CN102608925B - 一种多晶硅还原炉电源控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多晶硅还原炉电源控制装置，它包括电压电流模件、温度传感模件、数字滤波模件、相位跟踪模件、开入开出模件、控制模件、光触发模件、现场总线模件、晶闸管驱动模件、HMI模件；电压电流模件将硅棒上的高电压、大电流变成小于5V的模拟信号，温度传感模件将还原炉硅棒的温度变成小于5V的模拟信号，模拟信号通过数字滤波模件将高频干扰信号滤除并采样生成计算机能识别的数字信号，控制模件根据数字信号实现控制策略，再通过光触发模件或开入开出模件实现对硅棒电流的控制及连接方法的转换，晶闸管驱动模件可以直接驱动高压一次部分，通过光纤和低压部分隔离。本发明解决了还原炉电源控制系统并联回路的不平衡问题。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅还原炉电源控制系统的控制装置，尤其是涉及一种多晶硅还原电源硅棒数超过36对棒的控制装置。
背景技术
多晶硅是信息和太阳能产业最基础的原材料。多晶硅还原炉电源控制装置是多晶硅生产过程中非常重要的技术设备，它完成从三氯氢硅到多晶硅的生产工艺环节。多晶硅还原炉在生产方式上主要有24对棒、36对棒和40对棒。
多晶硅还原炉电源控制器的作用就是在整个生产过程中，控制晶闸管和继电器，提供合适的电压、电流对硅棒进行加热，使硅棒表面温度保持恒定（一般1080℃），满足继续生长的条件。
多晶硅棒可以当作是一个阻值变化的纯电阻负载。在还原初期，硅棒直径较小，电阻值较大，要求提供较高的电压以满足硅棒生长的电流要求。随着硅棒的生长，其直径逐渐增大，电阻值逐渐减小，电压减小电流增大。
在还原生产过程中，由于硅棒电阻变化非常大，电压、电流变化范围特别宽：硅棒温度从常温上升到1000℃，Φ8 直径硅芯电阻从千欧下降到欧姆；保持硅棒表面温度1080℃，硅棒直径从Φ8增加到Φ150，硅棒电阻从欧姆下降到毫欧档。
为降低电压绝缘等级、提高设备利用率，36对棒及以上的控制回路采用了硅棒串并联技术：在运行初期，电阻大，需要电压高、电流小，硅棒并联接入可减少对电压的要求；当硅棒生长到一定程度，电阻减小，需要电压低、电流大，此时自动切换到串联模式，可以提高对电压的控制精度。另外为了提高电能质量，还采用了变压器多抽头、多级电压工作，晶闸管叠层控制技术。
目前串并联技术采用A、B组触发控制系统或开关控制系统实现；用PLC采集温度来实现中央控制，将计算后的控制电流通过外部总线传到多晶硅电源控制装置，再来触发晶闸管实现温度的闭环控制。A、B组触发控制系统如图1所示；开关控制系统如图2所示。
上述图1的控制回路需要两组控制装置；图2的控制回路，当两组硅棒并联时，由于电阻特性不一致导致分流，往往阻值小的硅棒能生长，阻值大的硅棒无法继续生长，成品率降低，或者在一次高压部分增加平衡电抗器来保证两组硅棒的同时生长；PLC成本很高，且和控制器通过外部总线传输控制电流，实时性、抗干扰性都劣于内部板级总线。
发明内容
针对现有的多晶硅还原炉电源控制系统，为提高多晶硅生产质量，降低控制系统成本，本发明提出如下一种新的技术方案。
一种新的多晶硅还原炉电源控制装置，通过晶闸管单独控制两组硅棒回路的击穿，再通过继电器将两组硅棒串到一组加热；在电源控制装置中完成温度采集及控制策略，无需使用外部总线和PLC连接。
该还原炉电源控制装置包括：电压电流模件、温度传感模件、数字滤波模件、相位跟踪模件、开入开出模件、控制模件、光触发模件、现场总线模件、晶闸管驱动模件、HMI模件。其主要特征在于：光触发模件中可扩展光触发在硅棒运行初期对并联回路单独触发，当硅棒的电压降下来后通过开入开出模件的继电器控制开关切换使两组硅棒串联；通过温度传感模件直接采集硅棒的温度信号，在一个装置中完成了温度的闭环调节过程；电压电流模件将硅棒上的高电压、大电流变成小于5V的模拟信号，温度传感模件将还原炉硅棒的温度变成小于5V的模拟信号，模拟信号通过数字滤波模件将高频干扰信号滤除并采样生成计算机能识别的数字信号，控制模件根据数字信号实现控制策略，再通过光触发模件或开入开出模件实现对硅棒电流的控制及连接方法的转换，晶闸管驱动模件可以直接驱动高压一次部分，通过光纤和低压部分隔离。
前述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：采用实时任务调度系统。
前述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：采用高速LVDS总线作为内部控制模件和开入开出模件、数字滤波模件、HMI的接口。
前述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：现场总线模件可支持PROFIBUS-DP、CAN 2.0、RS485总线；
前述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：通过变速积分的PID算法实现温度的闭环调节。
前述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：HMI模件可独立为超级终端。
本发明的有益效果是：1.解决了还原炉电源控制系统并联回路的不平衡问题；2.系统组成简单，故障率下降；3.节约了控制装置、变压器或平衡电抗器，以及PLC可编程控制器。
附图说明
图1是现有的AB组触发电源系统。
图2是现有的开关控制电源系统。
图3是本发明实施例的独立晶闸管控制电源系统。
图4 是本发明实施例的装置总体结构图。
图5是本发明实施例的控制模件结构图。
图6是本发明实施例的软件框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行具体介绍如下。
本发明为了解决硅棒并联击穿的不平衡电流问题及减少整个系统的复杂度，先由控制装置通过晶闸管单独控制两组硅棒回路的击穿，再由控制装置通过继电器将两组硅棒串到一组加热；在单个控制装置中完成温度采集及控制策略，不再使用PLC。控制装置包括电压电流模件、温度传感模件、数字滤波模件、相位跟踪模件、开入开出模件、控制模件、光触发模件、现场总线模件、晶闸管驱动模件、HMI模件。电压电流模件将硅棒上的高电压、大电流变成小于5V的模拟信号，温度传感模件将还原炉硅棒的温度变成小于5V的模拟信号，模拟信号通过数字滤波模件将高频干扰信号滤除并采样生成计算机能识别的数字信号，控制模件根据数字信号实现控制策略，再通过光触发模件或开入开出模件实现对硅棒电流的控制及连接方法的转换，晶闸管驱动模件可以直接驱动高压一次部分，通过光纤和低压部分隔离。
本发明实施例的设计包括：系统设计、硬件设计、软件设计。
1、系统设计。
多晶硅电源控制系统的变压器采用五抽头结构，最多可以输出五组不同的电压，多晶硅电源控制装置需要五对光纤输出驱动五组电压。在24对硅棒的设计中，每4对棒串联，初始工作电压正好达到变压器的最大工作电压，因此在一个24对棒还原炉设计中可以用六个电源控制装置。如果是36对棒或40对棒的还原炉，6对棒的初始工作电压超过变压器的最大工作电压，就需要采用图1的AB组触发系统或图2的开关控制电源系统，但成本较高或成品率低。本发明设计中的光触发模件可扩展，在36对棒还原炉设计中，扩展2对光触发，将多晶硅棒分为4对棒一组和2对棒一组。初始工作时用五对光纤输出控制4对棒，扩展的2对光纤触发控制2对棒，见图3，开关K1、K3闭合，开关K2断开这样6对棒的初始电压都满足变压器的输出要求；当工作一段时间后，多晶硅棒的工作电压下降，由于2对棒只采用了2组叠层控制，为了提高2对棒的电流控制精度，将2对棒和4对棒串联，采用5组叠层控制，先断开开关K1，再闭合开关K2，最后断开开关K3。这样就能满足硅棒对电压的上限要求和电流的精度要求。
2、硬件设计。
控制装置包括电压电流模件、温度传感模件、数字滤波模件、相位跟踪模件、开入开出模件、控制模件、光触发模件、现场总线模件、晶闸管驱动模件、HMI模件。其总体结构如图4所示。
控制模件是本装置的核心模件，完成采样数据存储、PID算法、可编程逻辑控制、事件记录、录波等。其结构框图如图5所示，基于COLDFIRE处理器、8M的DDRAM、4M的非易失存储器，确保了大容量数据的存储和快速的运算；FPGA负责内部的LVDS总线，自带校验、冲突碰撞检测和重发功能，便于内部的各插件板的互联互通。
电压电流采样模件采用互感器和霍尔传感器将高压信号、大电流信号变为0－5V的模拟量，经过数字滤波模件滤除高频信号及噪声，通过16位A/D转换器后以LVDS总线 发给控制模件。温度传感模件接收外部的4-20mA温度传感器信号，通过隔离运放及16位A/D转换器后以LVDS总线发给控制模件。
相位跟踪模件采集系统的电压信号，将过零点的相对时刻传给光触发模件。光触发模件接收到主控模件发送到的控制角度信息和过零点时刻，准确触发给个各晶闸管驱动模件发触发信号。
晶闸管驱动模件采用隔离24V电压供电，可接在小于6kV的主控回路上，直接驱动晶闸管。
开入开出模件接收外部的启停信号、闭锁信号及相关装置的位置和状态信息，继电器控制硅棒由并联到串联的切换。
HMI模件采用ARM9处理器，提供人机界面、按键输入和显示等功能，同时HMI提供了以太网总线和串口总线，可以单独作为其它设备的显示终端。
3、软件设计。
控制装置的软件采用实时调度算法。共分为模拟量采样、控制策略（PID、PLC等）、触发角度输出、外部通讯、故障录波等任务，优先级按照顺序从高到低排列。其框架结构图如图6所示。
其中在控制策略中主要实现两个功能：1.变速积分的PID算法。在一般的PID调节算法中，由于积分系数KI 是常数，所以在整个调节过中，积分增益不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时，积分作用减弱以至全无，而在偏差较小时则应加强积分作用。否则，积分系数取大了会产生超调，甚至出现积分饱和；取小了又迟迟不能消除静差。因此在本发明中采用改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应。偏差大时，积分累加速度慢，积分作用弱；反之，偏差小时，使积分累加速度加快，积分作用增强。且本发明由温度反馈来控制晶闸管得触发角度，进而调整电流的大小，一般电源控制器接收PLC控制器的给定电流，再调节晶闸管的触发角度。2.可编程逻辑功能。由于外部的连接在每个系统中会有不同，且控制顺序也可能调整，为了方便用户进行现场更改。本发明内嵌了可编程功能，解释梯形图逻辑并按照相应指令执行。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (7)
1.一种多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于，它包括：电压电流模件、温度传感模件、数字滤波模件、相位跟踪模件、开入开出模件、控制模件、光触发模件、现场总线模件、晶闸管驱动模件、HMI模件；所述光触发模件中可扩展光触发在硅棒运行初期对并联回路单独触发，当硅棒的电压降下来后通过所述开入开出模件的继电器控制开关切换使两组硅棒串联；通过所述温度传感模件直接采集硅棒的温度信号，在一个装置中完成了温度的闭环调节过程；所述电压电流模件将硅棒上的高电压、大电流变成小于5V的模拟信号，所述温度传感模件将还原炉硅棒的温度变成小于5V的模拟信号，模拟信号通过所述数字滤波模件将高频干扰信号滤除并采样生成计算机能识别的数字信号，所述控制模件根据数字信号实现控制策略，再通过光触发模件或开入开出模件实现对硅棒电流的控制及连接方法的转换，所述晶闸管驱动模件直接驱动高压一次部分，通过光纤和低压部分隔离。
2.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：采用实时任务调度系统。
3.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：采用高速LVDS总线作为内部控制模件和开入开出模件、数字滤波模件、HMI模件的接口。
4.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：所述现场总线模件支持PROFIBUS-DP、CAN 2.0、RS485总线。
5.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：通过变速积分的PID算法实现温度的闭环调节。
6.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：所述HMI模件独立为超级终端。
7.根据权利要求1至6之一所述的多晶硅还原炉电源控制装置，其特征在于：通过晶闸管单独控制两组硅棒回路的击穿，再通过继电器将两组硅棒串到一组加热；在电源控制装置中完成温度采集及控制策略，无需使用外部总线和PLC连接。
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