基于西門子PLC的超純水控制系統設計

張鳳西, 鄭 萍， 馮濟武， 吳 晨， 劉 江

(1.西華大學，電氣信息學院，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，廣泛應用在筆記本電腦、攝像機、監視器等方面，是液晶乃至整個平板顯示技術領域的主導技術。在TFT-LCD的生產中50%以上工序需要超純水沖洗基板。超純水系統的產水率、產水水質、穩定性和可靠性將直接關系TFT-LCD的產品的不良率和生產成本。

早期工業生產對超純水的水質要求相對較低，其制備主要采用離子交換方式。隨著半導體工業的發展，對超純水質量要求不斷提高，RO-混床技術取代了傳統的離子交換工藝。隨著超純水工藝的發展，制備控制系統越來越復雜，超純水處理控制系統從DCS(Distributed Control System)過渡到采用PLC的現場總線控制系統[1]。本項目采用了先進PLC冗余技術、網絡技術、現場總線技術、組態軟件等技術集成設計了超純水控制系統，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的安全性，可靠性、集中監控等方面的要求。

1 系統總體設計

1.1 系統工藝設計

超純水處理系統是從普通自來水至超純水制備的完整生產系統。自來水中含有溶解性固體、溶解性有機物、溶解性氣體、顆粒物和微生物等，需要通過相應的工藝流程對其進行處理。本系統采用當今最先進的RO混床工藝，其工藝流程分預處理系統,RO系統，制成系統和拋光系統四個子系統[2]。系統流程如圖1所示。

圖1 超純水工藝流程圖

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

1.2 系統集成設計

1.2.1系統的主體設計

由于整個系統信息采集量大，控制過程復雜，為此設計了三層結構(監控層、控制層和設備層)的超純水控制系統[3]。設備層由分布式I/O ET200M連接現場操作箱、現場設備檢測單元(溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器等)現場執行機構(如電動機、電磁閥)等，設備層的信息由Profibus總線傳遞；控制層主要包括S7-400H系列冗余PLC和相應冗余電源模塊，通過冗余以太網通信模塊進行雙機的信息交互；監控層采用InTouch組態軟件設計的具有遠程功能的多機監控系統，通過工業以太網與控制層進行數據交換，對各受控設備的狀態進行集中監控。車間級監控和管理級監控通過OPC(OLE for Process Control)通信[4]。系統總體框架如圖2所示。

圖2 超純水控制系統結構圖

1.2.2系統冗余設計

在系統的主體設計基礎上進行系統的冗余設計[5]。由于超純水制備系統信息采集量大，分布范圍廣，系統采用分布式I/O進行數據采集，采用S7-400H PLC進行集中監控[6]。S7-400H具有極高的處理速度，可以簡潔的系統結構很好地完成全部的控制功能。但另一方面，系統的控制完全集中，造成一定的控制風險，因此，需采用雙機冗余系統以解決可靠性問題[7]。

S7-400H具有良好的通信功能，可以實現硬件熱冗余，并具有容錯能力。冗余系統包括冗余供電模塊、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，將發生問題的的單元自動切換到備用單元以實現系統的不中斷工作[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。冗余系統供電采用兩路不同的電源電纜分別經兩個UPS供電裝置對系統進行供電。

處理器的冗余通過兩個完全相同的S7-400H完成。正常情況下，主、副PLC同時接收I/O信號，但是只有主PLC處于控制狀態，發指令給現場設備，而副PLC通過同步模塊跟蹤主PLC，處于熱備用狀態。當主PLC發生故障時，副PLC從備用狀態無擾切換至控制狀態，執行控制權。反之，當處于控制狀態的原備用PLC發生故障時，已經修復好的原主PLC也可無擾切換至控制狀態。

Profubus現場總線和以太網通信鏈路冗余采用兩套單模塊單電纜雙工方式通信,即由兩套單網組成[9]。處理器程序監控兩路通信模塊的狀態和網絡通信質量，當檢測到相關的通信故障時，由處理器中程序改變當前工作通信模塊和后備通信模塊的標準位，使通信網絡發生切換，同時給出報警信息和描述，通知工作人員進行處理[10]。

分布式I/O 采用冗余的ET200M的方式，即每個ET200M配備冗余的IM153-2接口，ET200M將現場信號轉換為數字信號打包后由兩Profibus-DP接口經不同的Profibus現場總線鏈路同主/從處理器單元進行通信[11]。

2 超純水控制系統硬件選型

2.1 底層檢測元件與執行元器件選型

整個控制系統需檢測管道水流流量、溫度、壓力以及罐的液位高度等。執行機構有變頻器(改變泵的運行頻率)和調節閥(控制閥門開度)等，通過執行機構的調節維持整個系統的平穩運行。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。根據系統測量數據的精度及量程范圍，其主要檢測元件與執行元器件選型如下：

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

(2) 流量計的選型。采用美國G+F轉子流量計P51530-P1 198801621， 美國G+F電導變送器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，內置高品質的PID控制器。

超純水生產流程對水的電導率、溶解氧、溶解硅、硼離子和微粒數有嚴格要求，需要采用相關的分析儀表進行檢測和顯示，系統對分析儀的靈敏度和準確度也都有嚴格要求。控制系統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、總有機碳等參數進行綜合檢測。檢測的信號作為輸入信號傳輸到PLC控制器中進行處理。

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

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

(5) 總有機碳分析儀選型。選用Anatel公司A-1000XP型分析儀。

2.2 分布式I/O信號的分配

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

CP00(0號控制柜)的分布式I/O主要控制系統內除RO高壓泵外的所有水泵的啟動、停止，監視水泵的狀態(運行、停止、遠程)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節閥，監視RO單元壓力、產水流量和電導率，高壓泵運行頻率，陰床、陽床的進水流量，產水電導率等。CP02主要控制回收活性炭過濾器和回收反滲透系統的氣動閥，拋光系統熱交換器溫度調節閥，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，陰床進水流量調節閥；主要監視超純水泵運行、停止、故障狀態，拋光系統的系列儀表，RO高壓泵運行狀態，CDA壓力，KS98狀態，以及終端分析儀表。CP03主要控制多介質過濾器閥門，前處理熱交換器溫度控制閥，RO水外輸泵的啟停、頻率調節，RO前處理水箱的液位控制流量調節閥；主要監視原水池液位，CDA壓力，RO水外輸泵的運行、停止、故障狀態，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，原水電導率。CP04主要控制ACF閥門，化學品桶槽自動閥，原水箱自來水補水閥，計量泵啟停，HEX溫度調節閥等；主要監視原水池液位，CDA壓力，RO水外輸泵的運行、停止、故障狀態，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，原水電導率，化學品桶槽液位。CP05主要控制所有地下室自動閥門、循環泵、輸送泵的啟停；主要監視所有泵的遠程、本地、故障狀態、運行停止狀態、所有收集桶槽的液位、輸送泵出口流量、收集水的電導率、TOC、pH。

2.3 PLC控制系統硬件選型及組態

首先根據冗余方案選擇CPU系列及相應的電源、通信模塊，再根據生產工藝中各控制設備的位置，分配I/O塊，選擇數字/模擬量輸入輸出模塊型號。PLC控制系統硬件選型如下：

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

(2) 處理器。CPU414-4H，6ES7 14-4HM14-0AA0，集成程序/數據2M字節，可擴展8M字節，2個，分別作為主/從處理器；

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

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

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

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

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

(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；

(9) 中繼器。6ES7 972-0AA01-0XA0，2個。

系統硬件選定后，在Step7中HW-Config工具中進行硬件組態。

3 超純水控制系統軟件設計

在STEP7中，將用戶編寫的程序和程序所需的數據放置在塊中，使單個的程序部件標準化，通過在塊內和塊際之間類似子程序的調用，使用戶程序結構化。組織塊是操作系統與用戶程序的接口，由操作系統調用，用于控制掃描循環和中斷程序的執行、PLC的啟動和錯誤處理等。組織塊中OB1用于循環處理，是用戶程序中的主程序。本系統即采用主程序OB1中調用功能塊的方式實現，每個功能塊對應圖1所示工藝流程中的某個設備控制系統，該級功能塊下可嵌套多級功能塊，下一級功能塊可分別實現對該設備中的報警、閥門、泵、檢測等信號的控制。根據超純水處理工藝要求，系統主要是進行過程控制和順序控制。

過程控制主要實現對系統溫度、液位、流量、壓力、電導率等參數采集，以調節熱水閥門開度、超純水罐各閥門開度、變頻器頻率設定、啟動多介質過濾器和活性碳過濾器反洗，陰陽床和混床再生程序，達到最佳控制效果。

順序控制實現PLC對多介質過濾器、活性碳過濾器、陰陽床、混床等組件的啟動、停車及各設備間的關聯控制。按照工藝要求對純水處理系統的各個單元進行順序控制，并對水質不達標情況進行順序調整，從而控制整個制備系統水質[12]。

3.1 多介質過濾器程序設計

多介質過濾器(MMF)主要包含運行和反洗兩個階段，運行階段通過內部填裝的過濾介質攔截水中不溶于水的大顆粒、懸浮物。運行時間超過1天或產水流量累積值超過設定值,MMF失效，進入反洗階段。流程圖如圖3所示。

3.2 活性炭過濾器單元程序設計

活性炭過濾器(ACF)分運行和反洗兩個階段，運行時水中的部分總有機碳被吸附，并去除水中的余氯。運行時間超過1天或產水流量超過設定值ACF進入反洗。進行反洗時需確定沒有其他的ACF、 MMF進入反洗或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 陰陽床程序設計

陰陽離子交換器(CAX)分運行和再生兩個階段。運行階段，水中的溶解物雜質，無機成鹽離子基本上被去除掉，同時二氧化硅膠體也被有效去除掉。CAX先運行預沖洗直至水質在要求范圍。陰床出水的電導率超過設定值或總的產水量超過設定點, 水質測試儀器將啟動耗盡信號,進入水質再生程序。流程圖如圖5所示。

3.4 初級混床單元程序設計

混床包含運行和再生兩個階段。運行階段，水中的陽離子和陽樹脂上的氫離子發生交換，從而置換出氫離子，而陰離子和附近的陰樹脂發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合而生成穩定的水分子。運行混床的產水電阻率很低或累積產水流量超過設定點，混床進入再生階段。流程圖如圖6所示。

圖5 陰陽床程序程序流程

4 上位監控層設計

監控層分為車間中控室單上位機監控和管理級系統監控兩部分。

在車間中控室監控部分，使用Wonderwell公司的InTouch 10.0組態軟件開發上位界面，通過Wonderwell-System Management Console-DASS的方式讀取PLC中的數據，實現對設備層設備的控制，對超純水各子系統的運行狀態、溫度、管道壓力、管道水流量、電機切換時刻等進行監控和設置；設置了操作員、管理員和維護員三種等級的權限，確保了使用人員對系統安全的操作[13]。組態軟件的設計過程包括以下四步：

(1) 在標記名字典中定義變量。對每個變量指定標記名和變量類型。

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，較復雜的圖形對象采用多圖形組合的方式完成。可將繪制好的圖形保存為SmartSymbol文件，以供同類畫面重復使用。

(3) 動畫鏈接。選中要執行動畫的符號，雙擊，通過在線填充、表達式或相應的腳本程序實現畫面動作。

(4) I/O通訊。首先對DCOM進行配置；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的數據[14]。

采用多畫面的設計方法，其窗口的顯示畫面由總體畫面及各子系統裝置畫面組成，各個畫面之間可自由切換；設計了報警功能，能及時發出聲光報警，并顯示報警發生的部位；設計了歷史數據和曲線記錄畫面，方便人員查看數據。主界面的上位界面如圖7所示。

在管理級系統監控中，打開Wonderwell-System Management Console，通過DA Server目錄下的FSgateway提供需要被第三方監控的數據源，第三方應用程序通過OPC協議讀寫 InTouch的實時數據，將超純水控制系統組態到整個工廠的控制系統，成為整個工廠控制系統的一個子系統，方便企業級管理[15-16]。

圖7 InTouch上位主界面

5 結 語

系統采用分布式I/O將現場采集的數據通過Profibus-DP現場總線傳送到CPU中進行處理，解決了系統信息多、分布廣的問題；采用S7-400H硬件冗余方式保證系統的可靠性和穩定性；采用InTouch上位集中監控，便于操作工人對整個系統的監控；通過OPC將InTouch上位的數據傳送給控制整個工廠動力控制系統的WinCC上位機，便于公司管理層對該系統的監控和管理。通過系統實際運行證明：系統功能完善、可靠性高，設備易于維護，保證了連續合格的超純水生產要求。適合在TFT-LCD超純水廠中推廣應用。

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