充氮型高速料箱库关键技术与应用

文 / 张丹 周先赞

近年来，全球芯片短缺现象严重，在国家产业政策、下游终端应用市场发展的驱动下，中国半导体行业迅速扩张，芯片国产化已是大趋势。在半导体行业领域，潮湿环境对电子元器件品质会产生影响，如何科学有效地管理，从而保证电子元器件在干燥条件下作业和存放，是目前众多电子企业必须解决的问题。

2020年，中国电子科技集团公司第二研究所（简称“中电二所”）研制的充氮型高速料箱库，利用氮气有效降低柜内的氧含量及湿度值，达到防潮防氧化目的，以确保电子元器件的安全存储。该设备不但可根据客户要求控制库内环境湿度和氧气浓度，实现高效精准智能存储，相较传统的充氮柜和货架还能节约超过60%的存储空间，超高的运行速度将平均取货时间控制在20秒以内，存储效率是其他自动货柜的2倍以上。在国外，卡迪斯、维世多等厂家虽然有高速料箱库，但都是标准型，基本不具备充氮除湿功能。而国内电子元器件的充氮除湿存储，绝大部分使用传统的充氮除湿柜，个别货柜生产厂家使用回转库密封充氮除湿，不仅存储效率低下，再加上回转库空间狭小，内部基本被料斗充满，充氮除湿不均匀，效果不是太好。充氮型高速料箱库作为一种新型的智能仓储设备，其内部均使用防静电材料和涂层，完全为电子元件存储量身定做，可广泛应用于半导体微电子行业。

一、充氮型高速料箱库的工作原理及结构

1.充氮型高速料箱库的工作原理

充氮型高速料箱库是一种新型的智能仓储设备，主要用于半导体微电子行业领域，存储对环境湿度要求较高的电子元器件，通过对柜内氮气浓度的控制，达到电子元器件存储的防潮防氧化存储要求。充氮型高速料箱库以防静电物料盒为存储单元，采用伺服控制技术，主要由提升伺服电机通过带动提取车，并由提取车上的伺服电机带动货叉机构做水平运动，货叉机构上的伺服电机带动货叉做伸缩运动。入货时，内置门开启，由入货口机构的输送伺服电机将料盒送到入货口指定位置，再由货叉机构取走，同时内置门关闭；取货时，则由货叉机构将指定料盒送到出货口指定位置，内置门开启，再由出货机构的伺服电机将料盒送出，同时内置门关闭。所有伺服电机采用绝对值编码器定位，采用总线控制方式，控制系统配备防潮除湿系统、气动单元、条码识别系统、监控系统，通过工控机与客户MES系统进行数据交换，实现物料管理。

充氮型高速料箱库外形为长方体，基本结构主要由骨架、提取车、货叉单元、进出货口、外罩面板、维修门、电气控制系统、软件管理系统等部分组成。

2.充氮型高速料箱库的结构

充氮型高速料箱库外形为长方体（见图1），基本结构主要由骨架、提取车、货叉单元、进出货口、外罩面板、维修门、电气控制系统、软件管理系统等部分组成。（见图2）。

图1 充氮型高速料箱库的外形实物图

图2 充氮型高速料箱库的结构

（1）骨架主体均采用铝型材（内部结构见图3），在确保货架强度和承载的同时，既能满足安装精度要求，又能达到减轻设备重量的目的。整个框架组件采用模块化设计思想，将整个货架分成三个模块：左框架模块、右框架模块和标准框架模块。物料存放层格为钢板制作，钢板采用激光切割和钣金折弯加工，并进行防静电表面处理，具有良好的尺寸一致性，能保证安装精度，满足防静电要求。

图3 充氮型高速料箱库的内部结构

（2）提取车主要由小车框架、升降电机、传动机构、导向机构、滑块导轨等部件组成（见图4）。提取车行走轨道采用洁净度较高的铝型材专用轨道，铝型材轨道采用6063T5材质挤压成型，轨道表面经过阳极氧化处理，杜绝了轨道与其他成分发生氧化的可能性，保证洁净室中的使用。行走轮选用钢制包胶轮，行走轮内芯材质采用45#钢，表面进行镀铬处理，包胶轮面采用具有高耐磨性的聚氨酯树脂，包胶材质硬度达到邵氏硬度92A。

图4 提取车示意图

（3）货叉单元主要由货叉、货叉底座、伺服电机、传感器等组成（见图5、图6）。货叉位于货叉底座上，由提取车上的水平伺服电机控制货叉底座沿提取车直线导轨左右移动，使货叉做水平运动；货叉上的伺服电机控制货叉伸出与缩回动作。

图5 货叉单元示意图

图6 货叉单元实物图

（4）电气控制系统：充氮型高速料箱库电气控制系统由可编程控制器（PLC）、IO模块、通讯模块、人机界面（工控机）、传感器、条码识别系统、防潮除湿单元、监控系统、网络交换机等部分组成（见图7）

图7 电气控制系统及网络示意图

三、充氮型高速料箱库的主要技术参数

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

2.物料盒外尺寸：600mm（长）×400mm（宽）×148mm（高），内部可选配分割；

3.单个物料盒承载重量：≤50kg；

4.单台配置料箱数量：220个；

5.提取车升降速度：满载时为1.0m/s，空载时为1.5m/s，速度可调；

6.货叉水平速度：2.0m/s，速度可调；

7.货叉伸缩速度：满载时为0.5 m/s ，空载时为0.8m/s，速度可调；

8.设备工作噪声：≤65dB；

9.控制方式：手动、单机自动、联机自动；

10.管理系统：1套；

11.出货口：2个（根据需求配置）；

12.库内湿度控制范围：10%至30%（根据客户要求）。

四、控制系统设计的关键技术

充氮型高速料箱库关键技术主要体现在控制系统的设计上，包括伺服控制技术、充氮除湿单元的控制和应用、存储管理系统（见图8）。

图8 电气控制系统框图

1.伺服控制技术

充氮型高速料箱库运动控制采用总线控制技术，运动控制器为安川MP2300S，该运动控制器与IO模块及各伺服驱动采用MECHATROLINKⅡ总线方式进行通讯。运动控制器将伺服驱动器与交流伺服电机连接组成一个伺服电机系统，通过与上位机的组合控制，实现伺服电机的高速运行，实现充氮型料箱库的精确定位和高速、高效存储。

2.充氮除湿单元

充氮型高速料箱库是通过充入氮气来达到防潮控湿的效果。充入氮气置换原有空气中的氧气和水分子，使湿度和氧含量快速下降，达到除湿抗氧化的目的。相比吸湿模块方式除湿，充入氮气的除湿速度更快，成本更低，空间利用率更高，防氧化效果良好。

除湿单元由通讯模块、湿度传感器、四路控制箱、气体探测器和电磁阀等部分组成。首先在上位机根据电子元器件存储要求设置合适的湿度和氧浓度值，最大程度上保护好电子元器件。运动控制器通过RS485模块与湿度传感器和气体探测器相互通讯，实时监控设备内的湿度与氧浓度；当湿度或者氧浓度超过设定值，则打开电磁阀，充入氮气；湿度和氧浓度均低于设定值，关闭电磁阀，停止充入氮气。如此循环往复，保障柜内湿度与氧浓度值永远处于电子元器件最佳存储环境。

（1）充氮除湿单元的硬件设计

为达到系统智能调节湿度与氧浓度的目的，此设计使用传感器检测技术，用湿度传感器检测柜内湿度，四个氧浓度传感器检测柜内氧浓度，将收集的参数传输到运动控制器中进行数据处理，便于系统进行智能调控。此设计采用的传感器均支持485通讯，而MP2300自带没有485通讯功能，故增加扩展模块2171F与5个传感器通过RS485串口线连接，进行异步串行传输数据。图9为串口通讯拓扑图。利用串口进行通信具有传送距离长且成本低，有足够的带宽，易实现自定义的协议，并且数据传输可靠、线路简单、使用灵活、维护方便等优点。

图9 通讯模块参数设定和串口通讯拓扑图

安川运动控制器中提供了MSGSND函数和MSG-RCV函数，这两个函数主要实现安川MP2000系列机器串口数据通信。为了用该函数实现命令响应，必须编制用户程序，使其一边切换数据的发送（MSG-SND函数）和接收（MSG-RCV函数），一边进行数据传送。

（2）基本通讯参数设定

首先，要配置好运动控制器的几个基本参数：通信波特率、数据位、奇偶校验位和停止位。同时，传感器上也设置相同的通信参数，这样双方才能正常通信。此外5个传感器的默认设备地址均为1，需进行更改。具体设置如下：温湿度表设备地址为1，气体探测器1至4的设备地址为2至5（见图9、图10）。

图10 传感器通讯地址设置示意图

（3）数据传输程序

湿度传感器与氧气探测器的通过运动控制器内部问询帧指令，将问询帧数据基于Modbus 协议计算整合为一整个数据，发送（MSG-SND）函数和接收（MSG-RCV）函数设置，运动控制器间隔30s依次触发读取5个传感器数据的命令，将相应的问询帧数据放入ML00100和ML00102中（如图11）。

图11湿度传感器与氧气探测器的问询帧指令示意图

通过MSG-SND函数发送给各个传感器，再通过MSG-RCV函数返回相应的数据储存在MW00122和MW00121中，这两个字中的数据通过数据转换，得出当前柜内湿度与氧浓度值（见图12、图13）。将湿度、氧浓度与数据库中客户设定值对比，当柜内湿度或者氧浓度超出设定值，则打开电磁阀，往柜内充入氮气；当湿度或者氧浓度等于或者低于设定值，则关闭电磁阀，停止充气。此外，设备氮气多点供气，根据设定值自动切断和打开供应氮气，能够快速除湿降低氧浓度，防止电子元器件氧化。

图12 多个能控制箱数据显示

图13 管理软件监控数据显示

设备需要维修或人员要进入充氮型高速料箱库内部时，需关闭充氮除湿单元，打开空气阀，待库内氧气浓度达到19%后，维修门锁紧气缸将自动打开，方可用钥匙打开维修门进入内部；为保证人员安全，内部氧气浓度低于19%时，锁紧气缸是不会动作的，用钥匙也打不开维修门。

（4）充氮除湿单元工作流程图（如图14）

图14 充氮除湿流程图

存储管理系统采用C/S结构，系统界面直观、简单易用，主要负责充氮型高速料箱库的物资出入库管理、物资查询、系统维护等。

3.存储管理系统

存储管理软件采用C#语言开发，以数据库SQL SERVER2015作为平台，可方便嵌入企业ERP系统中，实现网络化的管理。存储管理系统采用C/S结构，系统界面直观、简单易用，主要负责充氮型高速料箱库的物资出入库管理、物资查询、系统维护等（见图15）。

图15 存储管理系统功能框图

（1）充氮型高速料箱库入库流程（如图16）

图16 充氮型高速料箱库入库流程图

（2）充氮型高速料箱库入库流程（如图17）

图17 充氮型高速料箱库出库流程图

五、结束语

经过现场设备测试与运行，在数据采集、信息交互、动作控制及智能化方面，基于MP2300S的高速料箱库的控制系统均表现良好。充氮型高速料箱库的智能控制系统可将柜内湿度与氧浓度控制在±3%以内，达到防潮防氧化目的，以确保电子元器件的安全存储，加上该设备占地面积小、容量大，可比普通货架节约超过60%的存储空间，平均存取时间在20秒以内，实现物资的高效存储。

目前，充氮型高速料箱库在中国电子科技集团内部很多半导体微电子领域的兄弟院所使用，效果非常明显，并且航空航天领域也有不少院所在使用。从目前市场的需求信息分析，充氮型高速料箱库同样适用于其他智能生产线和特殊物流配送线，如芯片厂和新能源行业，该设备还能与机器人、AGV智能搬运车相结合，实现不同物品的拣选和存放。

总之，随着三代半导体行业的迅速发展，芯片和电子元器件存储要求也越来越高，充氮型高速料箱库将逐渐在各行各业普及应用。