半導體專用設備的電氣控制柜設計研究

趙立華，任曉慶，楊曉靜，楊松濤

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

半導體專用設備是為了滿足半導體制造工藝而開發(fā)的專用設備，近些年在多個行業(yè)得到了快速發(fā)展。而其電氣控制柜作為設備的關鍵組成部分，其設計越來越重要，越來越需要向標準化、模塊化、系列化發(fā)展。

1 定義和類型

電氣控制柜是將高、低壓電氣元、部件或各種電氣、電子控制功能模塊及有關輔件集成到柜體中，以完成監(jiān)測、控制為主要功能作用的產(chǎn)品和系統(tǒng)，通常具有結構緊湊、功能模塊劃分、布線合理、便于維護等特點。就半導體專用設備而言，手動、半自動設備的控制柜大多在設備內部，而隨著設備自動化程度的提高以及工業(yè)通信更加網(wǎng)絡化，設備專用電氣柜將越來越多，越來越專業(yè)，對各個設計環(huán)節(jié)要求更高、更具體。

電氣控制柜產(chǎn)品的結構主要分為：柜體、顯示和控制部件及若干內部電氣、電子功能部件。依據(jù)具體用途不同其類型也不同。有些是專業(yè)型的，比如，側重于電氣元件和低壓控制單元的開關柜，側重于各種通信模塊的通信或網(wǎng)絡機柜；有些是綜合型的，例如，半導體設備上安裝的控制柜等。在此，主要針對半導體專用設備電氣控制柜的設計進行描述。

2 基本設計內容

控制柜設計的基本途徑和方法分為三步：首先根據(jù)半導體專用設備的功能、結構組成以及控制方案，確定電氣控制柜的布局、結構尺寸等；其次，進行內部電氣原理圖和接線圖的詳細設計；最后，根據(jù)實際的裝配調試效果，經(jīng)過優(yōu)化、驗證，從而滿足設備的控制與維護要求。設計內容包括電氣控制柜的結構設計、電氣控制柜總體配置圖、總接線圖設計及各部分的裝配圖與接線圖設計，同時還要有部分的元件目錄、進出線號及主要材料清單等技術資料。

3 詳細設計

半導體專用設備中以低壓電氣控制柜為主，設計之前一定要了解系統(tǒng)配置、工作方式、環(huán)境、控制方式以及工藝要求等。另外，半導體專用設備屬于典型的機電一體化系統(tǒng)，需要依據(jù)能量匹配、慣量匹配、信號一致性等基本原則，進行機電一體化分析和設計。

3.1 控制柜整體方案設計

設備的整機控制方案必須根據(jù)設備的功能需求、性能指標以及性價比等因素進行衡量，以電源模塊、電機與驅動單元、控制與顯示單元、I/O 單元與專用控制單元等多個模塊方案為基礎。詳細設計時，還要考慮電氣結構設計規(guī)范性、電氣布局圖繪制合理性、控制柜結構與工藝設計等細節(jié)。

3.1.1 整體結構與配置設計

電氣控制柜根據(jù)設備的實際需要，分為專用控制柜和通用控制柜。隨著設備自動化程度提高和設備模塊化的需要，通用電氣控制柜應用會越來越多，其基本結構設計首先選用抽屜集中式控制柜。將整個控制柜均分為若干等份，各個抽屜即是相對獨立的控制箱，在箱內安裝電氣控制元件和布線；把功能類似、接線關系密切以及需經(jīng)常調節(jié)、維護的元件組合在一起，這樣盡可能減少組件間的連線數(shù)量，同時也要讓強弱電控制器分離便于減少干擾；單元柜內合理布局，為防對控制系統(tǒng)和其他電氣設備產(chǎn)生電磁干擾，主回路盡量要短，且采取可靠屏蔽措施。控制線路盡量簡明，而且接線規(guī)范，標志清楚。當然，對設計的模塊化提出了更高的要求，必要時還要利用三維軟件進行設計仿真分析和優(yōu)化，便于在設計階段考慮后期的實施細節(jié)。

電氣控制柜總體配置設計是根據(jù)電氣原理圖的工作原理與控制要求，先將控制系統(tǒng)劃分為幾個組成部分，根據(jù)電氣控制柜的復雜程度，把每一部件劃成若干組件。然后，再根據(jù)電氣原理圖的接線關系整理出各部分的進出線號，并調整它們之間的連接方式。實踐中，根據(jù)設備具體需要，把電氣箱分為多個部分，要么集中放置在一個立體空間內，要么采取集中和分散相結合的方法，控制單元集中而驅動終端分散在設備實際位置附近。

總體配置設計是以電氣系統(tǒng)的總裝配圖與總接線圖形式來表達的，圖中應以示意形式反映出各部分主要組件的位置及各部分接線關系、走線方式及使用的行線槽、管線等。總體設計要使整個電氣控制系統(tǒng)集中、緊湊，同時在空間允許條件下，把發(fā)熱元件，噪聲振動大的電氣部件，盡量放在距離其它元件較遠的地方或隔離起來；

對于多工位的大型設備，還應考慮兩地操作的方便性；控制柜的總電源開關、緊急停止控制開關應安放在方便而明顯的位置?？傮w配置設計得合理與否關系到電氣控制系統(tǒng)的制造、裝配質量，更將影響到電氣控制系統(tǒng)性能的實現(xiàn)及其工作的可靠性、操作、調試和維護等工作的方便及質量。

3.1.2 組件裝聯(lián)

針對自動化程度較高、單元模塊比較多的設備，其電氣控制柜（箱）更多更復雜，組件之間連接顯得尤為重要，通常要注意以下幾個方面：

（1）開關元件、控制板的進出線一般采用接線端頭或接線鼻子連接，這可按電流大小及進出線數(shù)選用不同規(guī)格的接線端頭或接線鼻子；

（2）電氣柜、控制柜、柜(臺)之間以及它們與被控制設備之間，采用接線端子排或工業(yè)聯(lián)接器連接；

（3）弱電控制組件、印制電路板組件之間應采用各種類型的標準接插件連接；電氣柜、控制柜、柜(臺)內的元件之間的連接，可以借用元件本身的接線端子直接連接，過渡連接線應采用端子排過渡連接，端頭應采用相應規(guī)格的接線端子處理。

3.1.3 元件布置圖的設計與繪制

隨著半導體專用設備功能的復雜化和智能化，電氣元件的布置變得越來越重要，同時要注意和整機的機構配合。電氣元件布置圖是某些元件按一定原則的組合，其設計依據(jù)是部件原理圖、組件的劃分情況等。設計時應注意以下幾個方面：

（1）應注意將體積大和較重的元件安裝在電器板的下面，而發(fā)熱元件應安裝在電氣控制柜的上部或后部，便于接線并使走線最短，且宜于散熱；

（2）強電弱電分開并注意屏蔽，防止干擾；

（3）需要經(jīng)常維護、檢修、調整的元件安裝位置不宜過高或過低；

（4）元件的布置應考慮安全間隙，并做到整齊、美觀、對稱。由于半導體專用設備常采用行線槽配線方式，應適當加大各排間距，便于布線和維護；

（5）在布置圖設計中，除了確定位置之外，還要選擇進出線方式及接線端子排、連接器及接插件等，并按一定順序標上進出線的接線號。

3.1.4 部件接線圖的繪制

電氣部件接線圖是根據(jù)部件電氣原理及元件布置圖繪制的，它表示成套裝置的連接關系，是電氣安裝、維修、查線的依據(jù)。接線圖應按以下原則繪制：

（1）接線圖、表的繪制應符合GB/T6988.6-1993 中《控制系統(tǒng)功能表圖的繪制》之規(guī)定；

（2）所有電氣元件及其引線應標注與電氣原理圖中相一致的文字符號及接線號。原理圖中的項目代號、端子號及導線號的編制分別應符合GB5094-2002 《電氣技術中的項目代號》、GB/T4026-2010《人機界面標志標識的基本和安全規(guī)則設備端子和導體終端的標識》及GB4884-85《絕緣導線的標記》等規(guī)定；

（3）電氣接線圖一律采用細線條繪制。走線方式分板前走線及板后走線兩種，一般采用板前走線，對于簡單電氣控制部件，元件數(shù)量較少，接線關系又不復雜的，可直接畫出元件間的連線；對于復雜部件，元件數(shù)量多，接線較復雜的情況，一般是采用走線槽，只要在各元件上標出接線號，不必畫出各元件間連線；

（4）接線圖中應標出配線用的各種導線的型號、規(guī)格、截面積及顏色要求等。

另外，在裝配實踐中，電氣控制柜和設備整機的外圍連接也非常重要，是設備的可維護性、可靠性的必然要求。電氣組裝作業(yè)時要嚴格按照作業(yè)指導書進行，布線時盡量做到可靠、整潔、美觀。

當方案設計完畢后，要考慮實際的布局和裝聯(lián)。涉及到的因素主要有：機柜的裝配與安裝、零部件及印制板上元器件的安裝、接線圖、導線和電纜選擇、配線工藝設計、導線加工及連接工藝等。如圖1所示為某專用設備的總體布局與接線圖，主要包括主電源電氣箱、設備單元電氣箱、工控機、UPS 電源、驅動模塊以及主要的線槽等。

模塊布局設計屬于詳細設計的重要內容。如另外一種成線配套的電池片印刷線的模塊布局如圖2、3、4 所示。

（1）強電電氣箱布局。主要有380 V 動力電源、變壓器、繼電器以及保護元件等。

（2）弱電電氣箱布局。主要有I/O 板、輸入輸出模塊、TTL 信號模塊等。

（3）模塊（運動控制）布局主要有接口板、運動控制卡等。

3.2 電路主路（電源部分）原理與布線設計

圖1 總體布局與接線簡圖

圖2 強電電氣箱

圖3 弱電電氣箱

圖4 運動控制布局

主要進行電源部分電路設計，電氣柜是元件的載體，也是這些電器元件最直接的保護層，好的電氣柜設計是保證電氣系統(tǒng)以致整個半導體專用設備正常運行的必要條件。國標體系文件中對電氣柜，尤其是配電柜的設計有較明確的要求。另外，在設計電柜前，根據(jù)客戶供電形式選用合適的電源配置?？刂齐娫磻捎酶綦x變壓器，尤其是對于像激光光源等對電壓敏感型的專用裝置。開關電源作為由電子電路器件組成的電源，體積小、對輸入電壓要求不是很高，通常應用在半導體專用設備的直流控制電壓領域。電源部分，首選器件、線纜選型正確、整體空間配置合理，利用接線端子、線槽等合理配置，同時要標識明確，不得遺漏，維護測試方便。

3.3 控制回路（輸入輸出）原理與布線設計

主要內容包括，輸入輸出單元的控制，如傳感、氣動、溫度/壓力控制單元等，分為模擬、數(shù)字兩種類型。 半導體專用設備中，經(jīng)常用到專用模塊和單元。比如儀器儀表類的專用電性能測試儀及接口板、超聲檢測單元、溫度控制單元以及氣體生成與壓力控制單元，還有特種光源等，比如激光光源。

控制回路和設備的外圍如驅動和傳感、檢測裝置等緊密連接，在設計工作中出現(xiàn)問題較多的是，中間過渡連接線懸空，有時還受到設備運動部件的碰撞等，這些細節(jié)問題需要在接線圖表達以及實際裝配過程中密切注意。否則，設備會出現(xiàn)各種各樣的問題，降低了設備的可靠性和可維修性。針對特殊單元還需要專門的控制模塊，同時防止互相干擾。

3.4 電氣控制柜工藝設計

電氣控制裝置通常都需要制作單獨的電氣控制柜、箱，其設計需要考慮以下幾方面：

(1) 根據(jù)操作需要及控制面板、箱、柜內各種電氣部件的尺寸確定電氣箱、柜的總體尺寸及結構形式，非特殊情況下，應使電氣控制柜總體尺寸符合結構基本尺寸與系列；

(2) 根據(jù)電氣控制柜總體尺寸及結構形式、安裝尺寸，設計箱內安裝支架，并標出安裝孔、安裝螺栓及接地螺栓尺寸，同時注明配作方式；

(3) 為利于控制柜箱內電器的通風散熱，在箱體適當部位設計通風孔或通風槽，必要時應在柜體上部設計強迫通風裝置與通風孔。通常在驅動器安裝位置附近安裝通風孔；

(4) 根據(jù)現(xiàn)場安裝、維修方便等要求，設計電氣控制柜的開門方式及形式，在半導體專用設備中通常以內置門把手為主。

3.5 其他注意事項

3.5.1 防護

除了電磁兼容EMC 之外，電氣控制柜還有防護的要求?？刂乒癫粌H是各種元器件集中的地方，也是這些電氣部件的保護層。按國家規(guī)定，電氣控制柜的防護等級要達到IP54 標準，既要防護粉塵的有限進入，還要防止水和其他液體以任何角度的噴灑。特別是對活動部件的密封設計，還要考慮電纜出線處的設計和密封。在電氣柜內的布局上，要充分考慮各部件的質量，避免電氣柜頭重腳輕，受力不平衡。

3.5.2 機械試驗

雖然在我國國標中沒有明確的半導體設備電氣控制柜的標準，但是可以參考《GB/T 19183.5-2003 電子設備機械結構 戶外機殼》中第3 部分的機械試驗內容進行分析。

機械試驗的目的是確保機柜和箱體經(jīng)受操作、貯存、運輸和安裝中的機械應力。相關的試驗方法如表1所示。

以某型印刷機設備為例，電氣控制柜置于設備外部右側，豎直布局，經(jīng)過專用振動臺的沖擊1/2 正弦波振動試驗后，不應出現(xiàn)影響形狀、配合和功能的變形或損壞，電氣柜外殼及內部零件不應出現(xiàn)松動、裂開、變形等情況；同時有些特殊機構比如印刷頭的印刷刮板，上下運行時的往復作用力對反饋裝置和電機電源電纜有一定的影響，維護時需要注意。

4 人機工程設計

當前電氣控制柜的人機工程設計進人全面、廣義的人——機——環(huán)境整體協(xié)調與優(yōu)化階段。在國內已經(jīng)出現(xiàn)很多專業(yè)化的工業(yè)設計公司，半導體專用設備研發(fā)企業(yè)可以考慮進行外包。除了設備的功能之外，下面從造型設計、比例尺度設計、色彩設計等方面進行論述。

4.1 造型與比例尺度設計

產(chǎn)品造型設計依據(jù)人機工程學觀點，確定人和機器之間最適宜的相互作用方式和方法，對電氣柜進行材料、構造、加工方法、功能型、合理性、經(jīng)濟性、審美性的全面推敲與設計，同時注意與設備工程技術設計始終同步、交叉、相互參與的設計。

表1 振動和沖擊試驗

造型的比例尺度是設計人員經(jīng)常忽視的問題，應根據(jù)影響組合的各方面因素做出合理的安排與協(xié)調，體現(xiàn)出均衡、穩(wěn)定、和諧的美學關系。造型常用的幾種比例關系有均方根比例、黃金分割比例和模度理論三種。

戶外機柜的尺寸以以下計算式為基礎：

H=H1+175+n×400

式中：H 為外形高度；H1為框口高度。

W=W1+165+n×600

式中：W 為外形寬度；W1為框口寬度。

D=[D-(D1+D2)]+100+n×300

式中：D 為外形深度；D1、D2為框口深度的相關尺寸。

以上公式的說明：所有尺寸以毫米為單位。而戶外箱體的尺寸中，高度H 和深度D 的公式都一樣，而W=W1+165+n×300。

下面給出了400 mm 深度的箱體尺寸。

綜上所述，參考《GB/T 19183.3-2003 電子設備機械結構戶外機殼》中第2-1、2-2 中的機柜和箱體尺寸說明，半導體專用設備電氣控制柜可以借鑒。

4.2 色彩設計

將色彩作為一個很重要的考慮因素，機電產(chǎn)品的色彩既要美觀、大方、和諧，又要能表現(xiàn)產(chǎn)品的功能要求和形態(tài)特征，通常從色彩的色相、明度和純度三要素出發(fā)進行設計，同時和殼體的表面處理相結合。

表2 深度為400 mm 的戶外箱體mm

如今，國產(chǎn)半導體專用設備的電氣控制柜有比較明顯的進步，無論在設計還是材料等方面都有很大的改善，元器件和部件也有很大的改觀；針對功能較多、長度較大的設備功能模塊劃分更加合理，網(wǎng)絡化智能化手段的逐步使用，也為人機工程設計提供了方便；隨著標準化、一體化、智能化等方面的發(fā)展，人機工程設計也在不斷變化和發(fā)展。

設備的人機工程設計是個漸進優(yōu)化的過程，比如某種絲網(wǎng)印刷生產(chǎn)線設備，經(jīng)過幾個型號的改進，在操作面板設置、按鈕布局、顏色與比例等的不斷優(yōu)化，如圖5所示主要電氣箱在頂層布局，主電源模塊在設備底部，驅動模塊在執(zhí)行機構的附近，作為獨立的電氣箱以及工控機、操作面板等。

圖5 整體電氣箱

5 結 論

一個質量較高的半導體專用設備的電氣控制柜，從設計、工藝、制作、制造到運輸與包裝，要求各個環(huán)節(jié)質量保障，才能做出較高質量和水平的控制柜。本文系統(tǒng)化的分析研究，對于推動半導體專用設備控制柜的標準化、系列化研制具有重要意義。

[1]任清晨.電氣控制柜設計制作- 結構與工藝篇[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2]王志新，羅文廣.電機控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]趙鵬睿.電氣控制柜的人機工程學評價與設計[D].北京：華北電力大學，2013.