爐窯加熱監(jiān)視器系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

黃心沿，謝成，盛旭，彭浩，劉剛

1.湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南長沙，410009；2.中南大學傳感技術(shù)研究所，湖南長沙，410083

0 引言

爐窯是熱工設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于粉末冶金及泛半導(dǎo)體加工制造等行業(yè)。以管式PECVD為例，爐體是爐窯的加熱器，為設(shè)備的主要部分；熱傳遞是爐體實現(xiàn)熱工的基本過程，更是熱工技術(shù)的核心。以此為基礎(chǔ)，從提高爐體絕緣性能、降低供能消耗、延長產(chǎn)品使用期限等方面出發(fā)都是需要考慮并采取措施的。選材時，性能優(yōu)越的電阻發(fā)熱元件和耐火材料是保證爐體質(zhì)量和設(shè)備良好工作的重要條件。其中，電阻發(fā)熱元件起到線路導(dǎo)通、電熱轉(zhuǎn)換及能量傳遞的作用，因此多采用金屬和合金，而耐火材料則起到抵抗高溫的作用，具有抗熱沖擊和化學侵蝕能力好、導(dǎo)熱系數(shù)低和膨脹系數(shù)低等特性。爐溫越高在絕熱保溫方面對耐火材料的要求也越高。

因為工業(yè)爐主要采用電熱絲加熱，所以又被稱為電阻爐。根據(jù)電阻爐使用的最大溫度的高低，需選擇不同的電熱絲，爐體溫度在1200℃以下可選用高溫電阻電熱合金絲；溫度區(qū)間為1350～1400℃時，可選用硅碳棒；當溫度在1600℃時，可選用二硅化鉬材料做電熱絲[1]。由于爐窯需長期在高溫環(huán)境下工作，爐體在通電后會發(fā)熱，而爐體的電熱絲受熱將發(fā)生氧化。隨著氧化的發(fā)展，當設(shè)備運行使用一段時間后，電熱絲會脆化且它的截面積會變小。截面積變小后，電熱絲的電阻值會變大，這就是因氧化導(dǎo)致爐體老化的原理。如果電熱絲持續(xù)脆化，最終將導(dǎo)致發(fā)生斷裂，爐體損壞，對設(shè)備和生產(chǎn)均產(chǎn)生不良影響。為了避免這一情況發(fā)生，需對電熱絲斷裂的場景進行預(yù)測并記錄報警。綜上可見，在爐窯工作運行時，監(jiān)視電阻值變化這項功能是尤為重要的。

1 監(jiān)視器設(shè)計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

加熱監(jiān)視器的外部供電是交流電220V，通過兩個電源變壓器變換不同電壓類型對內(nèi)部元器件進行供電。其中一個電源變壓器將220V的交流電通過一個耦合電路以及橋式整流電路，整流得出24V直流電壓；24V直流電壓一般用于報警信號的輸出以及異常情況的輸出，作為輸出信號傳輸?shù)絇LC中或者主機當中，24V直流電壓還將給加熱監(jiān)視器顯示屏供電；另外一個電源變壓器通過耦合電路降壓，經(jīng)整流電路變換為直流，再經(jīng)BUCK電路降壓轉(zhuǎn)化為12V電壓[2]，給內(nèi)部集成電路供電。

如圖1，RS-485通信1一般用于與上位機PLC程序進行數(shù)據(jù)交換，將電流互感器測得的數(shù)據(jù)信息通過485通信回路傳輸?shù)絇LC等主機當中，而PLC的信號指令通過485通信回路經(jīng)內(nèi)部的互感器進行一個數(shù)據(jù)信號的單位轉(zhuǎn)換，再將信號指令傳入加熱監(jiān)視器內(nèi)部的CPU中；而RS-485通信2是通過加熱監(jiān)視器的軟件設(shè)置控制模塊中的IP地址、波特率等參數(shù)以及監(jiān)控程序的導(dǎo)入等，也可通過加熱監(jiān)視器的軟件直觀地分析兩路電流互感器檢測到的電流信號，分析加熱絲兩端的電壓信號。

圖1 加熱監(jiān)視器內(nèi)部電路

加熱監(jiān)視器內(nèi)部有兩組監(jiān)視回路，分別對加熱絲流經(jīng)的電流以及兩端的電壓進行測量，再由內(nèi)部集成電路對于電流、電壓數(shù)據(jù)進行收集與分析。監(jiān)視回路主要由電感輸入回路與電壓輸入回路組成，其中電感輸入回路由電流互感器對加熱絲的輸入電流進行測量，測得的加熱絲上的電流經(jīng)耦合電路將電流信號進行單位轉(zhuǎn)換，再傳入集成電路的控制模塊中；而電壓回路由加熱絲兩端的電勢差測得其加熱絲的電壓，再經(jīng)過耦合電路將電壓信號傳入集成電路中與電感回路中的電流信號進行運算。兩組監(jiān)視回路分別對不同回路或者不同位置的加熱絲進行監(jiān)測，集成電路中的控制模塊將兩組回路收集的數(shù)據(jù)信息進行對比分析，以加熱絲更換時的電阻值為基準值，根據(jù)實時監(jiān)控加熱絲上阻值的變化來判斷加熱絲是否老化需要進行更換。

加熱監(jiān)視器內(nèi)部還帶有兩組晶體管輸出電路，一路為設(shè)備報警輸出信號，另一路為加熱絲異常情況輸出信號。其中，晶體管回路由發(fā)光二極管與晶體管組成，當集成電路向發(fā)光二極管中輸出正向電流時，使得發(fā)光二極管導(dǎo)通，從而使得晶體管基極部分得電，基極流經(jīng)電流控制集電極到發(fā)射極電路導(dǎo)通[3]。設(shè)備報警輸出回路中有輸入端與輸出端，當設(shè)備報警時，集成電路中的晶體管導(dǎo)通，輸入端的信號轉(zhuǎn)到輸出端，從而傳輸?shù)絇LC或者上位機當中。兩組晶體管回路的輸出端并接在一起，當任意一回路中發(fā)生報警信號，兩組輸出回路中都存在報警信號并傳輸?shù)缴衔粰C中。

1.2 信號處理

由于加熱控制方式和加熱器工作時電熱合金溫度的不同，都可能導(dǎo)致電阻值測量不準確，因此通過信號處理的這一功能來使加熱監(jiān)視器測得穩(wěn)定的電阻值。加熱器的工作運行有三種方式，分別是無控制的常時加熱方式和通過固態(tài)繼電器或功率調(diào)節(jié)器來實施開關(guān)控制的加熱方式。通過開關(guān)控制會使加熱器電壓與電流波形出現(xiàn)斷續(xù)，導(dǎo)致測量的電阻值不穩(wěn)定。另外加熱器由于自身的溫度變化會引起電阻值變化。如果誤將加熱器溫度特性帶來的電阻值變化判斷為老化引起的電阻值變化，就無法正確監(jiān)視老化程度。故加熱監(jiān)視器要具有監(jiān)視加熱器溫度相同時的電阻值的功能，并記錄在“開”和“關(guān)”狀態(tài)下不同的電阻值，計算并顯示其平均值，并設(shè)置測量電阻值范圍的上下限，記錄實測值，通過數(shù)據(jù)存儲來實現(xiàn)。當電阻值超出范圍且達到設(shè)定延時后，加熱監(jiān)視器將會報警。因此，加熱監(jiān)視器可以消除加熱器溫度特性及控制開關(guān)狀態(tài)所帶來的電阻值變化，只監(jiān)視老化引起的電阻值變化。以上邏輯算法加熱監(jiān)視器通過內(nèi)部的CPU模塊來實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)收集的儲存功能則需要一個單獨的PLC。

加熱監(jiān)視器老化報警與加熱器老化報警百分比值j相關(guān)，老化報警的電阻RK的計算方式為：

重新設(shè)定的加熱器老化報警值Re則與更換加熱監(jiān)視器后重新注冊的標準電阻值R1相關(guān)。

2 信息系統(tǒng)

2.1 層級搭建

爐窯設(shè)備通常放置在工廠內(nèi)，有時生產(chǎn)管理用的電腦并不會放置在設(shè)備周邊，而是位于獨立的生產(chǎn)管理辦公室，此時對于爐窯的加熱監(jiān)視工作需要通過遠程來實現(xiàn)?；谶@樣的情況，需要通過一個如圖2采用三級建設(shè)的信息系統(tǒng)[4]來實現(xiàn)加熱監(jiān)視的功能。

圖2 三級信息系統(tǒng)

根據(jù)圖2信息可見，爐窯設(shè)備控制用PLC和生產(chǎn)管理用計算機為現(xiàn)有設(shè)備，為實現(xiàn)加熱監(jiān)視的功能，加入了前文所提到的數(shù)據(jù)收集用PLC和加熱監(jiān)視器。加熱監(jiān)視器測量得到電阻值后，經(jīng)RS-485通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集用PLC中。數(shù)據(jù)收集用PLC將讀取的電阻值數(shù)據(jù)圖表等信息經(jīng)信道反饋給生產(chǎn)管理用計算機，顯示在相配套的加熱監(jiān)視組態(tài)軟件上。加熱監(jiān)視器作為部件，通過測量與計算得到電阻值并發(fā)送給數(shù)據(jù)收集用PLC，為信源，因此為第一級。數(shù)據(jù)收集用PLC作為信息的存儲和轉(zhuǎn)換設(shè)備，作為第二級存在。生產(chǎn)管理用計算機是信息的終端和接收者，為信宿，也是第三級。它們共同構(gòu)成了加熱監(jiān)視器的三級信息系統(tǒng)。

2.2 方案設(shè)計

產(chǎn)品在爐窯設(shè)備中的生產(chǎn)制造是一個完整的過程控制，期間加熱器會工作，有能耗產(chǎn)生，電熱絲也會繼續(xù)老化。因此，如何延遲爐窯設(shè)備加熱器的使用壽命且同時盡可能地用較少的能耗就成了重要的技術(shù)問題?；谶@一情況，需要通過大量的數(shù)據(jù)收集，即在電阻值處于一個固定的范圍內(nèi)時與之相對應(yīng)的能耗需要固定。完成數(shù)據(jù)收集后，經(jīng)過處理便存入了數(shù)據(jù)收集用PLC中?？紤]到電熱絲的導(dǎo)體橫截面及長時間最優(yōu)工作電流值，決定把加熱器電流設(shè)置為可手動設(shè)置的定值，加熱器兩端輸入的電壓值則隨加熱監(jiān)視器所探測的電阻值變換[5]。當加熱監(jiān)視器探測到電阻值后，便將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集專用PLC中，與原數(shù)據(jù)進行比較，之后該PLC再將加熱器兩端所需的電壓值上傳至主控機，再由主控機通過設(shè)備控制用PLC給出命令到提供電壓的部件，向加熱器輸出電能。由于電熱絲持續(xù)氧化，所以加熱器所需的電能會逐漸降低。相較于常規(guī)持續(xù)輸出固定電壓給加熱器的工控模式，這個智能控制方案所需的能耗更低，可有效延長加熱器的壽命，保障爐窯設(shè)備的穩(wěn)步運行。

2.3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試方面主要執(zhí)行單元測試、集成測試和驗證測試。單元測試是針對每一具體模塊的測試，這部分工作以白盒測試的方法交叉完成；集成測試主要是把相關(guān)模塊集合成更大的功能模塊進行測試，重點測試模塊與模塊、各級系統(tǒng)之間的接口，通過白盒測試的方法完成；驗證測試主要針對已經(jīng)開發(fā)完成的整個軟件系統(tǒng)進行測試，重點是測試其功能和可操作性等是否可以滿足加熱監(jiān)視的功能要求，這部分工作通過技術(shù)分析后以黑盒測試的方法進行。在測試過程中，使用最多的工具是因果圖和控制圖，通過因果圖分析出現(xiàn)問題的各種原因，及時反饋以在后續(xù)的開發(fā)中注意避免；通過控制圖對系統(tǒng)的性能進行模擬監(jiān)視，比如在測試系統(tǒng)的登錄響應(yīng)時間的時候，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的登錄響應(yīng)時間突然變長很多，超出可接受范圍，通過分析原因發(fā)現(xiàn)，新加入的一個模塊接口不匹配。最終在經(jīng)過兩次設(shè)計變更后，系統(tǒng)順利通過測試。

3 驗證及應(yīng)用

當加熱監(jiān)視器的硬件設(shè)計及與它相配套的軟件開發(fā)全部完成后，馬上進入產(chǎn)品驗證階段的工作。最終選擇電發(fā)熱體絲徑為8mm的HRE合金且加熱器附帶金相報告、其他各項質(zhì)量檢測均合格的立式電阻爐為實驗設(shè)備。從溫度偏差將影響電阻值變化的角度考慮，為避免這一情況，需要讓溫度能夠保持恒定，因此加熱監(jiān)視器的監(jiān)視區(qū)域最終定在爐窯加熱器的整個恒溫帶上。加熱監(jiān)視器的互感器對應(yīng)地接入恒溫帶的首尾兩端，通過組態(tài)軟件形成以時間為橫坐標、電阻值為縱坐標的觀測界面來顯示圖像，從而實現(xiàn)監(jiān)視的效果。而所有的數(shù)據(jù)查驗必須有管理員權(quán)限，通過密碼登錄后實時觀測或以歷史記錄查詢的方法來獲取數(shù)據(jù)。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，當爐窯設(shè)備運行一段時間后，加熱器電發(fā)熱體的電阻值在持續(xù)降低，延續(xù)了一段時間后，電阻值又上升并能夠維持在一定的范圍內(nèi)。電阻值能在維持一定范圍下工作，主要是由于智能控制方案起到了作用，計算模式為根據(jù)新裝配上加熱絲的電阻值作為標準值，當加熱器運行一段時間后，再與實時監(jiān)控下加熱絲的電阻值進行計算，得出電阻值變化率作為標準電阻值變化率，由此作為衡量加熱絲老化趨勢的指標。加熱監(jiān)視器通過對所采集的數(shù)據(jù)進行分析，通過進一步處理獲得爐窯加熱器長時間穩(wěn)定運行所需的電阻值范圍，并將其回傳給生產(chǎn)管理用計算機，再通過系統(tǒng)將信號反饋到相應(yīng)部件實現(xiàn)聯(lián)調(diào)以達到效果。

圖3 加熱監(jiān)視記錄

目前設(shè)備已經(jīng)運行了半年時間，期間加熱監(jiān)視器一直在工作且無故障，加熱器在相關(guān)的過程控制中性能穩(wěn)定，加熱監(jiān)視系統(tǒng)采集的電阻值數(shù)據(jù)一直在范圍內(nèi)，其余各項指標均符合期望值。

4 結(jié)語

對于冶金和泛半導(dǎo)體行業(yè)爐窯損壞的問題，本文設(shè)計了在線檢測并實時記錄數(shù)據(jù)的加熱監(jiān)視器及配套系統(tǒng)。同時為此建立了一組預(yù)防爐窯電熱體斷裂而給出預(yù)警的方案。通過爐窯設(shè)備測試驗證加熱監(jiān)視器，將測得的電阻數(shù)據(jù)進行分析，得出加熱絲老化趨勢的指標以及加熱監(jiān)視記錄。結(jié)果表明硬件設(shè)計和軟件開發(fā)有效，可以滿足加熱監(jiān)視的實際需求。