基于PLC的纯水处理系统毕业论文.doc
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1、 基于PLC的纯水处理系统 摘 要本文初步阐述了超纯水生产工艺现状、发展情况和本项目基本情况;重点阐述了超纯水处理PLC自动控制系统设计。纯水处理部分包括前处理、制备、抛光及回收系统四个部分。在本控制系统中的,我对分布式输入/输出接口,CPU选型和冗余系统选择进行设计,本系统选择了ET200M分布式I/O,它能实现分布广的系统连接,能非常严酷的环境下使用;机架选择UR2-H型,该机架用于在一个机架上配置完整的S7-400冗余系统;S7-417-4H的CPU功能强大,系统连接和冗余连接方便。软件系统设计部分,为简要说明,对PLC常用组态软件的介绍,本文为西门子公司的STEP 7;文中涉及STEP
2、 7的应用范围,软件组态设计中所需要的设置的介绍。关键词:超纯水,PLC,西门子,控制系统ABSTRACTIn this paper, the initial production process of ultra-pure water the status quo, development and the basic situation of the project; Ultrapure water treatment focuses on the design of automatic control system PLC.ultra-pure water includes pre-pro
3、cessing, preparation, polishing and recycling system in four parts. In this control system, I have distributed input / output interface, CPU selection and selection of redundant system design, the system chosen ET200M Distributed I / O, it can achieve wide distribution system, to a very harsh the us
4、e of the environment; UR2-H rack-type choice, the rack used in a rack configuration complete redundancy of the S7-400 system; S7-417-4H powerful the CPU, system connectivity and redundant connections to facilitate .Part of the software system design, for a brief description of the PLC configuration
5、software commonly used to introduce in this paper for the Siemens STEP 7; text relating to the scope of application of STEP 7, the design of the software configuration settings required for introduction.Keywords:Ultra-pure water, PLC, Siemens, controlsystemI目 录摘 要IABSTRACTII第1章 引言11.1 背景11.2课题来源及其研究
6、内容21.3国内外超纯水处理现状3第2章 超纯水及处理系统流程42.1超纯水定义42.2超纯水功能42.3超纯水制造流程42.4系统电气器件72.4.1本系统涉及用电设备72.4.2 西门子MM430变频器82.5系统网络及硬件92.5.1 PLC基本概念112.5.2 现场总线152.5.3 SIMATICET200分布式I/O19第3章 PLC控制设计213.1系统概述213.2 超纯水处理系统控制结构213.3系统控制硬件设计223.3.1硬件设计依据223.3.2 CPU及I/O模块选型依据223.4 系统I/O数目293.5 硬件系统配置343.6 控制系统结构353.6.1基本控制
7、架构概述353.6.2 冗余系统373.6.3 工业以太网39第4章 系统软件设计414.1 系统软件设计概述414.1.1软件需求分析414.1.2软件设计424.2 STEP 7434.2.1 STEP7 概述434.2.2 STEP7硬件组态与参数设计444.3上位机软件45第5章 结论与展望465.1结论465.2展望46致谢47参考文献48 四川理工学院本科毕业设计(论文)第1章 引言1.1 背景晶圆厂即超大规模集成电路厂。晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅芯片,由于其形状为圆形,故称为晶圆。在硅芯片上可加工制作成各种电路组件结构,而成为有特定电性功能的IC产品1。晶圆及芯片制造业
8、是一个高度技术密集、资金密集的产业,其生产对环境要求非常严格,例如对电力、水源、燃气的供应,不仅有很高的质量要求,还须采用双回路,甚至三回路,从而保证在任何时候都能充足、及时供给。另外对空气环境、地表微震动、厂址地质条件也都有严格要求。至于其厂区内部,由于工艺条件所决定,许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成,室内环境的各项参数均须自动调节,以保证随时处于最佳状况,因此,不仅厂房造价相当高,生产、控制设备也异常先进、昂贵,动辄数千万元一台。因此,一般兴建一个两线(即有两条生产线)晶圆厂需投资人民币十几亿至数十亿元,其占地面积也有十几万平方米,员工可达数千人。另外,要保证其正常生产还需
9、要有很多相关的原材料和配套产品生产厂。芯片的制造过程可大致分为晶圆处理工序(Wafer Fabrication)、晶圆针测工序(Wafer Probe)、构装工序(Packaging)、测试工序(Initial Test and Final Test)等几个步骤2。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段(Front End)工序,而构装工序、测试工序为后段(Back End)工序。(1)晶圆处理工序:本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及电子组件(如晶体管、电容、逻辑开关等),其处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关,但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗,再在其表面进行氧化及化学气相沉积,然后进行涂
10、膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤,最终在晶圆上完成数层电路及组件加工与制作。(2)晶圆针测工序:经过上道工序后,晶圆上就形成了一个个的小格,即晶粒,一般情况下,为便于测试,提高效率,同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品;但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。在用针测(Probe)仪对每个晶粒检测其电气特性,并将不合格的晶粒标上记号后,将晶圆切开,分割成一颗颗单独的晶粒,再按其电气特性分类,装入不同的托盘中,不合格的晶粒则舍弃。(3)构装工序:就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上,并把晶粒上蚀刻出的一些引接线端与基座底部伸出的插脚连接,以作为与外界电路板连接之用
11、,最后盖上塑胶盖板,用胶水封死。其目的是用以保护晶粒避免受到机械刮伤或高温破坏。到此才算制成了一块集成电路芯片(即我们在电脑里可以看到的那些黑色或褐色,两边或四边带有许多插脚或引线的矩形小块)。 (4)测试工序:芯片制造的最后一道工序为测试,其又可分为一般测试和特殊测试,前者是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性,如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片,依其电气特性划分为不同等级。而特殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数,从相近参数规格、品种中拿出部分芯片,做有针对性的专门测试,看是否能满足客户的特殊需求,以决定是否须为客户设计专用芯片。经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日
12、期等标识的标签并加以包装后即可出厂。而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定做降级品或废品。对于半导体产业,品质的提升,除了追求相关制造技术的精益求精之外,相关的配合系统技术及供应品质良好与否同样占有相当重要的地位,而超纯水就是其中之一。在制程中,为除去附着于芯片或玻璃上残余酸碱、有机物及其它外来杂质或离子,须依赖超纯水来洗净处理,一套完整且具有高品质、高安全的纯水处理系统是相当重要且直接影响了产品良率,制造成本2。在芯片制造过程中的光刻、扩散、CMP(化学机械抛光)、金属化、CVD(化学气相沉淀)、腐蚀、离子注入等工序需要用到高纯水。水质合格与否,将直接影响到产品的品质。为了保证制程能用到连
13、续合格的高纯水,提高制备系统的自动化控制程度,最大地降低人为干扰因素显得尤其重要。我们探讨晶圆厂超纯水处理的电气和PLC自动控制系统。通过对该系统进行合理设计并应用到实际中,基本上实现整个系统全自动控制,减少了人为干扰因素,利于系统稳定运行,降低了系统维护费用。1.2课题来源及其研究内容某晶圆厂项目月产六万片八吋0.18微米至0.25微米晶圆,主要产品包括DRAM、LCD驱动IC、Flash和CMOS影像传感器等。该厂初期将以0.18微米制程生产功率IC及低阶影像感测组件。第一阶段计划月产2万片晶圆,第二阶段再扩增至月产4万片,最后预计规模倍增至6万片。考虑到产品升级,该生产线能快速转到0.1
14、3微米制程。本课题来源于该公司生产能力为250m3/h超纯水处理系统。本系统是为了满足该公司晶圆180nm生产工艺之光刻、扩散、CMP(化学机械抛光)、金属化、CVD(化学气相沉淀)、腐蚀、离子注入等工序用水需要。研究内容为超纯水处理的电气和PLC自动控制系统,结合本系统需求,进行系统设计。1.3国内外超纯水处理现状大多数现代工业对工业用水水质都有其特殊要求,特别在原子能发电、制药、电子等工业,对水质纯度的要求几乎接近理论值。超纯水定义以及它所要求水质标准,正是伴随着电子等工业用水的要求而出现的。随着要求的提高(特别是在制备大规模集成电路兴起之后),超纯水的定义也发生了迅速的变化。六十年代,要
15、求最终泄漏量为5微克/升(5ppb);七十年代中期已提高至lppb;进入八十年代后,这个目标已向0.1ppb迈进。由于选择性透过分离膜(反渗透膜、超滤膜等等)的开发和广泛应用,使得这一目标得以实现。膜分离技术能有效地去除水中溶解物、胶体、微粒、细菌等,因而,目前,超纯水的微粒,细菌等,因而,目前,超纯水的微粒数可以严格限制在10个/毫升(直径小于0.1微米)以下。DCS(Distributed Control System)分散控制系统的简称,国内一般习惯称之为集散控制系统3。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机,通信、显示和控制等4C技术,
16、其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。在超纯水处理控制系统的第七、八十年代,主要采用DCS。九十年代后,超纯水处理控制系统逐渐采用PLC的现场总线系统。目前,国外对于超纯水工艺的研究要比国内先进,主要是膜技术的广泛应用。我国在1992年制定了中国国家实验室分析用水标准(GB6682-92),从此,我国的超纯水处理进入了快速发展轨道。随着PLC的发展,超纯水处理控制系统逐渐从DCS过渡到现场总线。目前,国内的水处理控制系统比较成熟,与国外差距不大,主要是向是智能化、网络化发展。45四川理工学院本科毕业设计(论文)第2章 超纯水及处理系统流程2.1超纯水定义超纯水(Ult
17、ra Pure Water,UPW)是美国科技界为了研制超纯材料(半导体原件材料、纳米精细陶瓷材料等)应用蒸馏、去离子化、反渗透技术或其它适当的超临界精细技术生产出来的水,这种水中除了水分子(H20)外,几乎没有什么杂质,更没有细菌、病毒、含氯二恶英等有机物,当然也没有人体所需的矿物质微量元素,超纯水无硬度,口感较甜,又常称为软水,可直接饮用,也可煮沸饮用。超纯水中电解质几乎全部去除,水中不溶解的胶体物质、微生物、微粒、有机物、溶解气体降至很低程度。25时,电阻率为10M-cm以上,通常接近18M-cm,必须经膜过滤与混合床等终端精处理。重要的性能指标有电导率或电阻率、PH值、钠、重金属、二氧
18、化硅、溶解有机物、微粒子以及微生物等4。2.2超纯水功能在高科技产业上,超纯水用于制程阶段的湿制程(Wet Process)上,由于在湿制程处理过程所使用水质关系到产品品质,利用超纯水去除杂质及防止在芯片或玻璃上形成氧化膜,故水质不良,非但不能去除不必要杂质,且会造成产品污染而影响品质。总的来说,超纯水在高科技产业的功能如下:去除沉积物;防止金属离子污染;防止有机物污染;防止氧化物污染;增加产品表面整齐;增加产品表面平滑;去除产品表面微尘粒子及附着物。2.3超纯水制造流程超纯水处理系统工艺流程分为四部分,前处理(Pretreatment)、制备(Make Up)、抛光(Polish)及回收系统
19、(Reclaim System)5,分别如图2-1,2-2,2-3和2-4所示。现分别介绍如下:(1)前处理:从原水池(Raw Water Pit)到逆渗透膜(Reverse Osmosis Membrane,RO)为系统前处理。根据水质做化学凝聚、沉降及过滤,阴阳离子交换,紫外灯杀菌和逆渗透膜除盐,以除去大部分可溶离子、有机物、溶解的二氧化碳及细菌。(2)制备:结合紫外灯、混床和薄膜脱氧器,可以除去大部分有机物、溶解的氧气及可溶离子。(3)抛光:结合紫外灯裂解有机物,最后经不再生型抛光混床(Polish Mixed Bed,PMB)和超滤(Ultra Filter,UF),以除去死菌及微粒子
20、,从而得到超纯水给使用点(Point Of Use,POU)。(4)回收系统:对无尘室(Clean Room)里的机台最初和最后的清洗水及含氟废水进行收集,然后用活性炭过滤器(Activate Carbon Filter,ACF)进行处理,进入系统循环使用,从而达到节约用水,降低单位成本的目的。为了保证水质,对超滤出口到使用点将配置输送管路和回收管路,构成一供应系统而 循环使用。 对管路的材质也有一定讲究,RO段前的输送管路是以聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC) SCH80管为主;在RO膜之后的供应管则以聚偏氟乙稀 (Polyvinylidene Fluoride,PVD
21、F)管为主,其中纯水供应管为高洁净度的聚偏氟乙稀(High Purity Polyvinylidene Fluoride,HP-PVDF)管;回收管则为一般的PVDF,以维持良好水质,并降低初期安装成本,同时为使用点获得稳定压力和流量,均采用回路设计。图2-1 超纯水前处理流程图 图2-2 超纯水制备流程图图2-3 超纯水抛光流程图 图2-4 回收流程图2.4系统电气器件2.4.1本系统涉及用电设备主要分为以下几类:(1)各种泵,例如离心泵、隔膜泵、真空泵;(2)不同波长紫外灯,即254nm和185nm紫外灯;(3)西门子变频器MMX430;(4)各种分析仪表,如流量计、差压计、导电度计、液位
22、计(Level Gauge)、硼离子分析仪(Boron Analyzer)、微粒分析仪(Particle Analyzer)、总有机碳(Total Oxygen Carbon, TOC)分析仪、二氧化硅分析仪(Silicon Dioxide Analyzer)、溶氧(Dissolve Oxygen, DO)分析仪等;(6)PLC控制柜,分为现地控制单元和中心控制单元;(7)风机,用于反洗和除溶解的二氧化碳;(8)电加热器。主要用于NaOH加热,防止其在冬天结晶。2.4.2 西门子MM430变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器主要采用交直交方式
23、(V/F变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)三相桥式逆变器,且输出为脉宽调制(Pulse-Width Modulation,PWM)波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。MicroMaster MM430如图2-5,是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。功率范围7.5kW至250
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