橫河CS3000控制系統(tǒng)在多晶硅生產(chǎn)中的應(yīng)用

郭富東 杜俊平（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

1 多晶硅的生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)多晶硅的方法有很多種，包括改良西門子法、硅烷熱分解法和冶金法等，而全球90%的多晶硅是采用改良西門子法生產(chǎn)的[1]，其主要工藝流程大致可分為合成、提純、還原、綜合回收和氫化五部分。合成是把硅粉與氯化氫反應(yīng)生成三氯氫硅（SiHCl3）及副產(chǎn)物四氯化硅（SiCl4）和雜質(zhì)氯化物；提純是將合成的產(chǎn)物提純得到高純的SiHCl3，還原是把高純的SiHCl3和氫氣按比例通入還原爐內(nèi)，在大約1080℃的硅芯發(fā)熱體上還原沉積得到多晶硅棒，綜合回收是把還原爐出來的尾氣（氫氣、SiH?Cl3、SiCl4、SiH2Cl2和氯化氫）通過冷凍和吸附將其中的氫氣分離出來，其他成分經(jīng)過提純將SiHCl3分離出來，SiCl4和氯化氫進(jìn)入氫化生產(chǎn)出SiHCl3進(jìn)入提純循環(huán)利用。整個工藝流程實(shí)現(xiàn)物料的閉路循環(huán)。

2 橫河CS3000控制系統(tǒng)

橫河CS3000控制系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)真正開放的系統(tǒng)，構(gòu)成控制系統(tǒng)機(jī)器主要有：

2.1 現(xiàn)場控制站（FCS）

2.2 人機(jī)接口站（HIS）

2.3 工程師站（ENG）

2.4 V網(wǎng)

2.5 EthernetCENTUM CS3000的主要特點(diǎn)如下[2]：

2.6 采用Windows XP標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)，支持DDE/OPC。

2.7 獨(dú)家采用了4CPU冗余容錯技術(shù)的現(xiàn)場控制站，實(shí)現(xiàn)了在任何故障及隨機(jī)錯誤產(chǎn)生的情況下進(jìn)行糾錯與連續(xù)不間斷地控制。

2.8 采用橫河公司的V-NET控制總線，該控制總線速度可高達(dá)100Mbps。滿足了用戶對實(shí)時性和大規(guī)模數(shù)據(jù)通訊的要求。

2.9 較好的可擴(kuò)展性和與既有系統(tǒng)的兼容性。

3 DCS控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目總點(diǎn)數(shù)約為5700點(diǎn),DCS控制系統(tǒng)根據(jù)工藝流程分區(qū)設(shè)三個網(wǎng)絡(luò)域，分別對應(yīng)還原、高純原料（包括提純、氫化和綜合回收）和輔助系統(tǒng)（主要包括熱能站、制冷站、水泵站和三廢處理）。每個網(wǎng)絡(luò)域相對獨(dú)立，互不干擾，且可相互進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。還原域內(nèi)有3個控制器，高純原料和輔助系統(tǒng)域內(nèi)各有2個控制器，整個工程共有7個控制器，詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見下圖1。

圖1 項(xiàng)目DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

所有控制器按1:1冗余配置，模擬量輸入和輸出均為信號隔離，各種類型的I/O通道設(shè)計(jì)有至少15%的冗余量。

4 DCS控制系統(tǒng)硬件配置

4.1 操作站

操作站共32臺，其中還原域9臺；高純原料10臺；輔助系統(tǒng)5各車間每個車間2臺，共10臺；工程師站3臺，每個域一臺。每個操作站都能獨(dú)立操作，并可以顯示通訊總線上的所有數(shù)據(jù),包括實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。

4.2 通信接口

本項(xiàng)目的控制系統(tǒng)均設(shè)置TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信接口，并提供DCS控制系統(tǒng)對外的OPC數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)第三方數(shù)據(jù)與DCS系統(tǒng)中的控制實(shí)時或歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)還設(shè)有Pro?fibus-DP、Modbus通信接口，能夠與第三方設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，

4.3 通訊網(wǎng)絡(luò)

通訊總線應(yīng)采用冗余電纜并配置相應(yīng)的接口和控制卡件。該總線包括控制器總線及I/O鏈路。所有通訊均為雙重化的通訊總線，操作站將監(jiān)控兩根通訊總線的任何故障，一條通訊有故障時，另一條應(yīng)自動接上，無需任何人員操作。任何一路通訊總線故障都不會產(chǎn)生系統(tǒng)功能降級。

4.4 電源

用于控制器和I/O卡件的電源均為1:1冗余配置，電源負(fù)荷均留有至少40%以上的余量以保證正常供電。

5 DCS控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

各操作站有基本的操作監(jiān)視功能，包括操作監(jiān)視通用功能、操作監(jiān)視窗口、操作監(jiān)視支持功能、系統(tǒng)維護(hù)功能、控制狀態(tài)顯示窗口、趨勢功能、遠(yuǎn)程操作監(jiān)視服務(wù)器功能。

工程師站安裝了進(jìn)行CENTUM CS3000系統(tǒng)生成和維護(hù)管理的工程技術(shù)處理功能的軟件包。它除了有一般操作站具有的基本操作監(jiān)視功能外，還有控制組態(tài)功能、調(diào)試功能、在線維護(hù)功能、設(shè)備畫面的功能、與子系統(tǒng)通信功能等工程技術(shù)功能。

改良西門子法生產(chǎn)多晶硅工藝要求自控程度高，控制回路多，但大多以單回路控制為主。復(fù)雜的控制有吸附塔的順控、串級控制、比值分程控制等。以提純?yōu)槔瑢θ葰涔杈s塔的控制是通過調(diào)節(jié)再沸器的熱劑量來實(shí)現(xiàn)對塔的壓差控制。為了消除熱劑本身的波動干擾，加入了串級控制。系統(tǒng)組態(tài)如圖2所示。

圖2 精餾塔控制組態(tài)

組態(tài)中使用了常規(guī)PID控制功能塊，用以實(shí)現(xiàn)基本控制功能和串級控制功能，而CALCU控制功能塊為用戶提供了運(yùn)行過程中的一些聯(lián)鎖保護(hù)，它是通過程序方式實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)塔頂壓力超過設(shè)定值時，關(guān)閉精餾塔再沸器加熱介質(zhì)的閥門，防止塔壓升高發(fā)生安全事故。裝置投運(yùn)后，操作人員可以根據(jù)工藝生產(chǎn)情況，通過更改各個功能塊的工作方式，靈活調(diào)節(jié)復(fù)雜控制回路。

裝置投產(chǎn)后，實(shí)踐證明此復(fù)雜控制回路運(yùn)行可靠，能夠滿足了工藝操作的要求。

6 結(jié)語

該項(xiàng)目的DCS系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，穩(wěn)定可靠、操作簡單、維護(hù)方便，能夠滿足整個工藝生產(chǎn)的需要，充分發(fā)揮了現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了多晶硅生產(chǎn)的自動化，減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。由于該配套系統(tǒng)功能齊全、技術(shù)先進(jìn)、環(huán)保安全、故障率低，節(jié)約了大量的維護(hù)資金，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

[1]卜新平.國內(nèi)外多晶硅行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].化學(xué)工業(yè)，2008,26(7):32-33.

[2]趙江濤，王磊.橫河電機(jī)CS 3000DCS在鉀堿裝置中的應(yīng)用[J].河北化工，2008，31（8）.