充氮型高速料箱庫關鍵技術與應用

文 / 張丹 周先贊

近年來，全球芯片短缺現象嚴重，在國家產業政策、下游終端應用市場發展的驅動下，中國半導體行業迅速擴張，芯片國產化已是大趨勢。在半導體行業領域，潮濕環境對電子元器件品質會產生影響，如何科學有效地管理，從而保證電子元器件在干燥條件下作業和存放，是目前眾多電子企業必須解決的問題。

2020年，中國電子科技集團公司第二研究所（簡稱“中電二所”）研制的充氮型高速料箱庫，利用氮氣有效降低柜內的氧含量及濕度值，達到防潮防氧化目的，以確保電子元器件的安全存儲。該設備不但可根據客戶要求控制庫內環境濕度和氧氣濃度，實現高效精準智能存儲，相較傳統的充氮柜和貨架還能節約超過60%的存儲空間，超高的運行速度將平均取貨時間控制在20秒以內，存儲效率是其他自動貨柜的2倍以上。在國外，卡迪斯、維世多等廠家雖然有高速料箱庫，但都是標準型，基本不具備充氮除濕功能。而國內電子元器件的充氮除濕存儲，絕大部分使用傳統的充氮除濕柜，個別貨柜生產廠家使用回轉庫密封充氮除濕，不僅存儲效率低下，再加上回轉庫空間狹小，內部基本被料斗充滿，充氮除濕不均勻，效果不是太好。充氮型高速料箱庫作為一種新型的智能倉儲設備，其內部均使用防靜電材料和涂層，完全為電子元件存儲量身定做，可廣泛應用于半導體微電子行業。

一、充氮型高速料箱庫的工作原理及結構

1.充氮型高速料箱庫的工作原理

充氮型高速料箱庫是一種新型的智能倉儲設備，主要用于半導體微電子行業領域，存儲對環境濕度要求較高的電子元器件，通過對柜內氮氣濃度的控制，達到電子元器件存儲的防潮防氧化存儲要求。充氮型高速料箱庫以防靜電物料盒為存儲單元，采用伺服控制技術，主要由提升伺服電機通過帶動提取車，并由提取車上的伺服電機帶動貨叉機構做水平運動，貨叉機構上的伺服電機帶動貨叉做伸縮運動。入貨時，內置門開啟，由入貨口機構的輸送伺服電機將料盒送到入貨口指定位置，再由貨叉機構取走，同時內置門關閉；取貨時，則由貨叉機構將指定料盒送到出貨口指定位置，內置門開啟，再由出貨機構的伺服電機將料盒送出，同時內置門關閉。所有伺服電機采用絕對值編碼器定位，采用總線控制方式，控制系統配備防潮除濕系統、氣動單元、條碼識別系統、監控系統，通過工控機與客戶MES系統進行數據交換，實現物料管理。

充氮型高速料箱庫外形為長方體，基本結構主要由骨架、提取車、貨叉單元、進出貨口、外罩面板、維修門、電氣控制系統、軟件管理系統等部分組成。

2.充氮型高速料箱庫的結構

充氮型高速料箱庫外形為長方體（見圖1），基本結構主要由骨架、提取車、貨叉單元、進出貨口、外罩面板、維修門、電氣控制系統、軟件管理系統等部分組成。（見圖2）。

圖1 充氮型高速料箱庫的外形實物圖

圖2 充氮型高速料箱庫的結構

（1）骨架主體均采用鋁型材（內部結構見圖3），在確保貨架強度和承載的同時，既能滿足安裝精度要求，又能達到減輕設備重量的目的。整個框架組件采用模塊化設計思想，將整個貨架分成三個模塊：左框架模塊、右框架模塊和標準框架模塊。物料存放層格為鋼板制作，鋼板采用激光切割和鈑金折彎加工，并進行防靜電表面處理，具有良好的尺寸一致性，能保證安裝精度，滿足防靜電要求。

圖3 充氮型高速料箱庫的內部結構

（2）提取車主要由小車框架、升降電機、傳動機構、導向機構、滑塊導軌等部件組成（見圖4）。提取車行走軌道采用潔凈度較高的鋁型材專用軌道，鋁型材軌道采用6063T5材質擠壓成型，軌道表面經過陽極氧化處理，杜絕了軌道與其他成分發生氧化的可能性，保證潔凈室中的使用。行走輪選用鋼制包膠輪，行走輪內芯材質采用45#鋼，表面進行鍍鉻處理，包膠輪面采用具有高耐磨性的聚氨酯樹脂，包膠材質硬度達到邵氏硬度92A。

圖4 提取車示意圖

（3）貨叉單元主要由貨叉、貨叉底座、伺服電機、傳感器等組成（見圖5、圖6）。貨叉位于貨叉底座上，由提取車上的水平伺服電機控制貨叉底座沿提取車直線導軌左右移動，使貨叉做水平運動；貨叉上的伺服電機控制貨叉伸出與縮回動作。

圖5 貨叉單元示意圖

圖6 貨叉單元實物圖

（4）電氣控制系統：充氮型高速料箱庫電氣控制系統由可編程控制器（PLC）、IO模塊、通訊模塊、人機界面（工控機）、傳感器、條碼識別系統、防潮除濕單元、監控系統、網絡交換機等部分組成（見圖7）

圖7 電氣控制系統及網絡示意圖

三、充氮型高速料箱庫的主要技術參數

1.外 形 尺 寸：5000mm（長）×2220mm（深）×4300mm（高）；

2.物料盒外尺寸：600mm（長）×400mm（寬）×148mm（高），內部可選配分割；

3.單個物料盒承載重量：≤50kg；

4.單臺配置料箱數量：220個；

5.提取車升降速度：滿載時為1.0m/s，空載時為1.5m/s，速度可調；

6.貨叉水平速度：2.0m/s，速度可調；

7.貨叉伸縮速度：滿載時為0.5 m/s ，空載時為0.8m/s，速度可調；

8.設備工作噪聲：≤65dB；

9.控制方式：手動、單機自動、聯機自動；

10.管理系統：1套；

11.出貨口：2個（根據需求配置）；

12.庫內濕度控制范圍：10%至30%（根據客戶要求）。

四、控制系統設計的關鍵技術

充氮型高速料箱庫關鍵技術主要體現在控制系統的設計上，包括伺服控制技術、充氮除濕單元的控制和應用、存儲管理系統（見圖8）。

圖8 電氣控制系統框圖

1.伺服控制技術

充氮型高速料箱庫運動控制采用總線控制技術，運動控制器為安川MP2300S，該運動控制器與IO模塊及各伺服驅動采用MECHATROLINKⅡ總線方式進行通訊。運動控制器將伺服驅動器與交流伺服電機連接組成一個伺服電機系統，通過與上位機的組合控制，實現伺服電機的高速運行，實現充氮型料箱庫的精確定位和高速、高效存儲。

2.充氮除濕單元

充氮型高速料箱庫是通過充入氮氣來達到防潮控濕的效果。充入氮氣置換原有空氣中的氧氣和水分子，使濕度和氧含量快速下降，達到除濕抗氧化的目的。相比吸濕模塊方式除濕，充入氮氣的除濕速度更快，成本更低，空間利用率更高，防氧化效果良好。

除濕單元由通訊模塊、濕度傳感器、四路控制箱、氣體探測器和電磁閥等部分組成。首先在上位機根據電子元器件存儲要求設置合適的濕度和氧濃度值，最大程度上保護好電子元器件。運動控制器通過RS485模塊與濕度傳感器和氣體探測器相互通訊，實時監控設備內的濕度與氧濃度；當濕度或者氧濃度超過設定值，則打開電磁閥，充入氮氣；濕度和氧濃度均低于設定值，關閉電磁閥，停止充入氮氣。如此循環往復，保障柜內濕度與氧濃度值永遠處于電子元器件最佳存儲環境。

（1）充氮除濕單元的硬件設計

為達到系統智能調節濕度與氧濃度的目的，此設計使用傳感器檢測技術，用濕度傳感器檢測柜內濕度，四個氧濃度傳感器檢測柜內氧濃度，將收集的參數傳輸到運動控制器中進行數據處理，便于系統進行智能調控。此設計采用的傳感器均支持485通訊，而MP2300自帶沒有485通訊功能，故增加擴展模塊2171F與5個傳感器通過RS485串口線連接，進行異步串行傳輸數據。圖9為串口通訊拓撲圖。利用串口進行通信具有傳送距離長且成本低，有足夠的帶寬，易實現自定義的協議，并且數據傳輸可靠、線路簡單、使用靈活、維護方便等優點。

圖9 通訊模塊參數設定和串口通訊拓撲圖

安川運動控制器中提供了MSGSND函數和MSG-RCV函數，這兩個函數主要實現安川MP2000系列機器串口數據通信。為了用該函數實現命令響應，必須編制用戶程序，使其一邊切換數據的發送（MSG-SND函數）和接收（MSG-RCV函數），一邊進行數據傳送。

（2）基本通訊參數設定

首先，要配置好運動控制器的幾個基本參數：通信波特率、數據位、奇偶校驗位和停止位。同時，傳感器上也設置相同的通信參數，這樣雙方才能正常通信。此外5個傳感器的默認設備地址均為1，需進行更改。具體設置如下：溫濕度表設備地址為1，氣體探測器1至4的設備地址為2至5（見圖9、圖10）。

圖10 傳感器通訊地址設置示意圖

（3）數據傳輸程序

濕度傳感器與氧氣探測器的通過運動控制器內部問詢幀指令，將問詢幀數據基于Modbus 協議計算整合為一整個數據，發送（MSG-SND）函數和接收（MSG-RCV）函數設置，運動控制器間隔30s依次觸發讀取5個傳感器數據的命令，將相應的問詢幀數據放入ML00100和ML00102中（如圖11）。

圖11濕度傳感器與氧氣探測器的問詢幀指令示意圖

通過MSG-SND函數發送給各個傳感器，再通過MSG-RCV函數返回相應的數據儲存在MW00122和MW00121中，這兩個字中的數據通過數據轉換，得出當前柜內濕度與氧濃度值（見圖12、圖13）。將濕度、氧濃度與數據庫中客戶設定值對比，當柜內濕度或者氧濃度超出設定值，則打開電磁閥，往柜內充入氮氣；當濕度或者氧濃度等于或者低于設定值，則關閉電磁閥，停止充氣。此外，設備氮氣多點供氣，根據設定值自動切斷和打開供應氮氣，能夠快速除濕降低氧濃度，防止電子元器件氧化。

圖12 多個能控制箱數據顯示

圖13 管理軟件監控數據顯示

設備需要維修或人員要進入充氮型高速料箱庫內部時，需關閉充氮除濕單元，打開空氣閥，待庫內氧氣濃度達到19%后，維修門鎖緊氣缸將自動打開，方可用鑰匙打開維修門進入內部；為保證人員安全，內部氧氣濃度低于19%時，鎖緊氣缸是不會動作的，用鑰匙也打不開維修門。

（4）充氮除濕單元工作流程圖（如圖14）

圖14 充氮除濕流程圖

存儲管理系統采用C/S結構，系統界面直觀、簡單易用，主要負責充氮型高速料箱庫的物資出入庫管理、物資查詢、系統維護等。

3.存儲管理系統

存儲管理軟件采用C#語言開發，以數據庫SQL SERVER2015作為平臺，可方便嵌入企業ERP系統中，實現網絡化的管理。存儲管理系統采用C/S結構，系統界面直觀、簡單易用，主要負責充氮型高速料箱庫的物資出入庫管理、物資查詢、系統維護等（見圖15）。

圖15 存儲管理系統功能框圖

（1）充氮型高速料箱庫入庫流程（如圖16）

圖16 充氮型高速料箱庫入庫流程圖

（2）充氮型高速料箱庫入庫流程（如圖17）

圖17 充氮型高速料箱庫出庫流程圖

五、結束語

經過現場設備測試與運行，在數據采集、信息交互、動作控制及智能化方面，基于MP2300S的高速料箱庫的控制系統均表現良好。充氮型高速料箱庫的智能控制系統可將柜內濕度與氧濃度控制在±3%以內，達到防潮防氧化目的，以確保電子元器件的安全存儲，加上該設備占地面積小、容量大，可比普通貨架節約超過60%的存儲空間，平均存取時間在20秒以內，實現物資的高效存儲。

目前，充氮型高速料箱庫在中國電子科技集團內部很多半導體微電子領域的兄弟院所使用，效果非常明顯，并且航空航天領域也有不少院所在使用。從目前市場的需求信息分析，充氮型高速料箱庫同樣適用于其他智能生產線和特殊物流配送線，如芯片廠和新能源行業，該設備還能與機器人、AGV智能搬運車相結合，實現不同物品的揀選和存放。

總之，隨著三代半導體行業的迅速發展，芯片和電子元器件存儲要求也越來越高，充氮型高速料箱庫將逐漸在各行各業普及應用。