單晶爐冷卻水狀態(tài)的監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計

石卓立，祁永勝，王曉禹，李光耀

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

隨著環(huán)境污染問題逐漸加重，專家和學(xué)者對清潔能源進行深入研究，太陽能因其高儲量、便捷、安全等優(yōu)點在清潔能源中脫穎而出，成為各國研究焦點，為了方便使用太陽能，技術(shù)人員研發(fā)各類太陽能電池。單晶硅作為太陽能電池的原材料，其制備過程被工程師進行廣泛而深入的研究，目前，高質(zhì)量、大尺寸的單晶硅成品主要依靠單晶爐制備[1]。

單晶爐是一種能將多晶材料熔化并根據(jù)需求提煉單晶的設(shè)備，其制備單晶硅的工藝流程主要包括：加料、熔化、縮頸生長、等徑生長、尾部生長、冷卻等[2]，其中單晶硅“生長”的工藝過程對爐溫的要求較為苛刻，在爐體正常工作時，爐溫內(nèi)部通常在1400 ℃以上，而單晶爐爐體大多使用不銹鋼材料，爐市內(nèi)壁在150 ℃以上會變形，爐蓋內(nèi)壁超過300 ℃也會變形，其他部位如副爐室在50 ℃以上就會變形，爐體各部位一旦變形，將直接影響單晶材料的制備合格率，造成巨大經(jīng)濟損失，因此單晶爐的冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要[3]。

1 研究對象

單晶爐冷卻系統(tǒng)大多采用雙層水冷式結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求工藝冷卻水進口流量、壓力、溫度等參數(shù)保持恒定，當(dāng)出現(xiàn)動力源故障等突發(fā)情況造成無法供水時，需切換備用冷卻水源和動力源，這對冷卻系統(tǒng)的自動化水平提出要求。系統(tǒng)的關(guān)鍵在于爐體的工藝冷卻水流量、壓力、溫度的狀態(tài)監(jiān)測及報警，當(dāng)流量、溫度或壓力達到報警閾值時，現(xiàn)場報警器應(yīng)迅速響鈴并切換成備用冷卻水源和動力源。

2 系統(tǒng)設(shè)計

冷卻水監(jiān)測及報警系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，若冷卻水狀態(tài)參數(shù)異?；蛟O(shè)備出現(xiàn)故障時，單片機首先對實時采集的數(shù)據(jù)進行分析，待確定故障類型后觸發(fā)線上電話報警和現(xiàn)場報警器，并控制變頻器迅速切換備用冷卻水源和動力源。使用人接到報警信號后抵達現(xiàn)場，可切斷報警并依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對單晶爐進行故障鑒定，基于單片機的單晶爐冷卻水監(jiān)測及報警系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 基于單片機的單晶爐冷卻水監(jiān)測及報警系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)分為上位機與下位機兩部分，下位機包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、單片機（ZHC4941 RTU）、變頻器（MM430）、繼電器、變頻水泵、穩(wěn)壓電源、接觸器等；上位機包括手機、觸摸屏，可控制水泵的延時啟停。硬件系統(tǒng)通過壓力、流量和溫度傳感器采集單晶爐冷卻系統(tǒng)進水閥和出水閥的工藝冷卻水狀態(tài)，再經(jīng)信號采集卡采集以上信號后，實時顯示在觸摸屏上；其中，水泵的控制方式為兩臺自動運行、兩臺手動運行和一臺自動備用[4]。此外，在設(shè)備故障時能觸發(fā)電話報警和現(xiàn)場報警器，同時迅速切換備用冷卻水源和動力源，硬件系統(tǒng)原理如圖2 所示，硬件系統(tǒng)電氣線路如圖3 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)原理

圖3 硬件系統(tǒng)電氣線路

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)選用的變頻器內(nèi)置PID 模塊，可實現(xiàn)水流壓力的自動調(diào)節(jié)，軟件系統(tǒng)主要在于實現(xiàn)水泵啟動設(shè)置、系統(tǒng)故障信號分析、報警信號輸出、報警用戶管理、水流壓力、水流溫度和水流量的展示等功能。軟件系統(tǒng)基于縱橫智控RTU 附帶的組態(tài)軟件進行設(shè)計，警報觸發(fā)器的觸發(fā)設(shè)置如圖4 所示。

圖4 警報觸發(fā)器的觸發(fā)設(shè)置

2.3 單晶爐冷卻水監(jiān)控系統(tǒng)的運行流程

因系統(tǒng)已考慮水泵故障時的自動切換，所以單晶爐冷卻水監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)系統(tǒng)故障時水泵運行流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)故障時水泵運行流程

3 功能實現(xiàn)

系統(tǒng)可在電腦端和手機端同時運行，較好的實現(xiàn)各需求功能，電腦端監(jiān)控界面如圖6 所示，手機端監(jiān)控界面如圖7 所示。

圖6 電腦端監(jiān)控界面

圖7 手機端監(jiān)控界面

狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測：微信小程序界面、電腦端界面均可實時顯示流經(jīng)單晶爐工藝冷卻水的流體溫度，量程為-20～80 ℃。

故障報警并切換動力源：當(dāng)流量、溫度和壓力參數(shù)超出閾值后，報警燈將點亮并觸發(fā)手機報警和現(xiàn)場報警器，同時切換成備用冷卻水源和動力源。

警報關(guān)閉：當(dāng)使用人接受到報警信號后可自行關(guān)閉警報觸發(fā)器。

4 結(jié)束語

通過現(xiàn)場的運行調(diào)試，監(jiān)測系統(tǒng)達到預(yù)期目標，能自動監(jiān)測、故障處理和自動報警，當(dāng)工藝冷卻水泵故障、斷電或斷水時依然能正常運行，確保各種情況下單晶爐都能正常運轉(zhuǎn)，此外系統(tǒng)在電腦端和手機端均能運行，方便可靠也大大節(jié)省人力成本，縮短設(shè)備的維修周期。