半导体专用设备的电气控制柜设计研究

赵立华，任晓庆，杨晓静，杨松涛

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

半导体专用设备是为了满足半导体制造工艺而开发的专用设备，近些年在多个行业得到了快速发展。而其电气控制柜作为设备的关键组成部分，其设计越来越重要，越来越需要向标准化、模块化、系列化发展。

1 定义和类型

电气控制柜是将高、低压电气元、部件或各种电气、电子控制功能模块及有关辅件集成到柜体中，以完成监测、控制为主要功能作用的产品和系统，通常具有结构紧凑、功能模块划分、布线合理、便于维护等特点。就半导体专用设备而言，手动、半自动设备的控制柜大多在设备内部，而随着设备自动化程度的提高以及工业通信更加网络化，设备专用电气柜将越来越多，越来越专业，对各个设计环节要求更高、更具体。

电气控制柜产品的结构主要分为：柜体、显示和控制部件及若干内部电气、电子功能部件。依据具体用途不同其类型也不同。有些是专业型的，比如，侧重于电气元件和低压控制单元的开关柜，侧重于各种通信模块的通信或网络机柜；有些是综合型的，例如，半导体设备上安装的控制柜等。在此，主要针对半导体专用设备电气控制柜的设计进行描述。

2 基本设计内容

控制柜设计的基本途径和方法分为三步：首先根据半导体专用设备的功能、结构组成以及控制方案，确定电气控制柜的布局、结构尺寸等；其次，进行内部电气原理图和接线图的详细设计；最后，根据实际的装配调试效果，经过优化、验证，从而满足设备的控制与维护要求。设计内容包括电气控制柜的结构设计、电气控制柜总体配置图、总接线图设计及各部分的装配图与接线图设计，同时还要有部分的元件目录、进出线号及主要材料清单等技术资料。

3 详细设计

半导体专用设备中以低压电气控制柜为主，设计之前一定要了解系统配置、工作方式、环境、控制方式以及工艺要求等。另外，半导体专用设备属于典型的机电一体化系统，需要依据能量匹配、惯量匹配、信号一致性等基本原则，进行机电一体化分析和设计。

3.1 控制柜整体方案设计

设备的整机控制方案必须根据设备的功能需求、性能指标以及性价比等因素进行衡量，以电源模块、电机与驱动单元、控制与显示单元、I/O 单元与专用控制单元等多个模块方案为基础。详细设计时，还要考虑电气结构设计规范性、电气布局图绘制合理性、控制柜结构与工艺设计等细节。

3.1.1 整体结构与配置设计

电气控制柜根据设备的实际需要，分为专用控制柜和通用控制柜。随着设备自动化程度提高和设备模块化的需要，通用电气控制柜应用会越来越多，其基本结构设计首先选用抽屉集中式控制柜。将整个控制柜均分为若干等份，各个抽屉即是相对独立的控制箱，在箱内安装电气控制元件和布线；把功能类似、接线关系密切以及需经常调节、维护的元件组合在一起，这样尽可能减少组件间的连线数量，同时也要让强弱电控制器分离便于减少干扰；单元柜内合理布局，为防对控制系统和其他电气设备产生电磁干扰，主回路尽量要短，且采取可靠屏蔽措施。控制线路尽量简明，而且接线规范，标志清楚。当然，对设计的模块化提出了更高的要求，必要时还要利用三维软件进行设计仿真分析和优化，便于在设计阶段考虑后期的实施细节。

电气控制柜总体配置设计是根据电气原理图的工作原理与控制要求，先将控制系统划分为几个组成部分，根据电气控制柜的复杂程度，把每一部件划成若干组件。然后，再根据电气原理图的接线关系整理出各部分的进出线号，并调整它们之间的连接方式。实践中，根据设备具体需要，把电气箱分为多个部分，要么集中放置在一个立体空间内，要么采取集中和分散相结合的方法，控制单元集中而驱动终端分散在设备实际位置附近。

总体配置设计是以电气系统的总装配图与总接线图形式来表达的，图中应以示意形式反映出各部分主要组件的位置及各部分接线关系、走线方式及使用的行线槽、管线等。总体设计要使整个电气控制系统集中、紧凑，同时在空间允许条件下，把发热元件，噪声振动大的电气部件，尽量放在距离其它元件较远的地方或隔离起来；

对于多工位的大型设备，还应考虑两地操作的方便性；控制柜的总电源开关、紧急停止控制开关应安放在方便而明显的位置。总体配置设计得合理与否关系到电气控制系统的制造、装配质量，更将影响到电气控制系统性能的实现及其工作的可靠性、操作、调试和维护等工作的方便及质量。

3.1.2 组件装联

针对自动化程度较高、单元模块比较多的设备，其电气控制柜（箱）更多更复杂，组件之间连接显得尤为重要，通常要注意以下几个方面：

（1）开关元件、控制板的进出线一般采用接线端头或接线鼻子连接，这可按电流大小及进出线数选用不同规格的接线端头或接线鼻子；

（2）电气柜、控制柜、柜(台)之间以及它们与被控制设备之间，采用接线端子排或工业联接器连接；

（3）弱电控制组件、印制电路板组件之间应采用各种类型的标准接插件连接；电气柜、控制柜、柜(台)内的元件之间的连接，可以借用元件本身的接线端子直接连接，过渡连接线应采用端子排过渡连接，端头应采用相应规格的接线端子处理。

3.1.3 元件布置图的设计与绘制

随着半导体专用设备功能的复杂化和智能化，电气元件的布置变得越来越重要，同时要注意和整机的机构配合。电气元件布置图是某些元件按一定原则的组合，其设计依据是部件原理图、组件的划分情况等。设计时应注意以下几个方面：

（1）应注意将体积大和较重的元件安装在电器板的下面，而发热元件应安装在电气控制柜的上部或后部，便于接线并使走线最短，且宜于散热；

（2）强电弱电分开并注意屏蔽，防止干扰；

（3）需要经常维护、检修、调整的元件安装位置不宜过高或过低；

（4）元件的布置应考虑安全间隙，并做到整齐、美观、对称。由于半导体专用设备常采用行线槽配线方式，应适当加大各排间距，便于布线和维护；

（5）在布置图设计中，除了确定位置之外，还要选择进出线方式及接线端子排、连接器及接插件等，并按一定顺序标上进出线的接线号。

3.1.4 部件接线图的绘制

电气部件接线图是根据部件电气原理及元件布置图绘制的，它表示成套装置的连接关系，是电气安装、维修、查线的依据。接线图应按以下原则绘制：

（1）接线图、表的绘制应符合GB/T6988.6-1993 中《控制系统功能表图的绘制》之规定；

（2）所有电气元件及其引线应标注与电气原理图中相一致的文字符号及接线号。原理图中的项目代号、端子号及导线号的编制分别应符合GB5094-2002 《电气技术中的项目代号》、GB/T4026-2010《人机界面标志标识的基本和安全规则设备端子和导体终端的标识》及GB4884-85《绝缘导线的标记》等规定；

（3）电气接线图一律采用细线条绘制。走线方式分板前走线及板后走线两种，一般采用板前走线，对于简单电气控制部件，元件数量较少，接线关系又不复杂的，可直接画出元件间的连线；对于复杂部件，元件数量多，接线较复杂的情况，一般是采用走线槽，只要在各元件上标出接线号，不必画出各元件间连线；

（4）接线图中应标出配线用的各种导线的型号、规格、截面积及颜色要求等。

另外，在装配实践中，电气控制柜和设备整机的外围连接也非常重要，是设备的可维护性、可靠性的必然要求。电气组装作业时要严格按照作业指导书进行，布线时尽量做到可靠、整洁、美观。

当方案设计完毕后，要考虑实际的布局和装联。涉及到的因素主要有：机柜的装配与安装、零部件及印制板上元器件的安装、接线图、导线和电缆选择、配线工艺设计、导线加工及连接工艺等。如图1所示为某专用设备的总体布局与接线图，主要包括主电源电气箱、设备单元电气箱、工控机、UPS 电源、驱动模块以及主要的线槽等。

模块布局设计属于详细设计的重要内容。如另外一种成线配套的电池片印刷线的模块布局如图2、3、4 所示。

（1）强电电气箱布局。主要有380 V 动力电源、变压器、继电器以及保护元件等。

（2）弱电电气箱布局。主要有I/O 板、输入输出模块、TTL 信号模块等。

（3）模块（运动控制）布局主要有接口板、运动控制卡等。

3.2 电路主路（电源部分）原理与布线设计

图1 总体布局与接线简图

图2 强电电气箱

图3 弱电电气箱

图4 运动控制布局

主要进行电源部分电路设计，电气柜是元件的载体，也是这些电器元件最直接的保护层，好的电气柜设计是保证电气系统以致整个半导体专用设备正常运行的必要条件。国标体系文件中对电气柜，尤其是配电柜的设计有较明确的要求。另外，在设计电柜前，根据客户供电形式选用合适的电源配置。控制电源应采用隔离变压器，尤其是对于像激光光源等对电压敏感型的专用装置。开关电源作为由电子电路器件组成的电源，体积小、对输入电压要求不是很高，通常应用在半导体专用设备的直流控制电压领域。电源部分，首选器件、线缆选型正确、整体空间配置合理，利用接线端子、线槽等合理配置，同时要标识明确，不得遗漏，维护测试方便。

3.3 控制回路（输入输出）原理与布线设计

主要内容包括，输入输出单元的控制，如传感、气动、温度/压力控制单元等，分为模拟、数字两种类型。 半导体专用设备中，经常用到专用模块和单元。比如仪器仪表类的专用电性能测试仪及接口板、超声检测单元、温度控制单元以及气体生成与压力控制单元，还有特种光源等，比如激光光源。

控制回路和设备的外围如驱动和传感、检测装置等紧密连接，在设计工作中出现问题较多的是，中间过渡连接线悬空，有时还受到设备运动部件的碰撞等，这些细节问题需要在接线图表达以及实际装配过程中密切注意。否则，设备会出现各种各样的问题，降低了设备的可靠性和可维修性。针对特殊单元还需要专门的控制模块，同时防止互相干扰。

3.4 电气控制柜工艺设计

电气控制装置通常都需要制作单独的电气控制柜、箱，其设计需要考虑以下几方面：

(1) 根据操作需要及控制面板、箱、柜内各种电气部件的尺寸确定电气箱、柜的总体尺寸及结构形式，非特殊情况下，应使电气控制柜总体尺寸符合结构基本尺寸与系列；

(2) 根据电气控制柜总体尺寸及结构形式、安装尺寸，设计箱内安装支架，并标出安装孔、安装螺栓及接地螺栓尺寸，同时注明配作方式；

(3) 为利于控制柜箱内电器的通风散热，在箱体适当部位设计通风孔或通风槽，必要时应在柜体上部设计强迫通风装置与通风孔。通常在驱动器安装位置附近安装通风孔；

(4) 根据现场安装、维修方便等要求，设计电气控制柜的开门方式及形式，在半导体专用设备中通常以内置门把手为主。

3.5 其他注意事项

3.5.1 防护

除了电磁兼容EMC 之外，电气控制柜还有防护的要求。控制柜不仅是各种元器件集中的地方，也是这些电气部件的保护层。按国家规定，电气控制柜的防护等级要达到IP54 标准，既要防护粉尘的有限进入，还要防止水和其他液体以任何角度的喷洒。特别是对活动部件的密封设计，还要考虑电缆出线处的设计和密封。在电气柜内的布局上，要充分考虑各部件的质量，避免电气柜头重脚轻，受力不平衡。

3.5.2 机械试验

虽然在我国国标中没有明确的半导体设备电气控制柜的标准，但是可以参考《GB/T 19183.5-2003 电子设备机械结构 户外机壳》中第3 部分的机械试验内容进行分析。

机械试验的目的是确保机柜和箱体经受操作、贮存、运输和安装中的机械应力。相关的试验方法如表1所示。

以某型印刷机设备为例，电气控制柜置于设备外部右侧，竖直布局，经过专用振动台的冲击1/2 正弦波振动试验后，不应出现影响形状、配合和功能的变形或损坏，电气柜外壳及内部零件不应出现松动、裂开、变形等情况；同时有些特殊机构比如印刷头的印刷刮板，上下运行时的往复作用力对反馈装置和电机电源电缆有一定的影响，维护时需要注意。

4 人机工程设计

当前电气控制柜的人机工程设计进人全面、广义的人——机——环境整体协调与优化阶段。在国内已经出现很多专业化的工业设计公司，半导体专用设备研发企业可以考虑进行外包。除了设备的功能之外，下面从造型设计、比例尺度设计、色彩设计等方面进行论述。

4.1 造型与比例尺度设计

产品造型设计依据人机工程学观点，确定人和机器之间最适宜的相互作用方式和方法，对电气柜进行材料、构造、加工方法、功能型、合理性、经济性、审美性的全面推敲与设计，同时注意与设备工程技术设计始终同步、交叉、相互参与的设计。

表1 振动和冲击试验

造型的比例尺度是设计人员经常忽视的问题，应根据影响组合的各方面因素做出合理的安排与协调，体现出均衡、稳定、和谐的美学关系。造型常用的几种比例关系有均方根比例、黄金分割比例和模度理论三种。

户外机柜的尺寸以以下计算式为基础：

H=H1+175+n×400

式中：H 为外形高度；H1为框口高度。

W=W1+165+n×600

式中：W 为外形宽度；W1为框口宽度。

D=[D-(D1+D2)]+100+n×300

式中：D 为外形深度；D1、D2为框口深度的相关尺寸。

以上公式的说明：所有尺寸以毫米为单位。而户外箱体的尺寸中，高度H 和深度D 的公式都一样，而W=W1+165+n×300。

下面给出了400 mm 深度的箱体尺寸。

综上所述，参考《GB/T 19183.3-2003 电子设备机械结构户外机壳》中第2-1、2-2 中的机柜和箱体尺寸说明，半导体专用设备电气控制柜可以借鉴。

4.2 色彩设计

将色彩作为一个很重要的考虑因素，机电产品的色彩既要美观、大方、和谐，又要能表现产品的功能要求和形态特征，通常从色彩的色相、明度和纯度三要素出发进行设计，同时和壳体的表面处理相结合。

表2 深度为400 mm 的户外箱体mm

如今，国产半导体专用设备的电气控制柜有比较明显的进步，无论在设计还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观；针对功能较多、长度较大的设备功能模块划分更加合理，网络化智能化手段的逐步使用，也为人机工程设计提供了方便；随着标准化、一体化、智能化等方面的发展，人机工程设计也在不断变化和发展。

设备的人机工程设计是个渐进优化的过程，比如某种丝网印刷生产线设备，经过几个型号的改进，在操作面板设置、按钮布局、颜色与比例等的不断优化，如图5所示主要电气箱在顶层布局，主电源模块在设备底部，驱动模块在执行机构的附近，作为独立的电气箱以及工控机、操作面板等。

图5 整体电气箱

5 结 论

一个质量较高的半导体专用设备的电气控制柜，从设计、工艺、制作、制造到运输与包装，要求各个环节质量保障，才能做出较高质量和水平的控制柜。本文系统化的分析研究，对于推动半导体专用设备控制柜的标准化、系列化研制具有重要意义。

[1]任清晨.电气控制柜设计制作- 结构与工艺篇[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]王志新，罗文广.电机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]赵鹏睿.电气控制柜的人机工程学评价与设计[D].北京：华北电力大学，2013.