摘 要：超純水是工業(yè)生產(chǎn)上的重要用水，對其水質(zhì)和水量有著嚴(yán)格的要求。通過采用西門子PLC和WINCC，作為超純水生產(chǎn)裝置的控制系統(tǒng)，大大提高了整套設(shè)備的自動(dòng)化控制水平，減少了故障的發(fā)生，為產(chǎn)出高品質(zhì)的超純水提供了有力的保障。

關(guān)鍵詞：西門子；PLC；WINCC；EDI；超純水；上位機(jī)；下位機(jī)；控制系統(tǒng)

1.引言

超純水是導(dǎo)電介質(zhì)、膠體物質(zhì)、有機(jī)物等含量極低的水，它是多晶硅后處理工段的重要用水，主要用于硅塊和硅芯產(chǎn)品的清洗，以及生產(chǎn)過程中還原爐鐘罩的日常清洗，其水質(zhì)直接影響著硅產(chǎn)品的質(zhì)量。為滿足工藝對超純水的高要求，整套控制系統(tǒng)必須具備穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、故障率低、易于開發(fā)等要求。為滿足以上要求，本系統(tǒng)采用西門子PLC和Wincc方案，利用其軟件易于編程組態(tài)、硬件可靠性高、通信擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于整套超純水的控制系統(tǒng)。

2.工藝流程

主要工藝流程包括EDI系統(tǒng)和超純水系統(tǒng)。EDI裝置是將離子交換樹脂充夾在陰/陽離子交換膜之間形成EDI單元。EDI組件中將一定數(shù)量的EDI單元間用網(wǎng)狀物隔開，形成濃水室。且又在單元組兩端設(shè)置陰/陽電極。在直流電的推動(dòng)作用下，通過淡水室水流中的陰陽離子分別穿過陰陽離子交換膜進(jìn)入到濃水室而在淡水室中去除。超純水系統(tǒng)主要由脫氣膜、拋光陰床、過濾器等組成。脫氣膜裝置采用真空加吹高純氮?dú)獾慕M合模式可有效降低水中溶解氣體的含量（主要為溶解氧和CO2）。拋光陰床內(nèi)裝填超純水專用UPW級(jí)拋光陰樹脂（主要用于除水中的硼元素），經(jīng)過拋光樹脂處理后的水中硼元素的含量可接近ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求， 基本滿足終端水質(zhì)對硼的要求。

詳細(xì)工藝流程如圖1所示：

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式為：下位機(jī)采用PLC控制系統(tǒng)，上位機(jī)采用WINCC [1]組態(tài)軟件。PLC產(chǎn)品選用德國SIEMENS 公司的S7-300系列PLC [2]，根據(jù)工藝運(yùn)行要求，實(shí)現(xiàn)單體設(shè)備的自動(dòng)啟停；EDI裝置的啟停、保護(hù)、沖洗等控制；水泵與水箱液位的聯(lián)鎖控制；顯示反滲透裝置的運(yùn)行信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超純水系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行。上位機(jī)采用德國SIEMENS 公司的WINCC7.0，主要用于監(jiān)控超純水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，對超純水系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行全自動(dòng)運(yùn)行或軟手操干預(yù)設(shè)置。SIEMENS PLC通過以太網(wǎng)通訊模塊和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，與中央監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行TCP/IP協(xié)議通訊 [3]，可以方便實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備管理控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

整套控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要涉及下位機(jī)PLC程序的設(shè)計(jì)和上位機(jī)WINCC監(jiān)控畫面的組態(tài)；

1）上位機(jī)WINCC監(jiān)控畫面分別由 ‘系統(tǒng)登錄、‘EDI系統(tǒng)、‘超純水、‘?dāng)?shù)據(jù)趨勢、‘報(bào)警記錄、‘報(bào)表界面等6個(gè)畫面構(gòu)成?！到y(tǒng)登錄畫面用于實(shí)現(xiàn)‘用戶登錄、‘用戶注銷、‘進(jìn)入系統(tǒng)、‘退出系統(tǒng)功能；‘EDI系統(tǒng)畫面用于顯示EDI部分的工藝流程圖，泵和閥門的狀態(tài)，工藝參量的數(shù)值等，并能通過點(diǎn)擊泵或閥門的圖標(biāo)，彈出相應(yīng)的控制菜單，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停功能；‘超純水畫面用于顯示超純水部分的工藝流程圖，其它功能與‘EDI系統(tǒng)類似；‘報(bào)警記錄畫面用于顯示所有報(bào)警數(shù)據(jù)以及報(bào)警的歷史記錄；‘報(bào)表界面畫面用于顯示用戶設(shè)定時(shí)間段的模擬量參數(shù)的歷史報(bào)表；‘?dāng)?shù)據(jù)趨勢畫面用于顯示所有模擬量參數(shù)的歷史趨勢數(shù)據(jù)。

2）下位機(jī)PLC程序主要針對EDI和超純水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。EDI系統(tǒng)主要包含回水閥、進(jìn)水閥、冷凍水電磁閥、供水泵、整流器等設(shè)備，各設(shè)備的啟停邏輯需按規(guī)定步序進(jìn)行編寫，詳細(xì)步序如圖3所示：

同時(shí)純水箱液位對其進(jìn)行聯(lián)鎖控制：液位<1M時(shí)，開啟純水箱進(jìn)水閥；液位>3.5M時(shí)，關(guān)閉純水箱進(jìn)水閥；液位>1.5M時(shí)EDI自動(dòng)按步序啟動(dòng)；液位<0.5M時(shí)EDI自動(dòng)按步序停機(jī)；為保證水質(zhì)要求，當(dāng)EDI極水或濃水流量低報(bào)警時(shí)會(huì)自動(dòng)停止整流器，進(jìn)而停止EDI系統(tǒng)，需對其進(jìn)行化學(xué)清洗操作。

超純水系統(tǒng)主要包含蒸汽閥、冷凍水閥、殺菌UV、純水泵、真空泵等設(shè)備，各設(shè)備的啟停邏輯需按規(guī)定步序進(jìn)行編寫，詳細(xì)步序如圖4所示：

同時(shí)超純水箱液位對其進(jìn)行聯(lián)鎖控制：液位<1.5M時(shí)，開啟超純水箱進(jìn)水閥，關(guān)閉純水箱回水閥；液位>3.5M時(shí)，開啟超純水箱回水閥，關(guān)閉超純水箱進(jìn)水閥；液位>1.6M時(shí)，超純水自動(dòng)按步序啟動(dòng)；超純水箱液位<0.5M時(shí)，超純水自動(dòng)按步序停機(jī)。

EDI供水泵和超純水泵采用PID [4]控制，通過控制變頻器頻率，使終端壓力值與設(shè)定值接近，控制出水量?？紤]到整個(gè)供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在PLC程序中設(shè)定了0.1bar的死區(qū)，即壓力差值在0.1bar范圍內(nèi)時(shí)，頻率不會(huì)去調(diào)節(jié)。

5、結(jié)論

超純水控制系統(tǒng)采用西門子PLC和WINCC方案，自動(dòng)化程度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，大大節(jié)省了人力成本及維護(hù)成本。終端產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到其它工段生產(chǎn)要求。并且，水利用率高，最大程度實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)電。經(jīng)過多年的運(yùn)行，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為保證多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量，提供了有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]SIMATIC HMI WinCC V7.0 SP1 組態(tài)手冊.

[2] 西門子S7-300/400PLC用戶手冊

[3] 深入淺出西門子S7-300PLC劉鍇

[4] 西門子S7-300/400PLC編程軟件使用手冊

作者簡介：

趙繼彬、19861210、男、漢、籍貫（精確到市）：河南省焦作市、當(dāng)前職稱：工程、學(xué)歷：本科、研究方向：電氣自動(dòng)化