PLC冗余系統(tǒng)在多晶硅還原爐電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

賀明智 趙榮華 何 雄 楊 揚(yáng)

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044;2.北京京儀椿樹整流器有限責(zé)任公司，北京 100040)

0 引言

高純多晶硅是電子工業(yè)和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原料，有人預(yù)測，在未來的50年里不可能有其他材料能夠替代硅材料而成為電子和光伏產(chǎn)業(yè)主要原材料。因此，隨著世界以及我國光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國的多晶硅項(xiàng)目一度呈現(xiàn)“遍地開花”之勢。

金融風(fēng)暴打破了多晶硅產(chǎn)業(yè)的暴利時(shí)代，同時(shí)使多晶硅廠家開始更加追求多晶硅產(chǎn)品的品質(zhì)。多晶硅還原爐電源系統(tǒng)作為多晶硅生產(chǎn)工藝最重要的設(shè)備之一，長期、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行極大程度地影響著多晶硅的品質(zhì)和成本。我公司為山東某年產(chǎn)300噸的多晶硅生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)的多晶硅還原爐電源具備了操作簡單易懂、運(yùn)行可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)。該電源系統(tǒng)的主站采用S7－400H系列產(chǎn)品，通過Y－LINK的連接，可將分布在現(xiàn)場的下一級子站連接在PROFIBUS－DP總線上?，F(xiàn)場子站采用了低成本卻具備控制功能的S7－200，達(dá)到了終端控制和現(xiàn)場控制的冗余控制和無擾切換。同時(shí)，通過3臺(tái)客戶機(jī)對8套還原爐的集中操作控制來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)管理，每臺(tái)客戶機(jī)均可獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)完全冗余控制。整個(gè)電源系統(tǒng)的多重冗余處理極大的降低了故障發(fā)生時(shí)的停機(jī)率。

本文具體介紹了該還原爐電源冗余系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)組成、性能特點(diǎn)以及搭建該系統(tǒng)過程中遇到的疑難點(diǎn)。

1 多晶硅還原爐電源系統(tǒng)簡介

1.1 電源系統(tǒng)組成

目前我國大部分廠家采用的多晶硅生產(chǎn)工藝是改良西門子法，其原理就是在1050℃左右的高純硅芯上用高純氫氣還原高純?nèi)葰涔瑁傻亩嗑Ч璩练e在硅芯上。但在未投入加熱電源時(shí)，高純的硅芯電阻率很高，需要經(jīng)過特殊方式加熱或者使用高壓電將其擊穿。隨著硅芯溫度的升高，硅芯阻值逐漸降低，降到合適的范圍后，由常規(guī)低壓電源為其提供持續(xù)的熱量，使其保持在1050℃左右進(jìn)行還原反應(yīng)，生成多晶硅。還原爐電源系統(tǒng)就是完成高壓擊穿和為其還原反應(yīng)提供穩(wěn)定可調(diào)電源的作用。

圖1 還原爐電源組成原理

如圖1所示，該多晶硅還原爐電源系統(tǒng)主要由高壓啟動(dòng)電源、啟動(dòng)維持電源、還原電源以及相關(guān)外圍設(shè)備組成。高壓啟動(dòng)電源輸出12KV高壓電，完成對硅芯的高壓擊穿任務(wù)，之后切換至輸出為0～3kV的啟動(dòng)維持電源，維持電源繼續(xù)對爐內(nèi)硅芯提供熱量，降低硅芯阻值。高壓啟動(dòng)和啟動(dòng)維持電源使硅芯電阻從幾百kΩ下降到幾十Ω。此時(shí)可切換至還原電源。之后8～10天的時(shí)間內(nèi)，還原電源為多晶硅生長提供0～2KV可調(diào)電源，保持硅棒表面溫度1080℃，使硅棒直徑從Φ8～10增加到Φ150，硅棒電阻從幾十Ω下降到幾十mΩ。還原爐前級的轉(zhuǎn)換柜完成對啟動(dòng)電源、維持電源和還原電源相對負(fù)載連接的隔離和切換。

本系統(tǒng)由8套還原電源和1套高壓啟動(dòng)電源、1套啟動(dòng)維持電源，共10套電源構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的10個(gè)子站。

高壓啟動(dòng)電源輸出(12kV)與啟動(dòng)維持電源輸出(3kV)采用母線輸出形式。如圖2所示。任何時(shí)刻只能為一組還原爐硅芯提供擊穿和維持任務(wù)。

每套子站電源的現(xiàn)場信號的采集和控制通過PLC200控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，最后通過Profibus DP總線實(shí)現(xiàn)與終端控制系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)交換。圖3為維持電源內(nèi)部控制系統(tǒng)組成示意圖。還原電源和高壓啟動(dòng)電源內(nèi)部控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)類似。

圖2 啟動(dòng)電源總線方案

圖3 電源內(nèi)部控制系統(tǒng)組成示意圖

1.2 系統(tǒng)功能要求

根據(jù)該多晶硅生產(chǎn)現(xiàn)場的需要，本套還原爐電源系統(tǒng)需要滿足以下幾個(gè)主要的功能:

1)實(shí)現(xiàn)對所有電源的啟動(dòng)、停車、電流調(diào)節(jié)等操作的完全獨(dú)立控制。

2)對220V和380V交流控制電源進(jìn)行集中管理。

3)對各種電源柜以及變壓器、高壓開關(guān)柜等的所有故障保護(hù)信號進(jìn)行處理和通訊管理。

4)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)電源、維持電源和還原電源的靈活切換控制。

5)遠(yuǎn)程控制與本地控制的無擾切換控制。

6)實(shí)現(xiàn)與工廠DCS的數(shù)據(jù)通訊。

這些功能要求無一不對系統(tǒng)的高可靠性、穩(wěn)定性以及操作的靈活性提出了較高的要求。為達(dá)到以上要求，本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況靈活使用西門子PLC控制器，實(shí)現(xiàn)了一種新的西門子PLC冗余控制方案。

2 PLC冗余控制方案

2.1 上位機(jī)冗余與通訊冗余

本系統(tǒng)中，采用3臺(tái)客戶機(jī)對8套還原爐以及啟動(dòng)電源進(jìn)行綜合控制?？蛻魴C(jī)上使用西門子組態(tài)軟件WinCC 6.0實(shí)現(xiàn)對電源系統(tǒng)的操作與數(shù)據(jù)管理。

每臺(tái)客戶機(jī)均可對任一套還原爐進(jìn)行啟動(dòng)、維持至還原的獨(dú)立操作。三臺(tái)客戶機(jī)對8套還原爐同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與管理，互為備份，互不干擾。任一臺(tái)客戶機(jī)出現(xiàn)故障均不影響整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

客戶機(jī)與系統(tǒng)主站S7－400H PLC通過SCALANCE X108實(shí)現(xiàn)冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某一條鏈路損壞時(shí)，自動(dòng)切換到另一條鏈路。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 WINCC與400PLC的冗余通訊

2.2 系統(tǒng)主站 S7－400H冗余系統(tǒng)

系統(tǒng)主站使用西門子提供的最新冗余S7－400H系統(tǒng)。該系列產(chǎn)品是具有冗余設(shè)計(jì)的容錯(cuò)自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品。冗余熱備功能可以在故障事件發(fā)生時(shí)，以不停機(jī)模式自動(dòng)地切換到備用單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不中斷工作。直接插入兩個(gè)CPU的同步模塊通過光纖電纜連接，并允許帶電更換同步模塊。

在本方案中，系統(tǒng)主站 S7－400H的主要功能是對通過PROFIBUS－DP總線采集上來的所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷、運(yùn)算、歸檔以及對現(xiàn)場子站發(fā)送功能指令。

2.3 現(xiàn)場子站

本電源系統(tǒng)的子站是具備獨(dú)立輸出與控制功能的電源柜以及相應(yīng)外圍設(shè)備。高壓啟動(dòng)電源、啟動(dòng)維持電源、8套還原電源均為該電源系統(tǒng)子站。系統(tǒng)子站需要與主站進(jìn)行電壓、電流、硅芯溫度等的給定與反饋、各電器件的開關(guān)控制信號、設(shè)備啟動(dòng)停止等信號的數(shù)據(jù)交換。

目前工業(yè)現(xiàn)場中最常使用的冗余方案的現(xiàn)場子站數(shù)據(jù)采集通過冗余的ET200完成，系統(tǒng)主站與子站通過兩條互為冗余備份的Profibus－DP總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。而在該現(xiàn)場的冗余方案中，我們將現(xiàn)場信號采集模塊由冗余ET200換為PLC－200，并在就地控制柜上增加了觸摸屏。

PLC－200作為獨(dú)立的CPU，具有獨(dú)立運(yùn)算和控制功能。當(dāng)系統(tǒng)主站S7－400H發(fā)生故障，對系統(tǒng)子站失去控制力時(shí)，系統(tǒng)子站的PLC－200會(huì)自動(dòng)切換程序塊，并通過現(xiàn)場觸摸屏實(shí)現(xiàn)對電源的控制功能。如圖5所示。

圖5 PLC－200內(nèi)部冗余程序流程圖

2.4 光纖環(huán)網(wǎng)通訊

由于現(xiàn)場主控制室與就地電源柜內(nèi)的PLC子站相距較遠(yuǎn) (大于200米)，且現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，干擾較多，為保證通訊的可靠性，整個(gè)系統(tǒng)采用了光纖環(huán)網(wǎng)通訊。并為PLC光纖通訊的OLM G12模塊配置了冗余電源。由此保證了:

1)光纖環(huán)網(wǎng)鏈路內(nèi)任何節(jié)點(diǎn)均可通過兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)與主站的數(shù)據(jù)交換。

2)光纖環(huán)網(wǎng)內(nèi)任一子站掉電均不影響主站與其它子站的通訊。

2.5 小結(jié)

本電源控制系統(tǒng)的配置圖如圖6所示，系統(tǒng)主站 S7－400H 通 過Y－LINK 生成的兩條 PROFIBUS－DP總線與10個(gè)系統(tǒng)子站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通訊。

圖6 整套電源控制系統(tǒng)組成圖

相比較西門子標(biāo)準(zhǔn)冗余系統(tǒng)配置，該現(xiàn)場冗余系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):

1)價(jià)格較低，節(jié)約生產(chǎn)成本。

2)PLC200脫離系統(tǒng)主站后仍為一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)?？赏ㄟ^本柜體的觸摸屏實(shí)現(xiàn)就地操作、顯示以及數(shù)據(jù)管理。

3)實(shí)現(xiàn)了終端與就地的冗余控制方案。

不足之處:

1)就地柜PLC無冗余，對PLC200可靠性要求較高。

2)由于使用了Y－LINK，就地電源柜與系統(tǒng)主站的通訊數(shù)據(jù)量受限。

該多晶硅現(xiàn)場的兩個(gè)特點(diǎn):

1)節(jié)點(diǎn)比較少，數(shù)據(jù)傳輸量不大。共8套還原電源系統(tǒng)、1套啟動(dòng)電源系統(tǒng)和1套維持電源系統(tǒng)。任一時(shí)刻每套電源的數(shù)據(jù)出/入傳輸總量小于40Byte/40Byte。

2)系統(tǒng)切換至還原電源后，系統(tǒng)要求在系統(tǒng)主站對電源柜控制失效時(shí)可以就地對還原電源進(jìn)行獨(dú)立控制。

所以，基于該現(xiàn)場上面的兩個(gè)特點(diǎn)，目前的配置無疑是較為理想的。

3 系統(tǒng)用到的軟、硬件配置

對于S7－400H系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程和硬件組態(tài)需要使用西門子編程軟件STEP 7 V5.4，通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和界面操作的軟件為WINCC V6.0。S7－400H強(qiáng)大的運(yùn)算能力和響應(yīng)速度實(shí)現(xiàn)了對多達(dá)800個(gè)數(shù)據(jù)量的準(zhǔn)確計(jì)算和無誤的邏輯判斷。

現(xiàn)場子站S7－200使用WINCC MicroWIN進(jìn)行軟件編程和硬件組態(tài)。WINCC flexcible 2008則用來對觸摸屏TP177A的畫面編輯。在本系統(tǒng)中，當(dāng)主站與子站通訊故障時(shí)，可以通過本地觸摸屏實(shí)現(xiàn)對電源進(jìn)行數(shù)據(jù)給定和數(shù)據(jù)反饋顯示，同時(shí)，S7－200作為一個(gè)獨(dú)立的控制器可以完成與電源柜本身的數(shù)據(jù)通信和基本操作控制。

本系統(tǒng)主要硬件為:

1)系統(tǒng)主站:AS414－4－2H 組件，訂貨號6ES7656－8BE31－1CB0。

2)用作主站與子站建立連接的Y－LINK:Y型連接器，訂貨號為 6ES7197－1LA11－0XA0。

3)光纖通訊功能塊:新 OLM/G12模塊，訂貨號為6GK1503－3CB00。

4)系統(tǒng)子站:CPU224 XP CN，訂貨號為6ES7214－2BD23－0XB0。它與主站的PROFIBUS通訊通過另配置的EM277實(shí)現(xiàn)。CPU224 XP CN本身具有的兩個(gè)DP口分別與電源柜控制器進(jìn)行MODBUS通訊、以及與觸摸屏進(jìn)行MPI通訊。

5)客戶機(jī):采用專業(yè)工控機(jī)。用作與主站通訊需要另配置CP1613工業(yè)網(wǎng)卡，以及通訊網(wǎng)絡(luò)組件SCALANCE X108?？蛻魴C(jī)上WINCC工程與主站S7－400H的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖7所示。

圖7 WINCC工程與主站S7－400H的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

4 項(xiàng)目建設(shè)中遇到的問題

在此列出本系統(tǒng)搭建時(shí)遇到的幾個(gè)問題，希望對其他工程人員提供參考。

1)硬件組態(tài)時(shí)沒有充分考慮Y－LINK的通訊數(shù)據(jù)量問題，導(dǎo)致后期增加Y－LINK組件與光纖環(huán)網(wǎng)，增加了現(xiàn)場工作量。每組Y－LINK的最大通訊量為:264Byte 出/264Byte入。且通過Y－LINK 的S7－400H與 PLC200子站的最大通訊量為:64Byte出/64Byte入。

2)光纖環(huán)網(wǎng)通訊時(shí)需要通過西門子的OLM－G12模塊，順利進(jìn)行通訊的一個(gè)關(guān)鍵是對G12模塊撥碼的正確設(shè)置。這與西門子官網(wǎng)提供的資料介紹稍有出入。本系統(tǒng)采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)配置，正確的撥碼設(shè)置為:

S7、S0、S8撥在0位置。其余均在1位置。

3)冗余使用的硬件模塊必須有相同的定貨號、軟件和固件版本號。否則組態(tài)可能不成功

4)對系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程和硬件組態(tài)時(shí)，各軟件對操作系統(tǒng)的要求非常嚴(yán)格，必須使用Windows XP的 SP 2系列。否則將導(dǎo)致安裝軟件不成功或系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中管理和分散管理的雙重功能，多處使用的冗余設(shè)置極大的降低了系統(tǒng)故障時(shí)的停機(jī)率。且該系統(tǒng)相對成本較低、可擴(kuò)展、檢修簡單。投入運(yùn)行以來，各電源的投切順利、無故障，各電源運(yùn)行可靠，效果良好。