì)量,避免電氣柜頭重腳輕,受力不平衡。
3.5.2 機(jī)械試驗(yàn)
雖然在我國(guó)國(guó)標(biāo)中沒(méi)有明確的半導(dǎo)體設(shè)備電氣控制柜的標(biāo)準(zhǔn),但是可以參考《GB/T 19183.5-2003 電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu) 戶外機(jī)殼》中第3 部分的機(jī)械試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析。
機(jī)械試驗(yàn)的目的是確保機(jī)柜和箱體經(jīng)受操作、貯存、運(yùn)輸和安裝中的機(jī)械應(yīng)力。相關(guān)的試驗(yàn)方法如表1所示。
以某型印刷機(jī)設(shè)備為例,電氣控制柜置于設(shè)備外部右側(cè),豎直布局,經(jīng)過(guò)專用振動(dòng)臺(tái)的沖擊1/2 正弦波振動(dòng)試驗(yàn)后,不應(yīng)出現(xiàn)影響形狀、配合和功能的變形或損壞,電氣柜外殼及內(nèi)部零件不應(yīng)出現(xiàn)松動(dòng)、裂開(kāi)、變形等情況;同時(shí)有些特殊機(jī)構(gòu)比如印刷頭的印刷刮板,上下運(yùn)行時(shí)的往復(fù)作用力對(duì)反饋裝置和電機(jī)電源電纜有一定的影響,維護(hù)時(shí)需要注意。
當(dāng)前電氣控制柜的人機(jī)工程設(shè)計(jì)進(jìn)人全面、廣義的人——機(jī)——環(huán)境整體協(xié)調(diào)與優(yōu)化階段。在國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)很多專業(yè)化的工業(yè)設(shè)計(jì)公司,半導(dǎo)體專用設(shè)備研發(fā)企業(yè)可以考慮進(jìn)行外包。除了設(shè)備的功能之外,下面從造型設(shè)計(jì)、比例尺度設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行論述。
產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)依據(jù)人機(jī)工程學(xué)觀點(diǎn),確定人和機(jī)器之間最適宜的相互作用方式和方法,對(duì)電氣柜進(jìn)行材料、構(gòu)造、加工方法、功能型、合理性、經(jīng)濟(jì)性、審美性的全面推敲與設(shè)計(jì),同時(shí)注意與設(shè)備工程技術(shù)設(shè)計(jì)始終同步、交叉、相互參與的設(shè)計(jì)。
表1 振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)
造型的比例尺度是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽視的問(wèn)題,應(yīng)根據(jù)影響組合的各方面因素做出合理的安排與協(xié)調(diào),體現(xiàn)出均衡、穩(wěn)定、和諧的美學(xué)關(guān)系。造型常用的幾種比例關(guān)系有均方根比例、黃金分割比例和模度理論三種。
戶外機(jī)柜的尺寸以以下計(jì)算式為基礎(chǔ):
H=H1+175+n×400
式中:H 為外形高度;H1為框口高度。
W=W1+165+n×600
式中:W 為外形寬度;W1為框口寬度。
D=[D-(D1+D2)]+100+n×300
式中:D 為外形深度;D1、D2為框口深度的相關(guān)尺寸。
以上公式的說(shuō)明:所有尺寸以毫米為單位。而戶外箱體的尺寸中,高度H 和深度D 的公式都一樣,而W=W1+165+n×300。
下面給出了400 mm 深度的箱體尺寸。
綜上所述,參考《GB/T 19183.3-2003 電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)戶外機(jī)殼》中第2-1、2-2 中的機(jī)柜和箱體尺寸說(shuō)明,半導(dǎo)體專用設(shè)備電氣控制柜可以借鑒。
將色彩作為一個(gè)很重要的考慮因素,機(jī)電產(chǎn)品的色彩既要美觀、大方、和諧,又要能表現(xiàn)產(chǎn)品的功能要求和形態(tài)特征,通常從色彩的色相、明度和純度三要素出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)和殼體的表面處理相結(jié)合。
表2 深度為400 mm 的戶外箱體mm
如今,國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體專用設(shè)備的電氣控制柜有比較明顯的進(jìn)步,無(wú)論在設(shè)計(jì)還是材料等方面都有很大的改善,元器件和部件也有很大的改觀;針對(duì)功能較多、長(zhǎng)度較大的設(shè)備功能模塊劃分更加合理,網(wǎng)絡(luò)化智能化手段的逐步使用,也為人機(jī)工程設(shè)計(jì)提供了方便;隨著標(biāo)準(zhǔn)化、一體化、智能化等方面的發(fā)展,人機(jī)工程設(shè)計(jì)也在不斷變化和發(fā)展。
設(shè)備的人機(jī)工程設(shè)計(jì)是個(gè)漸進(jìn)優(yōu)化的過(guò)程,比如某種絲網(wǎng)印刷生產(chǎn)線設(shè)備,經(jīng)過(guò)幾個(gè)型號(hào)的改進(jìn),在操作面板設(shè)置、按鈕布局、顏色與比例等的不斷優(yōu)化,如圖5所示主要電氣箱在頂層布局,主電源模塊在設(shè)備底部,驅(qū)動(dòng)模塊在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的附近,作為獨(dú)立的電氣箱以及工控機(jī)、操作面板等。
圖5 整體電氣箱
一個(gè)質(zhì)量較高的半導(dǎo)體專用設(shè)備的電氣控制柜,從設(shè)計(jì)、工藝、制作、制造到運(yùn)輸與包裝,要求各個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量保障,才能做出較高質(zhì)量和水平的控制柜。本文系統(tǒng)化的分析研究,對(duì)于推動(dòng)半導(dǎo)體專用設(shè)備控制柜的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化研制具有重要意義。
[1]任清晨.電氣控制柜設(shè)計(jì)制作- 結(jié)構(gòu)與工藝篇[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.
[2]王志新,羅文廣.電機(jī)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.
[3]趙鵬睿.電氣控制柜的人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)[D].北京:華北電力大學(xué),2013.