CN107473229B - 一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法 - Google Patents

一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，控制集中，将所有的控制交由DCS系统实现，控制电流的供电控制系统通过网络及相应的通讯协议，实现与DCS系统之间数据的交互，接收DCS系统给定的实时电流，同时反馈给DCS系统电流、电压及功率的相关参数；然后确定硅棒的实时直径D1。本发明提供一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法，以硅棒直径为依据，编制电流、氢气、三氯氢硅与氢气配比的生产控制表，并通过深入数据计算、推导，根据硅棒直径偏差对比，对生产控制过程中电流、氢气、三氯氢硅与氢气配比的生产控制表的各个参数进行实时修正，计算出最合理的实时值来控制硅棒生长。

Description

一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法
技术领域
本发明涉及多晶硅生产领域，尤其是一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法。
背景技术
目前还原炉进料及电流控制按照分时生产控制表分别由DCS系统和供电系统独立进行控制。生产控制表由相关技术人员根据生产实际情况以时基为基础编制，并由操作人员根据生产控制表将相应参数设定到对应的控制系统中。当启炉完成后，由程序自动按照设定的生产控制表进行物料和电流的控制。当炉内硅棒生长出现偏差时，需要操作人员根据经验进行判断并手动对各参数进行人工调整。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法，解决了原有控制方式中电流设定由供电系统独立控制、物料设定由DCS系统独立控制存在的缺陷，将两个独立运行的系统在一定的时段内，实现数据的互访。同时从闭环控制的原理出发，将硅棒生长速率(硅棒直径)作为还原炉生产过程中的关键控制点。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，控制集中，将所有的控制交由DCS系统实现，控制电流的供电控制系统通过网络及相应的通讯协议，实现与DCS系统之间数据的交互，接收DCS系统给定的实时电流，同时反馈给DCS系统电流、电压及功率的相关参数；然后确定硅棒的实时直径D1；
步骤二，选定硅棒生长速率作为控制因素，并根据实际使用硅棒的规格、特性及对产品的性能要求，设定硅棒直径的生产控制表；
步骤三，确认氢气及电流的生产控制表，并设定进DCS系统；
步骤四，确认三氯氢硅与氢气进料特性，编制配比关系的专用生产控制表，并设定进DCS系统；
步骤五，通过供电系统反馈回来的电流、电压、功率参数及还原炉温度、夹套水温度参数实时修正直径偏差；
步骤六，根据直径偏差、还原炉温度参数，修正实时电流给定值、氢气给定值和物料配比；
步骤七，根据三氯氢硅的成分、氢气进料及三氯氢硅与氢气的配比关系，确定三氯氢硅的进料量。
优选的，所述实时直径D1通过实时反馈的电流、电压，结合公式R＝U/I和r＝ρL/S，可得出直径实时值I1和U1为实时电流和电压，L为硅棒长度。
优选的，所述步骤五包括以下步骤：
1)根据已经设定的直径参数表，计算出设定直径D0：
D0＝D_SP1+(D_SP2-D_SP1)/(t2-t)*(t-t1)
D_SP1、D_SP2为曲线设定的两点直径值；t2、t1为两段时间点；t为当前运行时间；
2)计算出实时的直径偏差K1＝(D1-D0)/D0；
3)根据炉温和水温及设定值，可计算出温度偏差系数K2＝C*(T-TSP)/TSP；其中：
K2为温度偏差系数，
C是温度修正常数，
T是实际检测温度，
TSP是温度设定值。
4)计算出最终的直径偏差系数K＝(1-K1)*(1-K2)。
本发明提供一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法，以硅棒直径为依据，编制电流、氢气、三氯氢硅与氢气配比的生产控制表，并通过深入数据计算、推导，根据硅棒直径偏差对比，对生产控制过程中电流、氢气、三氯氢硅与氢气配比的生产控制表的各个参数进行实时修正，计算出最合理的实时值来控制硅棒生长。确保硅棒全生长周期内的平稳生长。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
如图1中，一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，控制集中，将所有的控制交由DCS系统实现，控制电流的供电控制系统通过网络及相应的通讯协议，实现与DCS系统之间数据的交互，接收DCS系统给定的实时电流，同时反馈给DCS系统电流、电压及功率的相关参数；然后确定硅棒的实时直径D1；
步骤二，选定硅棒生长速率作为控制因素，并根据实际使用硅棒的规格、特性及对产品的性能要求，设定硅棒直径的生产控制表；
步骤三，确认氢气及电流的生产控制表，并设定进DCS系统；
步骤四，确认三氯氢硅与氢气进料特性，编制配比关系的专用生产控制表，并设定进DCS系统；
步骤五，通过供电系统反馈回来的电流、电压、功率参数及还原炉温度、夹套水温度参数实时修正直径偏差；
步骤六，根据直径偏差、还原炉温度参数，修正实时电流给定值、氢气给定值和物料配比；
步骤七，根据三氯氢硅的成分、氢气进料及三氯氢硅与氢气的配比关系，确定三氯氢硅的进料量。然后将各参数输出至现场设备。
优选的，所述实时直径D1通过实时反馈的电流、电压，结合公式R＝U/I和r＝ρL/S，可得出直径实时值
优选的，所述步骤五包括以下步骤：
1)根据已经设定的直径参数表，计算出设定直径D0：
D0＝D_SP1+(D_SP2-D_SP1)/(t2-t)*(t-t1)
D_SP1、D_SP2为曲线设定的两点直径值；t2、t1为两段时间点；t为当前运行时间；
2)计算出实时的直径偏差K1＝(D1-D0)/D0；
3)根据炉温和水温及设定值，可计算出温度偏差系数K2＝C*(T-TSP)/TSP；其中
K2为温度偏差系数，
C是温度修正常数，
T是实际检测温度，
TSP是温度设定值。
4)计算出最终的直径偏差系数K＝(1-K1)*(1-K2)。
优选的，所述实时电流给定值、氢气给定值和物料配比通过公式
r_SP＝(SrP1+(SrP2-SrP1)*((PV_Out-PV_Prev)/(PV_Next-PV_Prev)))*K+Offset来确定；
r_SP代表实际的电流设定或实际氢气设定或者实际物料配比设定值；
SrP1、SrP2为通过设定曲线读取的电流、氢气或者RATIO配比的两个时间点的设定值；
PV_Prev、PV_Next为通直径的设定曲线读取的直径的上一次和下一次的值；
PV_Out为当前运行的直径；
Offset为手动修正值，通过监控面板进行操作，在必要的时候进行人为干预。
优选的，所述三氯氢硅的进料量通过公式
SP_TCS＝(SP_H2/2/SP_RATIO)*(DCS_RATIO*101+(100-DCS_RATIO)*135.4+α)+Offset来确定，
SP_TCS为实际三氯氢硅进料量设定值；
SP_H2为实际氢气设定值；
SP_RATIO为实际RATIO配比设定值；
DCS_RATIO为三氯氢硅中二氯二氢硅的含量；
α为固定常数，由实际物料成分确定；
Offset为手动修正值，通过监控面板进行操作，在必要的时候进行人为干预。
通过以上步骤，实现还原炉生产的闭环、全自动控制。
本发明所需的生产数据库基于以下方面：
1、在DCS系统与供电控制系统上建立相应的连接，保证两个独立系统之间的交互数据稳定。
2、根据本发明需求，在DCS系统上编制各类生产控制表及相关的程序，确保数据表调用正常。
3、根据本发明需求，在DCS系统上建立直径修正模型，并实现数据实时调用与计算，确保修正值的有效。
现场安装稳定可靠的红外测温仪，并保证视窗的洁净，确保红外测温仪测量参数的真实性。当红外测温仪存在偏差时，要及时进行修正。
实施例1
1)建立系统之间的连接，确保控制集中；
2)设定硅棒直径的生产控制表，举例如下：
在试验阶段，我司选用直径为8mm的硅芯直径，预定直径的硅芯的生长速率为1mm/h。
3)确认氢气及电流的生产控制表，举例如下：
氢气与电流生产控制表
4)编制配比关系的专用生产控制表，举例如下：
配比生产控制表
5)将生产参数进行设定，并投入程序运行，至生产结束。
测试中，严格按照此生产控制表进行全自动控制，流程结束后指标如下：
硅棒直径≈150mm、单产能≈8.5吨、沉积时间≈120h、平均沉积速率≈70.8Kg/h、电单耗≈55KWh、三氯氢硅一次转化率≈10.3％、三氯氢硅循环单耗≈47吨。
外观品质：除外表面玉米粒外断面无孔隙。
经过长周期的运行，目前取得了良好的效果：
1)提高单炉均产：单炉产量由7.2t提高到8.5t；
2)降低物耗：一次循环量由原来的50t SiHCl3/t si，降到47t sihcl3/t si，；
3)降低电耗：电耗由59kwh/kg降到55kwh/kg。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多晶硅生产中还原炉全自动闭环进料及供电的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，控制集中，将所有的控制交由DCS系统实现，控制电流的供电控制系统通过网络及相应的通讯协议，实现与DCS系统之间数据的交互，接收DCS系统给定的实时电流，同时反馈给DCS系统电流、电压及功率的相关参数；然后确定硅棒的实时直径D1；
步骤二，选定硅棒生长速率作为控制因素，并根据实际使用硅棒的规格、特性及对产品的性能要求，设定硅棒直径的生产控制表；
步骤三，确认氢气及电流的生产控制表，并设定进DCS系统；
步骤四，确认三氯氢硅与氢气进料特性，编制配比关系的专用生产控制表，并设定进DCS系统；
步骤五，通过供电系统反馈回来的电流、电压、功率参数及还原炉温度、夹套水温度参数实时修正直径偏差；
步骤六，根据直径偏差、还原炉温度参数，修正实时电流给定值、氢气给定值和物料配比；
步骤七，根据三氯氢硅的成分、氢气进料及三氯氢硅与氢气的配比关系，确定三氯氢硅的进料量；
所述实时直径D1通过实时反馈的电流、电压，结合公式R＝U/I和r＝ρL/S，可得出直径实时值
所述步骤五包括以下步骤：
1)根据已经设定的直径参数表，计算出设定直径D0：
D0＝D_SP1+(D_SP2-D_SP1)/(t2-t)*(t-t1)
D_SP1、D_SP2为曲线设定的两点直径值；t2、t1为两段时间点；t为当前运行时间；
2)计算出实时的直径偏差K1＝(D1-D0)/D0；
3)根据炉温和水温及设定值，可计算出温度偏差系数K2＝C*(T-TSP)/TSP；其中
K2为温度偏差系数，
C是温度修正常数，
T是实际检测温度，
TSP是温度设定值；
4)计算出最终的直径偏差系数K＝(1-K1)*(1-K2)。
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