PLC冗余系統在多晶硅還原爐電源系統中的應用

賀明智 趙榮華 何 雄 楊 揚

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

0 引言

高純多晶硅是電子工業和太陽能光伏產業的基礎原料，有人預測，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業主要原材料。因此，隨著世界以及我國光伏產業的快速發展，我國的多晶硅項目一度呈現“遍地開花”之勢。

金融風暴打破了多晶硅產業的暴利時代，同時使多晶硅廠家開始更加追求多晶硅產品的品質。多晶硅還原爐電源系統作為多晶硅生產工藝最重要的設備之一，長期、可靠、穩定運行極大程度地影響著多晶硅的品質和成本。我公司為山東某年產300噸的多晶硅生產企業設計的多晶硅還原爐電源具備了操作簡單易懂、運行可靠穩定的特點。該電源系統的主站采用S7－400H系列產品，通過Y－LINK的連接，可將分布在現場的下一級子站連接在PROFIBUS－DP總線上?，F場子站采用了低成本卻具備控制功能的S7－200，達到了終端控制和現場控制的冗余控制和無擾切換。同時，通過3臺客戶機對8套還原爐的集中操作控制來實現上位機管理，每臺客戶機均可獨立控制，實現完全冗余控制。整個電源系統的多重冗余處理極大的降低了故障發生時的停機率。

本文具體介紹了該還原爐電源冗余系統的原理、結構組成、性能特點以及搭建該系統過程中遇到的疑難點。

1 多晶硅還原爐電源系統簡介

1.1 電源系統組成

目前我國大部分廠家采用的多晶硅生產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三氯氫硅，生成的多晶硅沉積在硅芯上。但在未投入加熱電源時，高純的硅芯電阻率很高，需要經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，由常規低壓電源為其提供持續的熱量，使其保持在1050℃左右進行還原反應，生成多晶硅。還原爐電源系統就是完成高壓擊穿和為其還原反應提供穩定可調電源的作用。

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主要由高壓啟動電源、啟動維持電源、還原電源以及相關外圍設備組成。高壓啟動電源輸出12KV高壓電，完成對硅芯的高壓擊穿任務，之后切換至輸出為0～3kV的啟動維持電源，維持電源繼續對爐內硅芯提供熱量，降低硅芯阻值。高壓啟動和啟動維持電源使硅芯電阻從幾百kΩ下降到幾十Ω。此時可切換至還原電源。之后8～10天的時間內，還原電源為多晶硅生長提供0～2KV可調電源，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。還原爐前級的轉換柜完成對啟動電源、維持電源和還原電源相對負載連接的隔離和切換。

本系統由8套還原電源和1套高壓啟動電源、1套啟動維持電源，共10套電源構成整個系統的10個子站。

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

每套子站電源的現場信號的采集和控制通過PLC200控制系統實現，最后通過Profibus DP總線實現與終端控制系統的通信和數據交換。圖3為維持電源內部控制系統組成示意圖。還原電源和高壓啟動電源內部控制系統組成結構類似。

圖2 啟動電源總線方案

圖3 電源內部控制系統組成示意圖

1.2 系統功能要求

根據該多晶硅生產現場的需要，本套還原爐電源系統需要滿足以下幾個主要的功能:

1)實現對所有電源的啟動、停車、電流調節等操作的完全獨立控制。

2)對220V和380V交流控制電源進行集中管理。

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

4)實現啟動電源、維持電源和還原電源的靈活切換控制。

5)遠程控制與本地控制的無擾切換控制。

6)實現與工廠DCS的數據通訊。

這些功能要求無一不對系統的高可靠性、穩定性以及操作的靈活性提出了較高的要求。為達到以上要求，本系統根據現場的實際情況靈活使用西門子PLC控制器，實現了一種新的西門子PLC冗余控制方案。

2 PLC冗余控制方案

2.1 上位機冗余與通訊冗余

本系統中，采用3臺客戶機對8套還原爐以及啟動電源進行綜合控制?？蛻魴C上使用西門子組態軟件WinCC 6.0實現對電源系統的操作與數據管理。

每臺客戶機均可對任一套還原爐進行啟動、維持至還原的獨立操作。三臺客戶機對8套還原爐同時進行數據采集與管理，互為備份，互不干擾。任一臺客戶機出現故障均不影響整個電源系統的穩定運行。

客戶機與系統主站S7－400H PLC通過SCALANCE X108實現冗余系統網絡，當某一條鏈路損壞時，自動切換到另一條鏈路。網絡結構見圖4。

圖4 WINCC與400PLC的冗余通訊

2.2 系統主站 S7－400H冗余系統

系統主站使用西門子提供的最新冗余S7－400H系統。該系列產品是具有冗余設計的容錯自動化系統產品。冗余熱備功能可以在故障事件發生時，以不停機模式自動地切換到備用單元實現系統的不中斷工作。直接插入兩個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場數據進行邏輯判斷、運算、歸檔以及對現場子站發送功能指令。

2.3 現場子站

本電源系統的子站是具備獨立輸出與控制功能的電源柜以及相應外圍設備。高壓啟動電源、啟動維持電源、8套還原電源均為該電源系統子站。系統子站需要與主站進行電壓、電流、硅芯溫度等的給定與反饋、各電器件的開關控制信號、設備啟動停止等信號的數據交換。

目前工業現場中最常使用的冗余方案的現場子站數據采集通過冗余的ET200完成，系統主站與子站通過兩條互為冗余備份的Profibus－DP總線網絡實現數據通訊。而在該現場的冗余方案中，我們將現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作為獨立的CPU，具有獨立運算和控制功能。當系統主站S7－400H發生故障，對系統子站失去控制力時，系統子站的PLC－200會自動切換程序塊，并通過現場觸摸屏實現對電源的控制功能。如圖5所示。

圖5 PLC－200內部冗余程序流程圖

2.4 光纖環網通訊

由于現場主控制室與就地電源柜內的PLC子站相距較遠 (大于200米)，且現場環境復雜，干擾較多，為保證通訊的可靠性，整個系統采用了光纖環網通訊。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)光纖環網鏈路內任何節點均可通過兩個方向實現與主站的數據交換。

2)光纖環網內任一子站掉電均不影響主站與其它子站的通訊。

2.5 小結

本電源控制系統的配置圖如圖6所示，系統主站 S7－400H 通 過Y－LINK 生成的兩條 PROFIBUS－DP總線與10個系統子站進行數據交換和通訊。

圖6 整套電源控制系統組成圖

相比較西門子標準冗余系統配置，該現場冗余系統有以下優點:

1)價格較低，節約生產成本。

2)PLC200脫離系統主站后仍為一個獨立的控制系統?？赏ㄟ^本柜體的觸摸屏實現就地操作、顯示以及數據管理。

3)實現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，就地電源柜與系統主站的通訊數據量受限。

該多晶硅現場的兩個特點:

1)節點比較少，數據傳輸量不大。共8套還原電源系統、1套啟動電源系統和1套維持電源系統。任一時刻每套電源的數據出/入傳輸總量小于40Byte/40Byte。

2)系統切換至還原電源后，系統要求在系統主站對電源柜控制失效時可以就地對還原電源進行獨立控制。

所以，基于該現場上面的兩個特點，目前的配置無疑是較為理想的。

3 系統用到的軟、硬件配置

對于S7－400H系統進行軟件編程和硬件組態需要使用西門子編程軟件STEP 7 V5.4，通過上位機進行數據管理和界面操作的軟件為WINCC V6.0。S7－400H強大的運算能力和響應速度實現了對多達800個數據量的準確計算和無誤的邏輯判斷。

現場子站S7－200使用WINCC MicroWIN進行軟件編程和硬件組態。WINCC flexcible 2008則用來對觸摸屏TP177A的畫面編輯。在本系統中，當主站與子站通訊故障時，可以通過本地觸摸屏實現對電源進行數據給定和數據反饋顯示，同時，S7－200作為一個獨立的控制器可以完成與電源柜本身的數據通信和基本操作控制。

本系統主要硬件為:

1)系統主站: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實現。CPU224 XP CN本身具有的兩個DP口分別與電源柜控制器進行MODBUS通訊、以及與觸摸屏進行MPI通訊。

5)客戶機:采用專業工控機。用作與主站通訊需要另配置CP1613工業網卡，以及通訊網絡組件SCALANCE X108?？蛻魴C上WINCC工程與主站S7－400H的網絡組態如圖7所示。

圖7 WINCC工程與主站S7－400H的網絡組態

4 項目建設中遇到的問題

在此列出本系統搭建時遇到的幾個問題，希望對其他工程人員提供參考。

1)硬件組態時沒有充分考慮Y－LINK的通訊數據量問題，導致后期增加Y－LINK組件與光纖環網，增加了現場工作量。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)光纖環網通訊時需要通過西門子的OLM－G12模塊，順利進行通訊的一個關鍵是對G12模塊撥碼的正確設置。這與西門子官網提供的資料介紹稍有出入。本系統采用光纖冗余環網配置，正確的撥碼設置為:

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。否則組態可能不成功

4)對系統進行軟件編程和硬件組態時，各軟件對操作系統的要求非常嚴格，必須使用Windows XP的 SP 2系列。否則將導致安裝軟件不成功或系統運行出錯。

5 結束語

本系統設計在保證整個系統穩定運行的前提下實現了數據集中管理和分散管理的雙重功能，多處使用的冗余設置極大的降低了系統故障時的停機率。且該系統相對成本較低、可擴展、檢修簡單。投入運行以來，各電源的投切順利、無故障，各電源運行可靠，效果良好。