專利名稱：多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及利用該系統(tǒng)對多晶硅鑄錠爐的控制方法。
背景技術(shù)：
鑄錠爐是專為太陽能工業(yè)設(shè)計(jì)的專用設(shè)備，多晶硅鑄錠爐主要用于太陽能級多晶硅錠的大生產(chǎn)，它采用先進(jìn)的多晶硅定向凝固技術(shù)，將硅料高溫熔融后通過特殊工藝定向冷凝結(jié)晶，從而達(dá)到太陽能電池生產(chǎn)用多晶硅品質(zhì)的要求，是一種適用于長時(shí)間連續(xù)工作， 精度、可靠性、自動(dòng)化程度都比較高的智能化大生產(chǎn)設(shè)備。現(xiàn)有的設(shè)備能自動(dòng)或手動(dòng)完成鑄錠過程，高效節(jié)能，運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定向凝固，生產(chǎn)的多晶硅硅錠質(zhì)量高，規(guī)格大。該型設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量高；加熱速度快，效率高；安全可靠，多重設(shè)備防護(hù)，保障人身安全；全中文操作，全程自動(dòng)報(bào)警，省時(shí)省力。但是現(xiàn)有技術(shù)還存在不足各個(gè)階段的溫度及功率控制不合理，造成能耗的增加； 軟硬件結(jié)合不合理，造成配置復(fù)雜，提高了設(shè)備成本；軟件不夠人性化，設(shè)置及輸出還不能滿足各種不同的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐在工作過程中，由于整體自動(dòng)化集成程度不高，各個(gè)階段的溫度及功率控制不合理，造成能耗的增加；軟硬件結(jié)合不合理，造成配置復(fù)雜，提高了設(shè)備成本；軟件不夠人性化的問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述系統(tǒng)對多晶硅鑄錠爐的控制方法。本發(fā)明所米用的技術(shù)方案是，一種多晶娃鑄錠爐控制系統(tǒng)，包括一套WINCC系統(tǒng)， WINCC系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與PLC機(jī)連接，PLC機(jī)通過線長總線與可移動(dòng)觸摸操作屏連接，PLC 機(jī)還與多晶硅鑄錠爐的控制柜連接。該P(yáng)LC機(jī)與模擬量輸入模塊連接，模擬量輸入模塊同時(shí)與設(shè)置在鑄錠爐內(nèi)的熱電偶和紅外測溫儀連接，PLC機(jī)通過PID控制器與模擬量輸出模塊連接，模擬量輸出模塊輸出端與可控硅調(diào)功器連接，可控硅調(diào)功器與變壓器輸入端連接， 變壓器輸出端與鑄錠爐內(nèi)的加熱器連接。本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種利用上述的系統(tǒng)對多晶硅鑄錠爐的控制方法，所述的模擬量輸入模塊將紅外測溫儀及熱電偶的實(shí)際測量值讀入PLC機(jī)，然后將設(shè)定值與實(shí)際測量值經(jīng)由PID控制器運(yùn)算后得出需要調(diào)整的控制量，經(jīng)過模擬量輸出模塊輸出到可控硅調(diào)功器，控制可控硅調(diào)功器的輸出量，此輸出量施加到變壓器的初級，降壓后由次級輸出0-35VAC的控制電壓，最后通過加熱器完成加熱過程。本發(fā)明的有益效果是，能耗顯著降低，設(shè)備成本明顯減小，功能更加多樣。


圖I是本發(fā)明多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖中，I. WINCC系統(tǒng)，2.以太網(wǎng)，3. PLC機(jī)，4.線長總線，5.可移動(dòng)觸摸操作屏。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1，本發(fā)明多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是包括一套WINCC系統(tǒng)1， WINCC系統(tǒng)I通過以太網(wǎng)2與PLC機(jī)3連接，PLC機(jī)3通過線長總線4與可移動(dòng)觸摸操作屏 5連接，PLC機(jī)3還與多晶硅鑄錠爐的控制柜連接。該P(yáng)LC機(jī)3與模擬量輸入模塊連接，模擬量輸入模塊同時(shí)與設(shè)置在鑄錠爐內(nèi)的熱電偶和紅外測溫儀連接，PLC機(jī)3通過PID控制器與模擬量輸出模塊連接，模擬量輸出模塊輸出端與可控娃調(diào)功器連接，可控娃調(diào)功器與變壓器輸入端連接，變壓器輸出端與鑄錠爐內(nèi)的加熱器連接；PLC機(jī)3與壓力控制部分中的電磁閥和鑄錠爐內(nèi)的壓力傳感器連接，實(shí)現(xiàn)壓力控制；PLC機(jī)3與設(shè)置在鑄錠爐氬氣輸入管路上的MFC連接，實(shí)現(xiàn)氬氣流量控制。本發(fā)明的主要執(zhí)行元件位于控制柜內(nèi)，采用西門子的S7315-2PN/DP型的PLC機(jī)進(jìn)行控制。程序參數(shù)和報(bào)警以及趨勢圖報(bào)表等位于上位的人機(jī)界面軟件中。可移動(dòng)觸摸操作屏5采用0P177型。PLC機(jī)內(nèi)預(yù)置有軟件，主要包括Eplan繪圖軟件，St印7軟件和WinCC系統(tǒng)人機(jī)界面系統(tǒng)。PLC機(jī)系統(tǒng)包括315-2PN/DP PLC、32DI、32D0、8AI互相連接組成。柜內(nèi)的狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)柜內(nèi)的PLC機(jī)，現(xiàn)場的IO則接入ET200M，好處是接線距離短，安裝維護(hù)方便?？刂葡到y(tǒng)的PLC機(jī)與WinCC系統(tǒng)人機(jī)界面之間采用高速以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。連接結(jié)構(gòu)是集中式PLC機(jī)+分布式ET200M IO系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)采用可編程控制器PLC機(jī)控制操作，人機(jī)界面為工業(yè)電腦，可以顯示設(shè)備的工藝參數(shù)，如溫度、真空度、流量狀態(tài)，可在人機(jī)界面上設(shè)置工藝參數(shù)。人機(jī)界面上布置多個(gè)畫面，如主畫面、報(bào)警畫面、趨勢等畫面，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在自動(dòng)畫面上可以顯示出當(dāng)前運(yùn)行工序的名稱及其參數(shù)。在報(bào)警畫面上顯示報(bào)警信息，并可保存一段時(shí)間，便于查詢判斷故障。WinCC系統(tǒng)即WINDOWS CONTROL CENTER,又稱視窗控制中心。WinCC系統(tǒng)是一個(gè)功能強(qiáng)大的全面開放的監(jiān)控系統(tǒng)，既可以用來完成小規(guī)模的簡單的過程監(jiān)控應(yīng)用，也可以用來完成復(fù)雜的應(yīng)用。在任何情況下WinCC系統(tǒng)都可以生成漂亮而便捷的人機(jī)對話接口，使操作員能夠清晰地管理和優(yōu)化生產(chǎn)過程。WINCC系統(tǒng)幾乎擁有先進(jìn)人機(jī)界面產(chǎn)品的所有功能，其集成的功能已包括I)圖形系統(tǒng)用于自由地組態(tài)畫面，并完全通過圖形對象進(jìn)行操作，圖形對象具有動(dòng)態(tài)屬性并可對屬性進(jìn)行在線組態(tài)。2)報(bào)警信息系統(tǒng)記錄和存儲(chǔ)事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報(bào)表，操作非常簡便。3)變量存檔接收、記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進(jìn)一步的編輯功能。4)報(bào)表系統(tǒng)用戶自由選擇一定的報(bào)表格式，按時(shí)間順序或事件觸發(fā)來對信息操作、文檔當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶報(bào)表輸出。5)數(shù)據(jù)處理，對圖形對象的動(dòng)作使用C語言及C編譯器進(jìn)行編輯。6)標(biāo)準(zhǔn)接口，通過ODBC和SQL訪問用于組態(tài)和過程數(shù)據(jù)的SYBASE數(shù)據(jù)庫。7)應(yīng)用程序接口允許用戶編寫可用于擴(kuò)展WinCC基本功能的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序。另外，WinCC系統(tǒng)還提供多種可選軟件包。如通訊開發(fā)工具⑶K，允許用戶開發(fā)用于連接數(shù)據(jù)管理器與任何目標(biāo)系統(tǒng)的通訊軟件。WINCC系統(tǒng)的組態(tài)及歸檔數(shù)據(jù)存放在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)可用標(biāo)準(zhǔn)工具如ODBC和SQL等讀出。很多標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用如Microsoft Excel 等可以和WinCC并行運(yùn)行，同時(shí)可通過DDE裝載過程數(shù)據(jù)。操作員站軟件允許通用的OCX、 ActiveX鏈接。更進(jìn)一步,集成的OPC(OLE for process control)服務(wù)器使得過程數(shù)據(jù)可由其它應(yīng)用程序OPC客戶機(jī)訪問。WinCC是PCS7系統(tǒng)操作站采用的監(jiān)控軟件HMI。它是一個(gè)32位的基于Windows的監(jiān)控軟件。在PCS7中，它被集成在SIMATIC程序管理器中。本發(fā)明控制方法的溫度測量和加熱控制原理是鑄錠爐熱區(qū)內(nèi)的溫度由熱電偶和紅外測溫儀共同完成探測，紅外測溫儀主要用于溫度控制，熱電偶主要用于溫度比較和防止超溫，起到監(jiān)督比較和校正回饋的作用，主輔配合。工藝過程控制模式采用模擬量輸入模塊將紅外測溫儀(和/或熱電偶)的實(shí)際測量值讀入PLC機(jī)，然后將設(shè)定值與實(shí)際測量值經(jīng)由PID控制器運(yùn)算后得出需要調(diào)整的控制量，經(jīng)過模擬量輸出模塊輸出到可控硅調(diào)功器，控制可控硅調(diào)功器的輸出量，此輸出量施加到變壓器的初級(輸入端)，降壓后由次級 (輸出端)輸出0-35VAC的控制電壓,最后通過加熱器完成加熱過程?？刂品椒ㄟ€包括壓力控制、氬氣流量控制和安全控制。壓力控制采用電磁閥進(jìn)行控制，電磁閥設(shè)置在增壓管路與鑄錠爐連接處，鑄錠爐內(nèi)設(shè)置有壓力傳感器，即壓力大于605mbar的時(shí)候打開電磁閥,等待壓力低于595mbar的時(shí)候再關(guān)上電磁閥，壓力的控制精度為±5mbar。氬氣流量控制采用MFC可以精確控制氬氣的流量，精度為±0. I，單位是立方厘米每秒。安全控制通過設(shè)置的兩個(gè)緊急停止按鈕，一個(gè)位于底部電柜的柜門上，另外一個(gè)位于平臺(tái)上的操作盒上，如果出現(xiàn)緊急情況，可以按下此任一按鈕。系統(tǒng)還設(shè)置有一個(gè)“緊急充氬”按鈕，可以再最短時(shí)間內(nèi)將爐腔附上氬氣。PLC機(jī)會(huì)根據(jù)功率與溫度曲線給出漏硅報(bào)警，人工確認(rèn)后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入急冷模式，此時(shí)會(huì)關(guān)閉熱門，打開氬氣充氣閥門，停止加熱，將系統(tǒng)在最快的時(shí)間內(nèi)冷卻下來。本發(fā)明系統(tǒng)及方法的特點(diǎn)是輸出功率限幅；避免功率過大或者過小給加熱帶來不良的影響；采用溫度控制，因?yàn)殚L晶階段主要是控制頂?shù)椎臏囟忍荻龋圆捎脺囟葹橹饕目刂剖侄?，綜合溫度和功率曲線得出關(guān)鍵的熔硅階段、熔硅結(jié)束點(diǎn)、長晶結(jié)束點(diǎn)和退火部分控制參數(shù)，能耗顯著降低，設(shè)備成本明顯減小，功能更加多樣。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于包括一套WINCC系統(tǒng)(1)，WINCC系統(tǒng)⑴ 通過以太網(wǎng)(2)與PLC機(jī)(3)連接，PLC機(jī)(3)通過線長總線(4)與可移動(dòng)觸摸操作屏(5) 連接，PLC機(jī)(3)還與多晶硅鑄錠爐的控制柜連接d_PLC機(jī)(3)與模擬量輸入模塊連接， 模擬量輸入模塊同時(shí)與設(shè)置在鑄錠爐內(nèi)的熱電偶和紅外測溫儀連接，PLC機(jī)(3)通過PID控制器與模擬量輸出模塊連接，模擬量輸出模塊輸出端與可控硅調(diào)功器連接，可控硅調(diào)功器與變壓器輸入端連接，變壓器輸出端與鑄錠爐內(nèi)的加熱器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于所述的PLC機(jī)(3)與壓力控制部分中的電磁閥和鑄錠爐內(nèi)的壓力傳感器連接，實(shí)現(xiàn)壓力控制；PLC機(jī)(3)與設(shè)置在鑄錠爐氬氣輸入管路上的MFC連接，實(shí)現(xiàn)氬氣流量控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于所述的PLC機(jī)內(nèi)預(yù)置有軟件，包括Eplan繪圖軟件，Step 7軟件和WinCC系統(tǒng)。
4.一種利用權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)對多晶硅鑄錠爐的控制方法，其特點(diǎn)在于所述的模擬量輸入模塊將紅外測溫儀及熱電偶的實(shí)際測量值讀入PLC機(jī)，然后將設(shè)定值與實(shí)際測量值經(jīng)由PID控制器運(yùn)算后得出需要調(diào)整的控制量，經(jīng)過模擬量輸出模塊輸出到可控硅調(diào)功器，控制可控硅調(diào)功器的輸出量，此輸出量施加到變壓器的初級，降壓后由次級輸出 0-35VAC的控制電壓,最后通過加熱器完成加熱過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的對多晶硅鑄錠爐的控制方法，其特點(diǎn)在于還包括壓力控制和氬氣流量控制，壓力控制采用電磁閥進(jìn)行控制，電磁閥設(shè)置在增壓管路與鑄錠爐連接處，鑄錠爐內(nèi)設(shè)置有壓力傳感器，即壓力大于605mbar的時(shí)候打開電磁閥，等待壓力低于 595mbar的時(shí)候再關(guān)上電磁閥；氬氣流量控制采用MFC控制氬氣的流量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的對多晶硅鑄錠爐的控制方法，其特點(diǎn)在于還包括安全控制， 安全控制系統(tǒng)設(shè)置有兩個(gè)緊急停止按鈕，一個(gè)位于底部電柜的柜門上，另外一個(gè)位于平臺(tái)上的操作盒上，如果出現(xiàn)緊急情況，按下此任一按鈕；系統(tǒng)還設(shè)置有一個(gè)“緊急充氬”按鈕， PLC機(jī)會(huì)根據(jù)功率與溫度曲線給出漏硅報(bào)警，人工確認(rèn)后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入急冷模式，此時(shí)會(huì)關(guān)閉熱門，打開氬氣充氣閥門，停止加熱，將系統(tǒng)在最快的時(shí)間內(nèi)冷卻下來。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多晶硅鑄錠爐控制系統(tǒng)，包括一套WINCC系統(tǒng)，WINCC系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與PLC機(jī)連接，PLC機(jī)通過線長總線與可移動(dòng)觸摸操作屏連接，PLC機(jī)還與多晶硅鑄錠爐的控制柜連接。該P(yáng)LC機(jī)與模擬量輸入模塊連接，模擬量輸入模塊同時(shí)與設(shè)置在鑄錠爐內(nèi)的熱電偶和紅外測溫儀連接，PLC機(jī)通過PID控制器與模擬量輸出模塊連接，模擬量輸出模塊輸出端與可控硅調(diào)功器連接，可控硅調(diào)功器與變壓器輸入端連接，變壓器輸出端與鑄錠爐內(nèi)的加熱器連接。本發(fā)明還公開了利用上述的系統(tǒng)對多晶硅鑄錠爐的控制方法。本發(fā)明系統(tǒng)，能耗顯著降低，設(shè)備成本明顯減小，功能更加多樣。
文檔編號C30B28/06GK102605424SQ201210057320
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者沈理, 顏衛(wèi)兵 申請人:浙江宏業(yè)新能源有限公司