西门子PLC和WINCC在超纯水上的应用

摘 要：超纯水是工业生产上的重要用水，对其水质和水量有着严格的要求。通过采用西门子PLC和WINCC，作为超纯水生产装置的控制系统，大大提高了整套设备的自动化控制水平，减少了故障的发生，为产出高品质的超纯水提供了有力的保障。

关键词：西门子；PLC；WINCC；EDI；超纯水；上位机；下位机；控制系统

1.引言

超纯水是导电介质、胶体物质、有机物等含量极低的水，它是多晶硅后处理工段的重要用水，主要用于硅块和硅芯产品的清洗，以及生产过程中还原炉钟罩的日常清洗，其水质直接影响着硅产品的质量。为满足工艺对超纯水的高要求，整套控制系统必须具备稳定性高、抗干扰能力强、故障率低、易于开发等要求。为满足以上要求，本系统采用西门子PLC和Wincc方案，利用其软件易于编程组态、硬件可靠性高、通信扩展方便等优点，应用于整套超纯水的控制系统。

2.工艺流程

主要工艺流程包括EDI系统和超纯水系统。EDI装置是将离子交换树脂充夹在阴/阳离子交换膜之间形成EDI单元。EDI组件中将一定数量的EDI单元间用网状物隔开，形成浓水室。且又在单元组两端设置阴/阳电极。在直流电的推动作用下，通过淡水室水流中的阴阳离子分别穿过阴阳离子交换膜进入到浓水室而在淡水室中去除。超纯水系统主要由脱气膜、抛光阴床、过滤器等组成。脱气膜装置采用真空加吹高纯氮气的组合模式可有效降低水中溶解气体的含量（主要为溶解氧和CO2）。抛光阴床内装填超纯水专用UPW级抛光阴树脂（主要用于除水中的硼元素），经过抛光树脂处理后的水中硼元素的含量可接近ASTM标准要求， 基本满足终端水质对硼的要求。

详细工艺流程如图1所示：

3.系统结构

控制系统的结构方式为：下位机采用PLC控制系统，上位机采用WINCC [1]组态软件。PLC产品选用德国SIEMENS 公司的S7-300系列PLC [2]，根据工艺运行要求，实现单体设备的自动启停；EDI装置的启停、保护、冲洗等控制；水泵与水箱液位的联锁控制；显示反渗透装置的运行信号，实现超纯水系统的全自动运行。上位机采用德国SIEMENS 公司的WINCC7.0，主要用于监控超纯水系统的运行状态和运行参数，对超纯水系统设备进行全自动运行或软手操干预设置。SIEMENS PLC通过以太网通讯模块和网络交换机，与中央监控系统进行TCP/IP协议通讯 [3]，可以方便实现全厂设备管理控制系统的远程监控。

整套控制系统的结构如图2所示：

4.系统设计

主要涉及下位机PLC程序的设计和上位机WINCC监控画面的组态；

1）上位机WINCC监控画面分别由 ‘系统登录、‘EDI系统、‘超纯水、‘数据趋势、‘报警记录、‘报表界面等6个画面构成。‘系统登录画面用于实现‘用户登录、‘用户注销、‘进入系统、‘退出系统功能；‘EDI系统画面用于显示EDI部分的工艺流程图，泵和阀门的状态，工艺参量的数值等，并能通过点击泵或阀门的图标，弹出相应的控制菜单，实现远程启停功能；‘超纯水画面用于显示超纯水部分的工艺流程图，其它功能与‘EDI系统类似；‘报警记录画面用于显示所有报警数据以及报警的历史记录；‘报表界面画面用于显示用户设定时间段的模拟量参数的历史报表；‘数据趋势画面用于显示所有模拟量参数的历史趋势数据。

2）下位机PLC程序主要针对EDI和超纯水系统进行设计。EDI系统主要包含回水阀、进水阀、冷冻水电磁阀、供水泵、整流器等设备，各设备的启停逻辑需按规定步序进行编写，详细步序如图3所示：

同时纯水箱液位对其进行联锁控制：液位<1M时，开启纯水箱进水阀；液位>3.5M时，关闭纯水箱进水阀；液位>1.5M时EDI自动按步序啟动；液位<0.5M时EDI自动按步序停机；为保证水质要求，当EDI极水或浓水流量低报警时会自动停止整流器，进而停止EDI系统，需对其进行化学清洗操作。

超纯水系统主要包含蒸汽阀、冷冻水阀、杀菌UV、纯水泵、真空泵等设备，各设备的启停逻辑需按规定步序进行编写，详细步序如图4所示：

同时超纯水箱液位对其进行联锁控制：液位<1.5M时，开启超纯水箱进水阀，关闭纯水箱回水阀；液位>3.5M时，开启超纯水箱回水阀，关闭超纯水箱进水阀；液位>1.6M时，超纯水自动按步序启动；超纯水箱液位<0.5M时，超纯水自动按步序停机。

EDI供水泵和超纯水泵采用PID [4]控制，通过控制变频器频率，使终端压力值与设定值接近，控制出水量。考虑到整个供水系统的稳定性，在PLC程序中设定了0.1bar的死区，即压力差值在0.1bar范围内时，频率不会去调节。

5、结论

超纯水控制系统采用西门子PLC和WINCC方案，自动化程度高，系统稳定性强，大大节省了人力成本及维护成本。终端产水量和产水水质稳定，达到其它工段生产要求。并且，水利用率高，最大程度实现节水节电。经过多年的运行，整套系统运行稳定可靠，为保证多晶硅产品的质量，提供了有力的保障。

参考文献：

[1]SIMATIC HMI WinCC V7.0 SP1 组态手册.

[2] 西门子S7-300/400PLC用户手册

[3] 深入浅出西门子S7-300PLC刘锴

[4] 西门子S7-300/400PLC编程软件使用手册

作者简介：

赵继彬、19861210、男、汉、籍贯（精确到市）：河南省焦作市、当前职称：工程、学历：本科、研究方向：电气自动化