PLC冗余系统在多晶硅还原炉电源系统中的应用.pdf

可 编 程序 控 制 器 应 用 塑 堕 电气 自动化 2 0 1 0年第 3 2卷 第 6期 P L C冗余系统在多晶硅还原炉电源系统中的应用 贺 明智 1 , 2 赵荣华 何雄 杨扬 1 ．北京交通大学电气工程学院 ， 北京 1 0 0 0 4 4 ；2 ．北京京仪椿树整流器有限责任公 司， 北京 1 0 0 0 4 0 摘要 还原炉电源是多晶硅生产系统的核心部分， 随着对多晶硅品质要求的提高， P L C冗余系统逐渐被应用在成套电源系统中， 并表现 出稳定可靠 、 操作方便简单等优点。系统阐述了为某 多晶硅生产线而设计 的 P L C冗余 还原炉 电源系统及其特点。 关键词 多晶硅还原炉 电源P L C冗余系统Y ， L I N K s 7 - 4 0 0 H s 7 ． 2 0 0 [ 中图分类号 】 T P 2 7 3 ． 5[ 文献标识码 J B[ 文章编号 J 1 0 0 0 ． 3 8 8 6 2 0 i o o 6 0 0 4 5 0 3 Ap p l i c a t i o n o f PL C Re d u n d an c y Sy s t e m o f Po l y s i l i c o n Sy s t e m i n t h e Po we r Su p p l y ● ’ - ‘r He du ci n 卜 ．c l U r n ac e He Mi n g z hi ‘ Zh a o Ro ng h u a 2 He Xi o n g 。Ya ng Yan g 1 ． B e r i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y S c h o o l o fE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， B e r i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a ； 2 ． B e n g C h u n s h u R e c t e r C o ． ，L t d ， B e ij i n g 1 0 0 0 4 0 ， C h i n a Abs t r a c t Th e p o we r s u pp l y s y s t e m i s t h e c o r e p a r t o f p o l y s i l i c o n r e d u c i n g f u r n a c e ．PI C r e du n da n c y s y s t e m i s a pp l i e d t o p o we r s u pp l y s y s t e ms wi t h hi g h e r d e ma n ds t o po l y c r y s t a l s i l i c o n．I t e x h i b i t s g o o d p e rfo r ma n c e o n s t a b i l i t y ， r e l i a b i l i t y a n d o pe r a t i o n． Ke ywo r d s po we r s u p pl y f o r po l y s i l i c o n r e d u c i ng f u r na c e PLC r e d un d a n c y s y s t e m Y LI NK S 7 40 0H S 7 2 00 0 引言 高纯多 晶硅是电子工业 和太 阳能光伏产业 的基础原料 ，有人 预测， 在未来的 5 0年里不可能有其他材料能够替代硅材料而成为 电子 和光伏产业主要原 材料 。因此 ，随着世界以及我国光伏 产业 的快速发展 ， 我 国的多晶硅项 目一度呈现“ 遍地开花” 之势 。 金融风暴打破 了多 晶硅产业 的暴利时代 ，同时使多 晶硅厂家 开始更加追求 多晶硅产 品的品质 。多 晶硅还原炉电源系统作 为多 晶硅生产工 艺最重要 的设备之一 ， 长期 、 可靠 、 稳定 运行极大程度 地影响着多晶硅 的品质和成本 。我公司为山东某年产 3 0 0吨的多 晶硅生产企业设计 的多 晶硅还原炉电源具备了操作 简单 易懂 、运 行可靠稳定 的特点 。该 电源系统的主站采用 S 7 4 0 0 H 系列产 品 ， 通 过 Y L I N K的 连 接 ，可 将 分 布 在 现 场 的下 一 级 子 站 连 接 在 P R O F I B U S D P总线上。现场子站采用了低成本却具备控制功能的 s 7 2 0 0 ，达到 了终端 控制和现场控制的冗 余控制和无扰切换。同 时 ，通过 3台客户机对 8 套还原炉 的集 中操作控制来实现上位机 管理 ， 每台客户机均可独立控制 ， 实现完全冗余控制 。整个 电源系 统 的多重冗余处理极大 的降低 了故障发生时的停机率。 本文具体介绍了该还原炉电源冗余系统的原理、 结构组成、 性 能特点以及搭建该系统过程中遇到的疑难点。 1 多晶硅还原炉电源系统简介 1 ． 1 电源系统组成 目前我 国大部分 厂家采用 的多晶硅生 产工 艺是 改 良西 门子 法 ， 其原理就是在 1 0 5 0 C左右的高纯硅芯上用高纯氢气还原高纯 三氯氢硅 ， 生成的多晶硅沉积在硅芯上。但在未投入加热 电源时 ， 高纯的硅 芯电阻率很高 ，需要经过特殊 方式加热 或者使用高压 电 将其击穿 。随着硅芯温度的升高 ， 硅芯 阻值逐渐降低 ， 降到合适 的 范围后 ， 由常规低压电 源 为其 提供 持 续 的 热 量 ， 使其保持在 1 0 5 0 C 左右进行还原反应 ， 生 成多 晶硅 。 还原炉电源 系统 就是 完 成 高 压 击 图 1 还原炉 电源组成原理 穿和为其还原反应提供稳定可调电源的作用 。 如 图 1 所示 ， 该 多晶硅还原炉 电源系统主要 由高压启动 电源 、 启动维持 电源 、还原电源以及相关外 围设备组成 。高压启 动电源 输 出 1 2 K V高压 电， 完成对硅芯 的高压击穿任务 ， 之后切换 至输 出 为 0～3 k V的启动维持电源 ， 维持电源继续对 炉内硅芯提供热量 ， 降低硅芯阻值。高压启动和启动维持电源使硅芯电阻从几百 k n 下降到几十 Q。 此 时可切换至还原 电源 。 之后 8 ～1 0天 的时间内 ， 还原 电源为多 晶硅生长提供 0～2 K V可调 电源 ，保持硅棒表面温 度 1 0 8 0 C， 使硅棒直径从 中8～1 0增加到 1 5 0 ， 硅棒 电阻从几十 Q下降到几十 m n。还原炉前级 的转换柜完成对启动电源 、 维持电 源和还原电源相对负载连接 的隔离和切换。 本系统由 8套还原电源和 1 套高压启动电源、1 套启动维持 电源， 共 1 0套电源构成整个系统的 1 0个子站。 高压启动电源输出 1 2 k V 与启动维持电源输出 3 k V 采用母 线输 出形式 。如 图 2所示 。任何时刻只能为一组还原炉硅芯提供 击 穿和维持任务 。 每套子 站电源的现场信号 的采集 和控制通 过 P L C 2 0 0控制 系 统实现， 最后通过 P r o fi b u s D P总线实现与终端控制系统的通信和 数据交换 。图 3为维持 电源内部控制系统组成示意图 。还原电源 和高压启动电源内部控制系统组成结构类似。 E le c t r ic a f Au t o ma t io n 4 5 电 气自 动 化 2 o l 0 年 第3 2 卷第6 期 可 编 程序 控 制器 应 用 。 堕 子 站 1 子 站8 图 2 启动电源总线方案 图 3 电源内部控 制系统组成示意图 1 ． 2系统功能要求 根据该多晶硅生产 现场 的需要 ，本套 还原炉 电源系统需要满 足以下几个主要的功能 1 实现对所有电源的启动 、 停车 、 电流调节 等操作 的完全独立 控制。 2 列 2 2 0 V和 3 8 0 V交 流控制 电源进行集中管理 。 3 对各种 电源柜以及变压 器 、 高压开关柜 等的所有故障保护 信号进行处理和通讯管理。 4 实现启动电源 、 维持电源和还 原电源的灵活切换控制。 5 远程控制与本地 控制 的无扰切换控制。 6 实现与工厂 D C S的数据通讯 。 这些功能要求无一 - 不对系统 的高可靠性 、稳定性 以及操作的 灵活性提出了较高的要求 为达 到以上要求 ，本 系统根据现场的 实际情况 灵活使用西 门子 P L C控 制器 ，实现 了一种新 的西门子 P L C冗余控制方案 。 2 P L C冗余控 制方案 2 ． 1 上位机冗余与通讯冗余 本系统中，采用 3台客户机对 8套还原炉以及启动 电源进行 综合控制。客户机上使用西 门子组态软件 Wi n C C 6 ． 0 实现对 电源 系统的操作与数据管理。 每台客户机均可对任一套还原炉进行启动 、维持至还原 的独 立操作。 三台客户机对 8套还原炉同时进行数据采集 与管理 ， 互 为 备份 ，互 不干扰。仟⋯台客户机 出现故障均不影响整个 电源 系统 的稳定运行 。 客户机与系统 主站 s 7 4 0 0 H P I C通过 S C A L A N C E X 1 0 8实现 冗余系统网络 ， 当某 一条链路损坏时 ， 自动切换到另一条链路 。网 图 4 WI NC C与 4 0 0 P L C的冗余通讯 络结构 见图 4 。 2 ． 2系统主站 S 7 ． 4 0 0 H冗余系统 系统主站使用西门子提供 的最新冗余 s 7 4 0 0 H系统。该系列 产品是具有冗余设 ‘ 的容错 自动化系统产品。冗余热备功能可以 在故障事件发生时，以不停机模式 自动地切换到备用单元实现系 统 的不 中断工作 。 直接插入两个 C P U的同步模块 通过光纤 电缆连 接 ， 并允许带 电更换 同步模块 。 在 本 方 案 中 ，系 统 主 站 s 7 4 0 0 H 的 主 要 功 能 是 对 通 过 P R O F I B U S D P总线采集 上来 的所有现场 数据进行 逻辑判断 、运 算 、 归档 以及对现场 子站发送功能指令。 2 ． 3现场 子站 本 电源系统 的子站是具备独立输 出与控制功能的电源柜 以及 相应外 围设备 。高压启动电源 、 启动维持电源 、 8套还 原电源均为 该 电源 系统子站 。系统子站需要 与主站进行 电压 、 电流 、 硅 温度 等的给定与反馈、 各电器件的开关控制信号、 设备启动停止等信号 的数据交换 。 目前工业现场 中最常使用的冗余方 案的现场子站数据采集通 过冗余 的 E T 2 0 0完成 ，系统主站与子站通过两条互为冗余备份 的 P r o fi b u s D P总线 网络实现数据通讯 。 而在该现场 的冗余方案中 ， 我 们将现场信号采集模块由冗余 E T 2 0 0换为 P L C 一 2 0 0 ，并在就地控 制 柜上增加 了触摸屏 。 P L C 一 2 0 0作为独立的 C P U， 具有独立运算和控制功能 。 当系统 主站 s 7 4 0 0 H发生故障 ，对系统子站失去控制力时，系统 子站 的 P L C 一 2 0 0会 自动切换程序块 ，并通 过现场触 摸屏 实现对 电源 的控 制功能。如 图 5所示 。 2 ． 4 光 纤环 网通讯 由于现场主控制室与就地 电源柜内的 P L C子站相距较远 大 于 2 0 0米 ， 且现场环境复杂 ， 干扰较 多 ， 为保证通讯 的可靠性 ， 整 个系统采用 了光纤环 网通讯 。 并为 P L C光纤通讯的 O L M G 1 2 模块 配置了冗余 电源 。由此保证 了 1 光纤 环网链路 内任何节点均可通过两个方 向实现与主站的 数据交换。 2 光纤环网内任一子站掉电均不影响主站与其它子站的通讯。 2 ． 5小 结 本 电 源 控 制 系 统 的 配 置 图 如 图 6所示 ， 系统主 站 S 7 ． 4 0 0 H 通 过 Y L I N K生成 的两 条P R O F I B U S D P 总线 与 l 0个 系统 子站进行数据交 图 5 P L C ． 2 0 0内部冗余程序流程图 换和通讯。 相比较 西门子标准冗余系统配置 ， 该 现场冗余系统有 以下优点 1 价格较低 ， 节约生产成本 。 2 P L C 2 0 0脱离系统主站后仍 为一个 独立的控制 系统 。 可通过本柜体 的触摸屏 实现就地操作 、 显示 以及数据管理。 3 实现了终端与就地的冗余控制方 案。 不足之处 1 就地柜 P L C无冗余 ， 对 P L C 2 0 0可 靠性要求较高 。 2 由于使用 了 YL I N K， 就地 电源柜 与系统主站的通 讯数据量受限 。 该多晶硅现场的两个特点 可 编 程 序 控 制器 应 用 垒 巳 塑 堕 电气 自动化 2 0 1 0年第 3 2卷 第 6期 1 节点比较少， 数据传输量不大。共 8 套还原电源系统、 1 套 启动电源系统和 1套维持电源系统。任一时刻每套电源的数据 出／ J k 传输总量小于 4 0 B y t e ／ 4 0 B y t e 。 2 系统切换至还原 电源后 ， 系统要求在系统主站对电源柜控 制失效时可以就地对还原 电源进行独立 控制 。 所以 ， 基于该现场上 面的两个特点 ， 目前 的配置无疑是较为理 想的。 3系统用到的软、 硬 件配置 对 于 S 7 4 0 0 H系统进行 软件编 程和 硬件组态 需要使用 西 门 子编程软件 S T E P 7 V 5 ． 4 ，通过上位机进行数据管理和界面操作 的软件为 WI N C C V 6 ． 0 。 s 7 4 0 0 H强大的运 算能力 和响应速度实现 了对多达 8 0 0 个 数据量 的准确计算和无误的逻辑判断。 现场子站 s 7 2 0 0使用 Wt N C C M i c r o WI N进行软件编程和硬件 组态。 WI N C C fl e x e i b l e 2 0 0 8 则用来对触摸屏 T P 1 7 7 A的画面编辑。 在本系统中，当主站与子站通讯故障时，可以通过本地触摸屏实现 对 电源进行数据给定和数据反馈显示，同时，s 7 2 0 0 作为一个独立 的控制器可以完成与电源柜本身的数据通信和基本操作控制。 本系统 主要硬件为 1 系统主站 A S 4 1 4 4 2 H组件， 订货号6 E S 7 6 5 6 8 B E 3 1 - 1 C B 0 。 2 用作主站与子站建立连接的 Y L I N K Y型连接器，订货号 为 6 E S 7 1 9 7 1 L A1 l O X A 0 。 3 光 纤 通 讯 功 能 块 新 O L M／ G 1 2 模 块 ， 订 货 号 为 6 G K 1 50 3 3CB0 0。 4 系统子站 C P U 2 2 4 X P C N， 订货号为6 E S 7 2 1 4 2 B D 2 3 一 O X B O 。 它与主站的 P R O F I B U S通讯通过另配置的 E M 2 7 7 实现。 C P U 2 2 4 X P C N本身具有 的两个 D P口分别与 电源 柜控制器进行 M O D B U S通 讯 、 以及与触摸屏进行 MP I 通讯 。 5 客 户机 采 用专 业 工控 机 。 用作 与主站 通讯 需 要 另配 置 C P 1 6 1 3 工业 网卡 ， 以及通讯 网络组 件 S C A L A N C E X 1 0 8 。 客户机上 WI N C C工程与主站 s 7 4 0 0 H的网络组态如图7 所示。 4 项 目建设 中遇到的 问题 在此列出本 系统搭建时遇到的几个问题 ，希望对其他工程人 员提供参考。 ．1 硬件组态时没有充分考虑 Y L I N K的通讯数据量问题 ， 导致 后期增加 Y L I N K组件与光纤环 网， 增加 了现场工作量 。 每组Y ． L I N K 图 6 整套 电源控制 系统组成图 的最 大 通讯 量为 2 6 4 B y t e 出 ／ 2 6 4 B y t e 入 。 且通过 Y ． L I N K的 7 - 4 0 0 H 与 P L C 2 0 0 子 站 的 最 大 通 讯 量 为 6 4 B y t e 出／ 6 4 B y t e 入 。 2 光 纤 环 网 通 讯 时 需 要 通 过 西 门 子 的 O L M G1 2 模块 ， 顺 利 进 行 通 讯 的 一 个 关 键 是 对 G1 2 模 块 拨 码 的 正 确 设置。这与西 门子 官 网提 供 的 资 料 介绍稍有出入 。本 SC 如 - RYG Y 一4 00 H 薯 s 了P r o g r a m 1 她 S o u r c e s 曲 B l o e k C PU 41 4 -4 ． H 1 纛 P r o g r am ” S I M A T I C P C St a t i O n 】 S I M T I C P C St a t i O f t 往 S I M A T I C P C St a t i 0 1 “1 3 疆W i n C e A D D I i c a t i 。 n 图 7 WI NC C工程与主 站 S 7 ． 4 o o H的 网络组态 系统采用光纤冗余环 网配置 ， 正确 的拨码设置为 s 7 、 S O 、 s 8 拨 在 0位置 。其余均在 1 位置。 3 冗余使用 的硬件模块必须有相同的定货号 、 软件和固件版 本号。否 则组态可能不成功 4 对 系统进行软件编程和硬件组态时 ， 各软件对操作系统 的 要求非常严格， 必须使用 Wi n d o w s X P的 S P 2系列。 否则将导致安 装软件不成功或系统运行 出错 。 5 结束语 本系统设计在保证整个系统稳定运行的前提下实现 了数据集 中管理和分散管理 的双重功能 ，多处使用的冗余设置极大 的降低 了系统故 障时的停机率 。且该系统相对成本较低 、 可扩展 、 检修简 单。投入运行以来， 各电源的投切顺利、 无故障， 各电源运行可靠， 效果 良好 。 [ 作者介 绍] 贺 明智 1 9 7 9一 ， 男， 博 士 ， 硕 士生导师 ， 研 究方向 大功率开 关电源 、 多晶制备 电源 系统、 单 晶制备 电源系统等。 赵 荣华 1 9 8 3一 ， 女 ， 硕士 ， 研 究 方向 多晶制备 电源 系统、 单 晶制备 电源 系统 。 何雄 1 9 8 0一 ， 男 ， 硕士 ， 研究方 向 多晶制备 电源 系统、 单晶制备电源 系统， 数 字控制 系统 。 E le c t r ic a I Au t o ma t i o n 4 7