单晶炉冷却水状态的监测报警系统设计

石卓立，祁永胜，王晓禹，李光耀

（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

随着环境污染问题逐渐加重，专家和学者对清洁能源进行深入研究，太阳能因其高储量、便捷、安全等优点在清洁能源中脱颖而出，成为各国研究焦点，为了方便使用太阳能，技术人员研发各类太阳能电池。单晶硅作为太阳能电池的原材料，其制备过程被工程师进行广泛而深入的研究，目前，高质量、大尺寸的单晶硅成品主要依靠单晶炉制备[1]。

单晶炉是一种能将多晶材料熔化并根据需求提炼单晶的设备，其制备单晶硅的工艺流程主要包括：加料、熔化、缩颈生长、等径生长、尾部生长、冷却等[2]，其中单晶硅“生长”的工艺过程对炉温的要求较为苛刻，在炉体正常工作时，炉温内部通常在1400 ℃以上，而单晶炉炉体大多使用不锈钢材料，炉市内壁在150 ℃以上会变形，炉盖内壁超过300 ℃也会变形，其他部位如副炉室在50 ℃以上就会变形，炉体各部位一旦变形，将直接影响单晶材料的制备合格率，造成巨大经济损失，因此单晶炉的冷却系统至关重要[3]。

1 研究对象

单晶炉冷却系统大多采用双层水冷式结构设计，要求工艺冷却水进口流量、压力、温度等参数保持恒定，当出现动力源故障等突发情况造成无法供水时，需切换备用冷却水源和动力源，这对冷却系统的自动化水平提出要求。系统的关键在于炉体的工艺冷却水流量、压力、温度的状态监测及报警，当流量、温度或压力达到报警阈值时，现场报警器应迅速响铃并切换成备用冷却水源和动力源。

2 系统设计

冷却水监测及报警系统包括硬件系统和软件系统两部分，若冷却水状态参数异常或设备出现故障时，单片机首先对实时采集的数据进行分析，待确定故障类型后触发线上电话报警和现场报警器，并控制变频器迅速切换备用冷却水源和动力源。使用人接到报警信号后抵达现场，可切断报警并依据系统的数据对单晶炉进行故障鉴定，基于单片机的单晶炉冷却水监测及报警系统如图1 所示。

图1 基于单片机的单晶炉冷却水监测及报警系统

2.1 硬件系统设计

硬件系统分为上位机与下位机两部分，下位机包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、单片机（ZHC4941 RTU）、变频器（MM430）、继电器、变频水泵、稳压电源、接触器等；上位机包括手机、触摸屏，可控制水泵的延时启停。硬件系统通过压力、流量和温度传感器采集单晶炉冷却系统进水阀和出水阀的工艺冷却水状态，再经信号采集卡采集以上信号后，实时显示在触摸屏上；其中，水泵的控制方式为两台自动运行、两台手动运行和一台自动备用[4]。此外，在设备故障时能触发电话报警和现场报警器，同时迅速切换备用冷却水源和动力源，硬件系统原理如图2 所示，硬件系统电气线路如图3 所示。

图2 硬件系统原理

图3 硬件系统电气线路

2.2 软件系统设计

系统选用的变频器内置PID 模块，可实现水流压力的自动调节，软件系统主要在于实现水泵启动设置、系统故障信号分析、报警信号输出、报警用户管理、水流压力、水流温度和水流量的展示等功能。软件系统基于纵横智控RTU 附带的组态软件进行设计，警报触发器的触发设置如图4 所示。

图4 警报触发器的触发设置

2.3 单晶炉冷却水监控系统的运行流程

因系统已考虑水泵故障时的自动切换，所以单晶炉冷却水监控系统运行过程中，当系统故障时水泵运行流程如图5 所示。

图5 系统故障时水泵运行流程

3 功能实现

系统可在电脑端和手机端同时运行，较好的实现各需求功能，电脑端监控界面如图6 所示，手机端监控界面如图7 所示。

图6 电脑端监控界面

图7 手机端监控界面

状态参数监测：微信小程序界面、电脑端界面均可实时显示流经单晶炉工艺冷却水的流体温度，量程为-20～80 ℃。

故障报警并切换动力源：当流量、温度和压力参数超出阈值后，报警灯将点亮并触发手机报警和现场报警器，同时切换成备用冷却水源和动力源。

警报关闭：当使用人接受到报警信号后可自行关闭警报触发器。

4 结束语

通过现场的运行调试，监测系统达到预期目标，能自动监测、故障处理和自动报警，当工艺冷却水泵故障、断电或断水时依然能正常运行，确保各种情况下单晶炉都能正常运转，此外系统在电脑端和手机端均能运行，方便可靠也大大节省人力成本，缩短设备的维修周期。