單晶爐冷卻水狀態的監測報警系統設計

石卓立，祁永勝，王曉禹，李光耀

（中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

隨著環境污染問題逐漸加重，專家和學者對清潔能源進行深入研究，太陽能因其高儲量、便捷、安全等優點在清潔能源中脫穎而出，成為各國研究焦點，為了方便使用太陽能，技術人員研發各類太陽能電池。單晶硅作為太陽能電池的原材料，其制備過程被工程師進行廣泛而深入的研究，目前，高質量、大尺寸的單晶硅成品主要依靠單晶爐制備[1]。

單晶爐是一種能將多晶材料熔化并根據需求提煉單晶的設備，其制備單晶硅的工藝流程主要包括：加料、熔化、縮頸生長、等徑生長、尾部生長、冷卻等[2]，其中單晶硅“生長”的工藝過程對爐溫的要求較為苛刻，在爐體正常工作時，爐溫內部通常在1400 ℃以上，而單晶爐爐體大多使用不銹鋼材料，爐市內壁在150 ℃以上會變形，爐蓋內壁超過300 ℃也會變形，其他部位如副爐室在50 ℃以上就會變形，爐體各部位一旦變形，將直接影響單晶材料的制備合格率，造成巨大經濟損失，因此單晶爐的冷卻系統至關重要[3]。

1 研究對象

單晶爐冷卻系統大多采用雙層水冷式結構設計，要求工藝冷卻水進口流量、壓力、溫度等參數保持恒定，當出現動力源故障等突發情況造成無法供水時，需切換備用冷卻水源和動力源，這對冷卻系統的自動化水平提出要求。系統的關鍵在于爐體的工藝冷卻水流量、壓力、溫度的狀態監測及報警，當流量、溫度或壓力達到報警閾值時，現場報警器應迅速響鈴并切換成備用冷卻水源和動力源。

2 系統設計

冷卻水監測及報警系統包括硬件系統和軟件系統兩部分，若冷卻水狀態參數異常或設備出現故障時，單片機首先對實時采集的數據進行分析，待確定故障類型后觸發線上電話報警和現場報警器，并控制變頻器迅速切換備用冷卻水源和動力源。使用人接到報警信號后抵達現場，可切斷報警并依據系統的數據對單晶爐進行故障鑒定，基于單片機的單晶爐冷卻水監測及報警系統如圖1 所示。

圖1 基于單片機的單晶爐冷卻水監測及報警系統

2.1 硬件系統設計

硬件系統分為上位機與下位機兩部分，下位機包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、單片機（ZHC4941 RTU）、變頻器（MM430）、繼電器、變頻水泵、穩壓電源、接觸器等；上位機包括手機、觸摸屏，可控制水泵的延時啟停。硬件系統通過壓力、流量和溫度傳感器采集單晶爐冷卻系統進水閥和出水閥的工藝冷卻水狀態，再經信號采集卡采集以上信號后，實時顯示在觸摸屏上；其中，水泵的控制方式為兩臺自動運行、兩臺手動運行和一臺自動備用[4]。此外，在設備故障時能觸發電話報警和現場報警器，同時迅速切換備用冷卻水源和動力源，硬件系統原理如圖2 所示，硬件系統電氣線路如圖3 所示。

圖2 硬件系統原理

圖3 硬件系統電氣線路

2.2 軟件系統設計

系統選用的變頻器內置PID 模塊，可實現水流壓力的自動調節，軟件系統主要在于實現水泵啟動設置、系統故障信號分析、報警信號輸出、報警用戶管理、水流壓力、水流溫度和水流量的展示等功能。軟件系統基于縱橫智控RTU 附帶的組態軟件進行設計，警報觸發器的觸發設置如圖4 所示。

圖4 警報觸發器的觸發設置

2.3 單晶爐冷卻水監控系統的運行流程

因系統已考慮水泵故障時的自動切換，所以單晶爐冷卻水監控系統運行過程中，當系統故障時水泵運行流程如圖5 所示。

圖5 系統故障時水泵運行流程

3 功能實現

系統可在電腦端和手機端同時運行，較好的實現各需求功能，電腦端監控界面如圖6 所示，手機端監控界面如圖7 所示。

圖6 電腦端監控界面

圖7 手機端監控界面

狀態參數監測：微信小程序界面、電腦端界面均可實時顯示流經單晶爐工藝冷卻水的流體溫度，量程為-20～80 ℃。

故障報警并切換動力源：當流量、溫度和壓力參數超出閾值后，報警燈將點亮并觸發手機報警和現場報警器，同時切換成備用冷卻水源和動力源。

警報關閉：當使用人接受到報警信號后可自行關閉警報觸發器。

4 結束語

通過現場的運行調試，監測系統達到預期目標，能自動監測、故障處理和自動報警，當工藝冷卻水泵故障、斷電或斷水時依然能正常運行，確保各種情況下單晶爐都能正常運轉，此外系統在電腦端和手機端均能運行，方便可靠也大大節省人力成本，縮短設備的維修周期。