張鳳西, 鄭 萍， 馮濟(jì)武， 吳 晨， 劉 江

(1.西華大學(xué)，電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039； 2.成都京東方光電科技有限公司，四川 成都 611731)

0 引 言

TFT(Thin Film Transistor)LCD 是有源矩陣液晶顯示器(AM LCD)的典型代表，廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、攝像機(jī)、監(jiān)視器等方面，是液晶乃至整個(gè)平板顯示技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。在TFT-LCD的生產(chǎn)中50%以上工序需要超純水沖洗基板。超純水系統(tǒng)的產(chǎn)水率、產(chǎn)水水質(zhì)、穩(wěn)定性和可靠性將直接關(guān)系TFT-LCD的產(chǎn)品的不良率和生產(chǎn)成本。

早期工業(yè)生產(chǎn)對超純水的水質(zhì)要求相對較低，其制備主要采用離子交換方式。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，對超純水質(zhì)量要求不斷提高，RO-混床技術(shù)取代了傳統(tǒng)的離子交換工藝。隨著超純水工藝的發(fā)展，制備控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，超純水處理控制系統(tǒng)從DCS(Distributed Control System)過渡到采用PLC的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)[1]。本項(xiàng)目采用了先進(jìn)PLC冗余技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、組態(tài)軟件等技術(shù)集成設(shè)計(jì)了超純水控制系統(tǒng)，以滿足TFT-LCD有源矩陣液晶顯示器的超純水制備新工藝對控制系統(tǒng)的安全性，可靠性、集中監(jiān)控等方面的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

超純水處理系統(tǒng)是從普通自來水至超純水制備的完整生產(chǎn)系統(tǒng)。自來水中含有溶解性固體、溶解性有機(jī)物、溶解性氣體、顆粒物和微生物等，需要通過相應(yīng)的工藝流程對其進(jìn)行處理。本系統(tǒng)采用當(dāng)今最先進(jìn)的RO混床工藝，其工藝流程分預(yù)處理系統(tǒng),RO系統(tǒng)，制成系統(tǒng)和拋光系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 超純水工藝流程圖

預(yù)處理系統(tǒng)通過多介質(zhì)過濾器(MMF)去除水中的大顆粒溶解性固體；RO系統(tǒng)中先經(jīng)活性炭過濾器(ACF)去除水中的總有機(jī)碳(TOC)和余氯，再通過陰床和陽床(CAX)去除無級成鹽離子；制成系統(tǒng)先通過混床(MBX)生成穩(wěn)定的水分子,再通過膜脫氣去除水中溶解性氣體；最后通過拋光系統(tǒng)截留溶解性大分子和所有大于0.2 μm的離子，有機(jī)溶劑和其他小的溶解性物質(zhì)，得到超純水。

1.2 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

1.2.1系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)

由于整個(gè)系統(tǒng)信息采集量大，控制過程復(fù)雜，為此設(shè)計(jì)了三層結(jié)構(gòu)(監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層)的超純水控制系統(tǒng)[3]。設(shè)備層由分布式I/O ET200M連接現(xiàn)場操作箱、現(xiàn)場設(shè)備檢測單元(溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器等)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電動(dòng)機(jī)、電磁閥)等，設(shè)備層的信息由Profibus總線傳遞；控制層主要包括S7-400H系列冗余PLC和相應(yīng)冗余電源模塊，通過冗余以太網(wǎng)通信模塊進(jìn)行雙機(jī)的信息交互；監(jiān)控層采用InTouch組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的具有遠(yuǎn)程功能的多機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對各受控設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)控。車間級監(jiān)控和管理級監(jiān)控通過OPC(OLE for Process Control)通信[4]。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 超純水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)[5]。由于超純水制備系統(tǒng)信息采集量大，分布范圍廣，系統(tǒng)采用分布式I/O進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用S7-400H PLC進(jìn)行集中監(jiān)控[6]。S7-400H具有極高的處理速度，可以簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很好地完成全部的控制功能。但另一方面，系統(tǒng)的控制完全集中，造成一定的控制風(fēng)險(xiǎn)，因此，需采用雙機(jī)冗余系統(tǒng)以解決可靠性問題[7]。

S7-400H具有良好的通信功能，可以實(shí)現(xiàn)硬件熱冗余，并具有容錯(cuò)能力。冗余系統(tǒng)包括冗余供電模塊、冗余的CPU、冗余通訊鏈路、冗余分布式I/O接口模件等。通過故障檢測，將發(fā)生問題的的單元自動(dòng)切換到備用單元以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不中斷工作[8]。

電源供電包括CPU供電，通信模塊供電，分布式I/O模塊供電。冗余系統(tǒng)供電采用兩路不同的電源電纜分別經(jīng)兩個(gè)UPS供電裝置對系統(tǒng)進(jìn)行供電。

處理器的冗余通過兩個(gè)完全相同的S7-400H完成。正常情況下，主、副PLC同時(shí)接收I/O信號(hào)，但是只有主PLC處于控制狀態(tài)，發(fā)指令給現(xiàn)場設(shè)備，而副PLC通過同步模塊跟蹤主PLC，處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)主PLC發(fā)生故障時(shí)，副PLC從備用狀態(tài)無擾切換至控制狀態(tài)，執(zhí)行控制權(quán)。反之，當(dāng)處于控制狀態(tài)的原備用PLC發(fā)生故障時(shí)，已經(jīng)修復(fù)好的原主PLC也可無擾切換至控制狀態(tài)。

Profubus現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信鏈路冗余采用兩套單模塊單電纜雙工方式通信,即由兩套單網(wǎng)組成[9]。處理器程序監(jiān)控兩路通信模塊的狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，當(dāng)檢測到相關(guān)的通信故障時(shí)，由處理器中程序改變當(dāng)前工作通信模塊和后備通信模塊的標(biāo)準(zhǔn)位，使通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換，同時(shí)給出報(bào)警信息和描述，通知工作人員進(jìn)行處理[10]。

分布式I/O 采用冗余的ET200M的方式，即每個(gè)ET200M配備冗余的IM153-2接口，ET200M將現(xiàn)場信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)打包后由兩Profibus-DP接口經(jīng)不同的Profibus現(xiàn)場總線鏈路同主/從處理器單元進(jìn)行通信[11]。

2 超純水控制系統(tǒng)硬件選型

2.1 底層檢測元件與執(zhí)行元器件選型

整個(gè)控制系統(tǒng)需檢測管道水流流量、溫度、壓力以及罐的液位高度等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有變頻器(改變泵的運(yùn)行頻率)和調(diào)節(jié)閥(控制閥門開度)等，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)維持整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。溫度控制器、流量傳感器、液位傳感器等通過連接電纜連接到分布式I/O模塊層，然后通過Profibus-DP連接到PLC控制器。根據(jù)系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的精度及量程范圍，其主要檢測元件與執(zhí)行元器件選型如下：

(1) 溫度變送器的選型。選用德國E+H TR10-AAD1BHSAR3000溫度變送器。

(2) 流量計(jì)的選型。采用美國G+F轉(zhuǎn)子流量計(jì)P51530-P1 198801621， 美國G+F電導(dǎo)變送器3-8550-1P GF流量變送器。

(3) 壓力變送器的選型。德國E+H PTC31-A1C11HUAF1A。

(4) 液位計(jì)選型。德國 E+H FMR244-A2VGGSAA2A。

(5) 變頻器的選型。選用ABB ACS510-01-09A4-4，輸入4～20 mA，內(nèi)置高品質(zhì)的PID控制器。

超純水生產(chǎn)流程對水的電導(dǎo)率、溶解氧、溶解硅、硼離子和微粒數(shù)有嚴(yán)格要求，需要采用相關(guān)的分析儀表進(jìn)行檢測和顯示，系統(tǒng)對分析儀的靈敏度和準(zhǔn)確度也都有嚴(yán)格要求。控制系統(tǒng)在活性碳過濾器測量余氯；在陰離子交換樹脂塔、反滲透膜、混床、拋光混床出口處測量電阻值。在最后超濾出水口對電阻值、溶解氧、微粒數(shù)、總有機(jī)碳等參數(shù)進(jìn)行綜合檢測。檢測的信號(hào)作為輸入信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制器中進(jìn)行處理。

(1) 電導(dǎo)率分析儀選型。選用Mettler Toledo公司生產(chǎn)的電導(dǎo)率儀。

(2) 溶解氧分析儀選型。選用Orbisphere公司Orbi-sphere 510型分析儀。

(3) 溶解硅分析儀選型。選用Polymetron公司921 0Silkostat型分析儀。

(4) 微粒數(shù)分析儀選型。選用HACH ULTRA ORBISPHERD 410。

(5) 總有機(jī)碳分析儀選型。選用Anatel公司A-1000XP型分析儀。

2.2 分布式I/O信號(hào)的分配

通過對底層檢測及執(zhí)行元器件的分析，確定輸入輸出信號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)功能及位置分布，將分析得出的分布式I/O放入5個(gè)控制柜(Control panel)以方便布線。

CP00(0號(hào)控制柜)的分布式I/O主要控制系統(tǒng)內(nèi)除RO高壓泵外的所有水泵的啟動(dòng)、停止，監(jiān)視水泵的狀態(tài)(運(yùn)行、停止、遠(yuǎn)程)等。CP01主要控制RO單元，陰床、陽床、初級混床閥門，超純水閥門和壓力調(diào)節(jié)閥，監(jiān)視RO單元壓力、產(chǎn)水流量和電導(dǎo)率，高壓泵運(yùn)行頻率，陰床、陽床的進(jìn)水流量，產(chǎn)水電導(dǎo)率等。CP02主要控制回收活性炭過濾器和回收反滲透系統(tǒng)的氣動(dòng)閥，拋光系統(tǒng)熱交換器溫度調(diào)節(jié)閥，超純水泵的啟停，超純水箱液位控制閥，初級混床的流量控制閥，陰床進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥；主要監(jiān)視超純水泵運(yùn)行、停止、故障狀態(tài)，拋光系統(tǒng)的系列儀表，RO高壓泵運(yùn)行狀態(tài)，CDA壓力，KS98狀態(tài)，以及終端分析儀表。CP03主要控制多介質(zhì)過濾器閥門，前處理熱交換器溫度控制閥，RO水外輸泵的啟停、頻率調(diào)節(jié)，RO前處理水箱的液位控制流量調(diào)節(jié)閥；主要監(jiān)視原水池液位，CDA壓力，RO水外輸泵的運(yùn)行、停止、故障狀態(tài)，過濾水箱、純水箱液位，反洗泵、過濾水泵、RO外輸泵、混床升壓泵、混床再生水泵等的流量，原水電導(dǎo)率。CP04主要控制ACF閥門，化學(xué)品桶槽自動(dòng)閥，原水箱自來水補(bǔ)水閥，計(jì)量泵啟停，HEX溫度調(diào)節(jié)閥等；主要監(jiān)視原水池液位，CDA壓力，RO水外輸泵的運(yùn)行、停止、故障狀態(tài)，過濾水箱、超純水箱液位，原水泵、過濾水泵、反洗泵、RO外輸泵、混床升壓泵、混床再生水泵等的流量，原水電導(dǎo)率，化學(xué)品桶槽液位。CP05主要控制所有地下室自動(dòng)閥門、循環(huán)泵、輸送泵的啟停；主要監(jiān)視所有泵的遠(yuǎn)程、本地、故障狀態(tài)、運(yùn)行停止?fàn)顟B(tài)、所有收集桶槽的液位、輸送泵出口流量、收集水的電導(dǎo)率、TOC、pH。

2.3 PLC控制系統(tǒng)硬件選型及組態(tài)

首先根據(jù)冗余方案選擇CPU系列及相應(yīng)的電源、通信模塊，再根據(jù)生產(chǎn)工藝中各控制設(shè)備的位置，分配I/O塊，選擇數(shù)字/模擬量輸入輸出模塊型號(hào)。PLC控制系統(tǒng)硬件選型如下：

(1) 電源。PS407 10A，CPU電源6ES7-0KR01-0AA0，2個(gè)，分別向主/從處理器供電；UPS 24V VDC電源，2個(gè)；

(2) 處理器。CPU414-4H，6ES7 14-4HM14-0AA0，集成程序/數(shù)據(jù)2M字節(jié)，可擴(kuò)展8M字節(jié)，2個(gè)，分別作為主/從處理器；

(3) 數(shù)字輸入模塊。6ES7 321-1 BL00-0AA0，32位數(shù)字輸入點(diǎn)，8個(gè)；6ES7 321-1 BH01-0AA0，16位數(shù)字輸入點(diǎn)，2個(gè)；

(4) 數(shù)字輸出模塊。6ES7 322-1BL01-0AA0，32位數(shù)字輸出點(diǎn)，1個(gè)；6ES7 322-1BH01-0AA0，16位數(shù)字輸出點(diǎn)，23個(gè)；

(5) 模擬輸入模塊。6ES7 331-7KF02-0AB0，12位，8位模擬量輸入點(diǎn)，16個(gè)；

(6) 模擬輸出模塊。6ES7 332-5HD01-0AB0，12位，4位模擬量輸出點(diǎn)，11個(gè)；

(7) 通訊處理器。選用了CP 443-1，6GK7 443-1EX11-0XE0，將PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)上，通過以太網(wǎng)交換機(jī)EDS-408A相互交換數(shù)據(jù)，且上位能夠讀寫處理器中的數(shù)據(jù)，2個(gè)；

(8) 分布式模塊化。I/O站ET 200M；6ES7 153-2BA02-0XB0，通過接口模塊IMl53-2，將ET200M作為從站分別連接到Profibus-DP上，18個(gè)；

(9) 中繼器。6ES7 972-0AA01-0XA0，2個(gè)。

系統(tǒng)硬件選定后，在Step7中HW-Config工具中進(jìn)行硬件組態(tài)。

3 超純水控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在STEP7中，將用戶編寫的程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在塊中，使單個(gè)的程序部件標(biāo)準(zhǔn)化，通過在塊內(nèi)和塊際之間類似子程序的調(diào)用，使用戶程序結(jié)構(gòu)化。組織塊是操作系統(tǒng)與用戶程序的接口，由操作系統(tǒng)調(diào)用，用于控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行、PLC的啟動(dòng)和錯(cuò)誤處理等。組織塊中OB1用于循環(huán)處理，是用戶程序中的主程序。本系統(tǒng)即采用主程序OB1中調(diào)用功能塊的方式實(shí)現(xiàn)，每個(gè)功能塊對應(yīng)圖1所示工藝流程中的某個(gè)設(shè)備控制系統(tǒng)，該級功能塊下可嵌套多級功能塊，下一級功能塊可分別實(shí)現(xiàn)對該設(shè)備中的報(bào)警、閥門、泵、檢測等信號(hào)的控制。根據(jù)超純水處理工藝要求，系統(tǒng)主要是進(jìn)行過程控制和順序控制。

過程控制主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)溫度、液位、流量、壓力、電導(dǎo)率等參數(shù)采集，以調(diào)節(jié)熱水閥門開度、超純水罐各閥門開度、變頻器頻率設(shè)定、啟動(dòng)多介質(zhì)過濾器和活性碳過濾器反洗，陰陽床和混床再生程序，達(dá)到最佳控制效果。

順序控制實(shí)現(xiàn)PLC對多介質(zhì)過濾器、活性碳過濾器、陰陽床、混床等組件的啟動(dòng)、停車及各設(shè)備間的關(guān)聯(lián)控制。按照工藝要求對純水處理系統(tǒng)的各個(gè)單元進(jìn)行順序控制，并對水質(zhì)不達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行順序調(diào)整，從而控制整個(gè)制備系統(tǒng)水質(zhì)[12]。

3.1 多介質(zhì)過濾器程序設(shè)計(jì)

多介質(zhì)過濾器(MMF)主要包含運(yùn)行和反洗兩個(gè)階段，運(yùn)行階段通過內(nèi)部填裝的過濾介質(zhì)攔截水中不溶于水的大顆粒、懸浮物。運(yùn)行時(shí)間超過1天或產(chǎn)水流量累積值超過設(shè)定值,MMF失效，進(jìn)入反洗階段。流程圖如圖3所示。

3.2 活性炭過濾器單元程序設(shè)計(jì)

活性炭過濾器(ACF)分運(yùn)行和反洗兩個(gè)階段，運(yùn)行時(shí)水中的部分總有機(jī)碳被吸附，并去除水中的余氯。運(yùn)行時(shí)間超過1天或產(chǎn)水流量超過設(shè)定值A(chǔ)CF進(jìn)入反洗。進(jìn)行反洗時(shí)需確定沒有其他的ACF、 MMF進(jìn)入反洗或RO濃水箱液位低于低液位。流程圖如圖4所示。

圖3 多介質(zhì)過濾器程序流程

圖4 活性炭過濾器單元程序流程

3.3 陰陽床程序設(shè)計(jì)

陰陽離子交換器(CAX)分運(yùn)行和再生兩個(gè)階段。運(yùn)行階段，水中的溶解物雜質(zhì)，無機(jī)成鹽離子基本上被去除掉，同時(shí)二氧化硅膠體也被有效去除掉。CAX先運(yùn)行預(yù)沖洗直至水質(zhì)在要求范圍。陰床出水的電導(dǎo)率超過設(shè)定值或總的產(chǎn)水量超過設(shè)定點(diǎn), 水質(zhì)測試儀器將啟動(dòng)耗盡信號(hào),進(jìn)入水質(zhì)再生程序。流程圖如圖5所示。

3.4 初級混床單元程序設(shè)計(jì)

混床包含運(yùn)行和再生兩個(gè)階段。運(yùn)行階段，水中的陽離子和陽樹脂上的氫離子發(fā)生交換，從而置換出氫離子，而陰離子和附近的陰樹脂發(fā)生交換將氫氧根離子置換下來，被置換下來的氫離子和氫氧根離子結(jié)合而生成穩(wěn)定的水分子。運(yùn)行混床的產(chǎn)水電阻率很低或累積產(chǎn)水流量超過設(shè)定點(diǎn)，混床進(jìn)入再生階段。流程圖如圖6所示。

圖5 陰陽床程序程序流程

4 上位監(jiān)控層設(shè)計(jì)

監(jiān)控層分為車間中控室單上位機(jī)監(jiān)控和管理級系統(tǒng)監(jiān)控兩部分。

在車間中控室監(jiān)控部分，使用Wonderwell公司的InTouch 10.0組態(tài)軟件開發(fā)上位界面，通過Wonderwell-System Management Console-DASS的方式讀取PLC中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備層設(shè)備的控制，對超純水各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、溫度、管道壓力、管道水流量、電機(jī)切換時(shí)刻等進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置；設(shè)置了操作員、管理員和維護(hù)員三種等級的權(quán)限，確保了使用人員對系統(tǒng)安全的操作[13]。組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)過程包括以下四步：

(1) 在標(biāo)記名字典中定義變量。對每個(gè)變量指定標(biāo)記名和變量類型。

圖6 初級混床程序流程

(2) 畫面繪制。大多采用基本繪圖工具繪制圖形，較復(fù)雜的圖形對象采用多圖形組合的方式完成?？蓪⒗L制好的圖形保存為SmartSymbol文件，以供同類畫面重復(fù)使用。

(3) 動(dòng)畫鏈接。選中要執(zhí)行動(dòng)畫的符號(hào)，雙擊，通過在線填充、表達(dá)式或相應(yīng)的腳本程序?qū)崿F(xiàn)畫面動(dòng)作。

(4) I/O通訊。首先對DCOM進(jìn)行配置；配置DA Server與PLC的連接；配置完后激活DA Server；最后使用InTouch引用DA Server的數(shù)據(jù)[14]。

采用多畫面的設(shè)計(jì)方法，其窗口的顯示畫面由總體畫面及各子系統(tǒng)裝置畫面組成，各個(gè)畫面之間可自由切換；設(shè)計(jì)了報(bào)警功能，能及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示報(bào)警發(fā)生的部位；設(shè)計(jì)了歷史數(shù)據(jù)和曲線記錄畫面，方便人員查看數(shù)據(jù)。主界面的上位界面如圖7所示。

在管理級系統(tǒng)監(jiān)控中，打開Wonderwell-System Management Console，通過DA Server目錄下的FSgateway提供需要被第三方監(jiān)控的數(shù)據(jù)源，第三方應(yīng)用程序通過OPC協(xié)議讀寫 InTouch的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將超純水控制系統(tǒng)組態(tài)到整個(gè)工廠的控制系統(tǒng)，成為整個(gè)工廠控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，方便企業(yè)級管理[15-16]。

圖7 InTouch上位主界面

5 結(jié) 語

系統(tǒng)采用分布式I/O將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過Profibus-DP現(xiàn)場總線傳送到CPU中進(jìn)行處理，解決了系統(tǒng)信息多、分布廣的問題；采用S7-400H硬件冗余方式保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；采用InTouch上位集中監(jiān)控，便于操作工人對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控；通過OPC將InTouch上位的數(shù)據(jù)傳送給控制整個(gè)工廠動(dòng)力控制系統(tǒng)的WinCC上位機(jī)，便于公司管理層對該系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。通過系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行證明：系統(tǒng)功能完善、可靠性高，設(shè)備易于維護(hù)，保證了連續(xù)合格的超純水生產(chǎn)要求。適合在TFT-LCD超純水廠中推廣應(yīng)用。

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