PLC技术在太阳能硅片清洗机控制上的应用

PLC 技术在太阳能硅片清洗机控制上的应用[摘要 ] 文章介绍了 PLC 的结构和工作原理，概述了太阳能硅片清洗机的结构和工艺流程，对 PLC 在太阳能硅片清洗机控制上的应用可行性进行了探讨， 对 PLC控制太阳能硅片清洗机梯形图及程序进行了分析，对太阳能硅片清洗机采用 PLC控制的优越性进行了总结。设备产品质量高，控制系统可靠性高，自动化水平高。随着 PLC技术的不断发展， PLC在太阳能硅片清洗机的控制上将有更广阔的应用前景。[关键词 ]太阳能硅片清洗机 ; PLC; 梯形图 ; 程序 ; 控制前 言近年来我国太阳能电池生产量和市场销售量分别以年均 15和 20的速度增长，去年全国太阳能电池产量达到 2.4 兆瓦，创历史新高。专家预测，未来 3-5 年内全国太阳能电池生产总量将猛增至 15-20 兆瓦。太阳能是一种清洁、可再生能源，而太阳能电池因为实现了直接将太阳能转化为电能而受到世界各国的重视。 去年全球太阳能电池生产量已达到 200 兆瓦， 总装机容量达到 100万千瓦。世界光伏界一般认为，到 2010 年太阳能电池成本将降低到可以与常规能源竞争。我国太阳能资源丰富，年日照数在 2200 小时以上的地区占国土面积的 2/3 以上。全国目前还有 6000 万人口需要解决电视、通讯、照明及生产用电问题，光伏电池的市场前景十分广阔。太阳能光伏产业的迅速发展，使得我国太阳能硅片清洗设备的发展举世瞩目，并呈现稳定增长势头。伴随着硅片的大直径化 , 器件结构的超微小化、高集成化 , 对硅片的洁净程度、 表面的化学态、 微粗糙度等表面状态的要求越来越高， 主流工艺已经在从 90nm向 65nm过渡。高集成化的器件要求硅片清洗必须减少给硅片表面带来的破坏和损伤 , 减少溶液本身或工艺过程中带来的玷污。而太阳能清洗设备也正向着小型化、非盒式化及一次完成化方向发展 , 以减少工艺过程中的玷污 , 满足 90nm乃至 65nm级器件工艺的要求。这无论对清洗工艺还是对清洗设备都是一个极大的挑战 , 传统的清洗方法已不能满足要求。江苏林洋新能源有限公司采用的是深圳捷佳创精密设备有限公司的硅片清洗设备，本设备是一个全自动的处理设备，清洗过程由三菱 FX2N系列 PLC控制，操作员通过 10.4 英寸彩色触摸屏控制生产。PLC控制的清洗设备有如下的特点 1、可靠性高，由于采取了一系列的 PLC高可靠性的措施， PLC的平均无故障时间（ MTBF）一般可达 35 万小时。而且 PLC的环境适应性也很强， 它能在工业环境下可靠地工作； 2、 编程简单， PLC最常用的编程语言是梯形图语言。这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当工作流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活； 3、体积小、结构紧凑、安装、维修方便。 PLC的体积小，重量轻，便于安装。一般 PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易通过更换模块插件来迅速排除故障。 PLC 的结构紧凑，它与被控对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。第 1 章 概 述1.1 PLC 的由来20 世纪 60 年代末，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（ GM）为了适应汽车型号不断更新的需要，试图寻找一种新的生产线控制方法，使之尽可能地减少重新设计继电器控制系统的工作量以及尽量减少控制系统硬连接线的数量， 以降低生产成本， 缩短制造周期，减少生产线的故障率，从而有效地提高生产效率。首先，由美国数字设备公司（ DEC）研制出符合上述想法的工业控制装置， 命名为可编程逻辑控制器， 即 PLC（ Programmable Logic Controller ） 。 1969 年，第一台 PLC在 GM公司汽车生产上首次运行，成功地取代了沿用多年的继电器控制器系统，尽管当时的 PLC 功能仅具有逻辑控制、定时、计数等功能 , 但却标志着一种新型的工业控制装置问世。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展， 20 世纪 70 年代中期又出现了微处理器和微型计算机，这些新技术很快被用到 PLC之中，使得 PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了运算、 数据处理和传递等功能， 从而成为具有计算机功能的新型工业控制装置。 1980年美国电器制造商协会 NEMA正式将其命名为可编程控制器 Programmable Controller简称 PC。1.2 PLC 的分类与特点PLC一般可按 I/O 点数和结构形式分类。按 I/O 点数可分为小型、中型和大型几类。一般小于 512 点为小型 PLC。 512～ 2048 点为中型， 2048 点以上为大型 PLC。按结构形式可分为整体式和模块式两类。整体式 PLC又称为单元式或箱体式。整体式 PLC是将电源、CPU、 I/O 部件都集中在一个机箱内 , 其结构紧凑、体积小、价格低。模块式 PLC是将 PLC各部分分成若干个单独的模块 , 如 CPU模块、 I/O 模块、电源模块和各种功能模块。有时可根据需要将整体式和模块式结合起来 , 称为叠装式 PLC。它除基本单元和扩展单元外 , 还有扩展模块和特殊功能模块 , 配置比较合理。 PLC的特点 1 可靠性高 2 编程简单 3 通用性强 4体积小、结构紧凑 , 安装、维修方便。1.3 PLC 的应用领域与发展趋势PLC 已广泛应用于国内外的机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中。若按应用类型来划分 ,PLC 的应用领域大致可分为如下几个领域。 1、开关逻辑控制 2、闭环构成控制 3、位置控制 4、监控系统 5、分布式系统。 PLC的发展趋势 1、向高速度、大存储容量方向发展； 2、向多品种方向发展； 3、编程语言多样化； 4、发展智能模块； 5、加强联网和通信功能。1.4 PLC 的结构和工作原理PLC主要有中央处理单元 CPU、存储器 RAM、 ROM、输入 / 输出部件 I/O 、电源和编程器几大部分组成。PLC是以微机处理器为核心的数值式电子、电气自动控制装置 , 也可以说是一种专用微型计算机。各种 PLC 的具体结构虽然多种多样 , 但组成的一般原理基本相同，即都是以微处理器为核心， 并辅以外围电路和 I/O 单元等硬件所构成的。 正像通用的微机一样 ,PLC 的各种功能的实现 , 不仅基于其硬件的作用 , 而且要靠其软件的支持。实际上， PLC 就是一种工业控制计算机，其系统组成、工作原理、操作使用原理都与计算机相同。PLC 的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的。表达方式有多种多样，不同的 PLC生产厂家，不同的机种，采用的表达方式也不相同。但基本上可归纳为字符表达式 即用文字符号来表达程序 , 如语句表程序表达方式 和图形符号表达方式 即用图形符号来表达程序 , 如梯形图程序表达方式 这两大类。也有将这两种方式结合起来表示PLC的程序。（ 1）梯形图 PLC 的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似，它形象、直观、实用 , 为广大电气技术人员所熟知。这种变成语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读。当今世界各国的 PLC制造家所生产的 PLC大都采用梯形图语言编程。（ 2） 指令表 用指令表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式。由于不同型号的 PLC的表识符和参数表示方法不一，所以无千篇一律的格式。（ 3）逻辑符号图 采用逻辑符号图表示控制逻辑时 , 首先要定义某些逻辑符号的功能和变量函数，它类似于“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。一般来说，用这三种逻辑能够表达所有的控制逻辑。这是国际电工委员会 IEC 颁布的 PLC 编程语言之一。（ 4）高级语言编程 随着软件技术的发展，近年来推出的 PLC，尤其是大型的 PLC，已开始用高级语言进行编程。许多 PLC采用类似 PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。采用高级语言编程后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作 PLC。除了完成逻辑控制功能外，还可以进行 PID 调节、数据采集和处理以及与计算机通信等。1.5 PLC 的工作方式通常把 PLC看作是由等效的继电器、计时器、计数器等元件组成的装置。 PLC采用循环扫描的工作方式，其工作过程可分为 内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段， 整个过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。 在内部处理阶段 ,PLC 检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视计时器，以及完成其他一些内部处理。在通信处理阶段， PLC 与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。在 PLC处于停止运行状态时，只完成内部处理和通信服务工作。在 PLC处于运行状态时，除完成上述操作外，还要完成输入处理、程序执行、输出处理工作。1.6 PLC 应用系统的设计步骤PLC应用系统的设计一般按下述几个步骤进行（ 1）熟悉被控对象 首先要全面详细地了解被控对象的机械结构和生产工艺过程，了解机械设备的运动要求、运动方式和步骤 , 归纳出工作循环图或状态 功能 图。（ 2）明确控制任务与设计要求 要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对控制系统的要求，归纳出电气执行元件的动作节拍表。 PLC 控制系统的根本任务就是正确实现这个节拍表。（ 3）指定电器控制方案 根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定控制系统的工作方式，还要确定系统应有的其它功能。（ 4）确定控制系统的输入输出信号 通过研究工艺过程或机械运动的各个步骤、各种状态、各种功能的发生、维持、结束、转换和其它的相互关系，来确定各种控制信号和检测反馈信号、 相互的转换和联系信号。 并且确定哪些信号需要输入 PLC， 哪些信号要由 PLC输出或者哪些外部负载要由 PLC驱动，分类统计出各输入输出量的性质及参数。（ 5） PLC的选型与硬件配置 根据以上步骤得到的结果，选择合适的 PLC型号并确定各种硬件配置。（ 6） PLC元件的编号分配 对各种输入输出信号占用 PLC输入、输出端点及其它 PLC元件进行编号分配，并设计出 PLC的外部线路图。（ 7）程序设计 程序设计是 PLC系统应用中最关键的问题，也是整个控制系统设计的核心，其主要工作就是要设计出梯形图和语句表程序。（ 8）模拟运行与调试程序 将设计好的程序通过编程器或微机传送至 PLC内部之后，首先要逐条进行检查和验证，改正程序设计中的逻辑、语法、数据错误或输入过程中的按键及传输错误，然后，可以在实验室里进行模拟运行与调试程序，观察在可能的情况下个输入量、输出量之间的变化关系是否符合设计要求，发现问题及时修改设计，并改正传送到 PLC 中去的程序， 直到完成满足工作循环图或状态流程图的要求。 在进行程序设计和模拟运行调试的同时，可以进行平行地进行控制系统的其它部分的设计、装配、安装和接线工作。（ 9）现场运行调试 完成以上各种工作之后，即可将已初步调试好的程序传送到现场使用的 PLC存储器中， PLC接入实际输入信号与实际负载，进行现场运行调试，即解决调试中发现的问题，直到完全满足设计要求，即可交付使用。第 2 章 太阳能硅片清洗机 PLC控制设计2.1 太阳能硅片清洗机的介绍太阳能硅片清洗机由槽体、 移栽机械手、 抽风装置、 人机界面和电控柜等五部分组成，其控制部分主要由三菱 FX2N系列 PLC控制，操作员通过 10.4 英寸彩色触摸屏控制生产。其生产工艺流程如图 1 所示，手动将装有硅片的提篮放入上料位，移载机械手抓取提篮，按设定程序将提篮转移到各工艺槽进行腐蚀或清洗，相关工艺槽具有加热、超声、喷淋、排液、温度检测、液位检测等功能，完成处理过程后，机械手将提篮转移至下料位，手动取出提篮。硅片检验 硅片插合制绒面HF酸慢拉喷淋漂洗 去损伤层HCl酸干燥 检测漂洗漂洗喷淋上料清洗工艺流程图 1 清洗工艺流程2.2 PLC 应用可行性及优越性PLC控制的清洗设备有如下的特点1、 可靠性高， 由于采取了一系列的 PLC高可靠性的措施， PLC的平均无故障时间 （ MTBF）一般可达 35 万小时。而且 PLC的环境适应性也很强，它能在工业环境下可靠地工作；2、编程简单， PLC最常用的编程语言是梯形图语言。这种编程语言形象直观，容易掌握， 不需要专门的计算机知识， 便于广大现场工程技术人员掌握。 当工作流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活；3、体积小、结构紧凑、安装、维修方便。 PLC 的体积小，重量轻，便于安装。一般PLC 都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易通过更换模块插件来迅速排除故障。 PLC 的结构紧凑，它与被控对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。2.3 PLC 控制清洗机的程序设计2.3.1 PLC 的选型选择日本三菱 FX2N系列小型模块按 I/O 点数分类， 一般小于 512 点为小型 PLC， 512～2048 点为中型 ,2048 点以上为大型 PLC。此清洗机输入输出点小于 256 点应选小型 PLC，即选 FX2N-128MR加扩展单元 FX2N-48ER。表 1-1 FX2N 系列 PLC技术指标电 源 AC110120V/220240V单相 5060Hz 电源波动范围 AC99 132V/198 264V，电源可瞬间失效 10ms 环境温度 0 55℃环境湿度 4596（无凝露）防震性能 1055Hz， 0.5mm（最大 2G）抗冲击性能 10G，在 x， y， z 三个方向定时抗噪声能力 X504V 峰 - 峰值， 1μ s， 30100Hz（噪声模拟器）击穿电压（绝缘耐压） AC1500V， 1min（接地端与其它端子间）绝缘电阻 5MΩ ， 500VDC（接地端与其它端子间）接地电阻 小于 100Ω （如接地有困难可不接地）环境 无腐蚀性气体，无导电粉末，微粒2.3.2 可编程控制器的输入与输出分配PLC I/O 接口分配表X0 臂停止 Y0 X1 自动 / 手动 Y1 X2 自动起动 Y2 X3 自动停止 Y3 X4 蜂鸣停止 Y4 运行指示X5 紧急停止 Y5 原点指示X6 电机过载 Y6 故障指示X7 变频报警 Y7 蜂鸣器X10 1 槽水位仪 Y10 1 槽水泵X11 2 槽水位仪 Y11 2 槽水泵X12 3 槽水位仪 Y12 3 槽水泵X13 4 槽水位仪 Y13 4 槽水泵X14 5 槽水位仪 Y14 5 槽循环水泵X15 7 槽水位仪 Y15 5 槽补水泵X16 8 槽水位仪 Y16 8 槽水泵X17 9 槽水位仪 Y17 10 槽循环水泵X20 1机上升到位 Y20 1机横移左行X21 1机上减速位 Y21 1机横移右行X22 1机下减速位 Y22 1机横移慢速X23 1机下降到位 Y23 1机横移快速X24 1机上升 Y24 1机提拉上升X25 1机下降 Y25 1机提拉下降X26 1机左移 Y26 1机提拉慢速X27 1机右移 Y27 1机提拉快速X30 上料位 Y30 1后盖开X31 1槽位 Y31 1后盖闭X32 2槽位 Y32 2后盖开X33 3槽位 Y33 2后盖闭X34 4槽位 Y34 3后盖开X35 5槽位 Y35 3后盖闭X36 6槽位 Y36 1机横移刹车X37 1机下钩位 Y37 1机提拉刹车X40 1后盖开位 Y40 10 槽补水泵X41 1后盖闭位 Y41 上料电机X42 2后盖开位 Y42 下料电机X43 2后盖闭位 Y43 干燥抽风机X44 3后盖开位 Y44 酸槽抽风机X45 3后盖闭位 Y45 碱槽抽风机X46 4后盖开位 Y46 炉 1 风机X47 4后盖闭位 Y47 炉 2 风机X50 6后盖开位 Y50 1 槽自动加热X51 6后盖闭位 Y51 2 槽自动加热X52 11后盖开位 Y52 3 槽自动加热X53 11后盖闭位 Y53 4 槽自动加热X54 13后盖开位 Y54 予交换槽加热X55 13后盖闭位 Y55 热交换槽加热X56 14后盖开位 Y56 炉 1 自动加热X57 14后盖闭位 Y57 炉 2 自动加热X60 2机上升到位 Y60 2机横移左行X61 2机上减速位 Y61 2机横移右行X62 2机下减速位 Y62 2机横移慢速X63 2机下降到位 Y63 2机横移快速X64 2机上升 Y64 2机提拉上升X65 2机下降 Y65 2机提拉下降X66 2机左移 Y66 2机提拉慢速X67 2机右移 Y67 2机提拉快速X70 空 Y70 4后盖开X71 7槽位 Y71 4后盖闭X72 8槽位 Y72 1排放阀X73 9槽位 Y73 补风机X74 10槽位 Y74 2排放阀X75 10槽水位 Y75 11 槽喷淋X76 12槽水位 Y76 2机横移刹车X77 2下钩位 Y77 2机提拉刹车X100 上料位检测 1 Y100 6后盖开X101 上料位检测 2 Y101 6后盖闭X102 下料位检测 1 Y102 11后盖开X103 下料位检测 2 Y103 11后盖闭X104 预热槽水位 Y104 炉 1 后盖开X105 储水槽 1 水位 Y105 炉 1 后盖闭X106 储水槽 2 水位 Y106 炉 2 后盖开X107 热交换槽水位 Y107 炉 2 后盖闭X110 3机上升到位 Y110 3机横移左行X111 3机上减速位 Y111 3机横移右行X112 3机下减速位 Y112 3机横移慢速X113 3机下降到位 Y113 3机横移快速X114 3机上升 Y114 3机提拉上升X115 3机下降 Y115 3机提拉下降X116 3机左移 Y116 3机提拉慢速X117 3机右移 Y117 3机提拉快速X120 1-2 交错开关 Y120 3排放阀X121 3-4 交错开关 Y121 4排放阀X122 11槽位 Y122 7排放阀X123 12槽位 Y123 9排放阀X124 13槽位 Y124 6 槽喷淋X125 14槽位 Y125 超声波X126 下料位 Y126 3机横移刹车X127 3机下钩位 Y127 3机提拉刹车X130 1臂上保护 Y130 1补水阀X131 1臂下保护 Y131 2补水阀X132 1臂横移保护 Y132 3补水阀X133 2臂上保护 Y133 4补水阀X134 2臂下保护 Y134 7补水阀X135 2臂横移保护 Y135 9补水阀X136 3臂上保护 Y136 空X137 3臂下保护 Y137 空X140 3 臂 横移保护 Y140 总补水泵X141 1手动补水 Y141 空X142 2手动补水 Y142 空X143 3手动补水 Y143 空X144 4手动补水 Y144 空X145 7手动补水 Y145 空X146 9手动补水 Y146 空X147 空 Y147 空2.3.3 梯形图与指令表1 时间设定指令表序号 指令 数据0 LD M8000 1 MUL D411 K60 D440 8 MOV D440 D511 D511 1 设定时间13 MUL D412 K60 D442 20 MOV D442 D512 D512 2 设定时间25 MOV D512 D513 D512 2 设定时间D513 3 设定时间30 MOV D512 D514 D512 2 设定时间D514 4 设定时间35 MUL D415 K60 D448