西門子PLC和WINCC在超純水上的應用

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)，大大提高了整套設備的自動化控制水平，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。

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

1.引言

超純水是導電介質(zhì)、膠體物質(zhì)、有機物等含量極低的水，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、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、通信擴展方便等優(yōu)點，應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置陰/陽電極。在直流電的推動作用下，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氣的組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標準要求， 基本滿足終端水質(zhì)對硼的要求。

詳細工藝流程如圖1所示：

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式為：下位機采用PLC控制系統(tǒng)，上位機采用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)工藝運行要求，實現(xiàn)單體設備的自動啟停；EDI裝置的啟停、保護、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行信號，實現(xiàn)超純水系統(tǒng)的全自動運行。上位機采用德國SIEMENS 公司的WINCC7.0，主要用于監(jiān)控超純水系統(tǒng)的運行狀態(tài)和運行參數(shù)，對超純水系統(tǒng)設備進行全自動運行或軟手操干預設置。SIEMENS PLC通過以太網(wǎng)通訊模塊和網(wǎng)絡交換機，與中央監(jiān)控系統(tǒng)進行TCP/IP協(xié)議通訊 [3]，可以方便實現(xiàn)全廠設備管理控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

整套控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

4.系統(tǒng)設計

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

1）上位機WINCC監(jiān)控畫面分別由 ‘系統(tǒng)登錄、‘EDI系統(tǒng)、‘超純水、‘數(shù)據(jù)趨勢、‘報警記錄、‘報表界面等6個畫面構(gòu)成。‘系統(tǒng)登錄畫面用于實現(xiàn)‘用戶登錄、‘用戶注銷、‘進入系統(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，并能通過點擊泵或閥門的圖標，彈出相應的控制菜單，實現(xiàn)遠程啟停功能；‘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；‘報警記錄畫面用于顯示所有報警數(shù)據(jù)以及報警的歷史記錄；‘報表界面畫面用于顯示用戶設定時間段的模擬量參數(shù)的歷史報表；‘數(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PLC程序主要針對EDI和超純水系統(tǒng)進行設計。EDI系統(tǒng)主要包含回水閥、進水閥、冷凍水電磁閥、供水泵、整流器等設備，各設備的啟停邏輯需按規(guī)定步序進行編寫，詳細步序如圖3所示：

同時純水箱液位對其進行聯(lián)鎖控制：液位<1M時，開啟純水箱進水閥；液位>3.5M時，關閉純水箱進水閥；液位>1.5M時EDI自動按步序啟動；液位<0.5M時EDI自動按步序停機；為保證水質(zhì)要求，當EDI極水或濃水流量低報警時會自動停止整流器，進而停止EDI系統(tǒng)，需對其進行化學清洗操作。

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

同時超純水箱液位對其進行聯(lián)鎖控制：液位<1.5M時，開啟超純水箱進水閥，關閉純水箱回水閥；液位>3.5M時，開啟超純水箱回水閥，關閉超純水箱進水閥；液位>1.6M時，超純水自動按步序啟動；超純水箱液位<0.5M時，超純水自動按步序停機。

EDI供水泵和超純水泵采用PID [4]控制，通過控制變頻器頻率，使終端壓力值與設定值接近，控制出水量?？紤]到整個供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在PLC程序中設定了0.1bar的死區(qū)，即壓力差值在0.1bar范圍內(nèi)時，頻率不會去調(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，自動化程度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，大大節(jié)省了人力成本及維護成本。終端產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，達到其它工段生產(chǎn)要求。并且，水利用率高，最大程度實現(xiàn)節(jié)水節(jié)電。經(jīng)過多年的運行，整套系統(tǒng)運行穩(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：

[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、當前職稱：工程、學歷：本科、研究方向：電氣自動化