横河CS3000控制系统在多晶硅生产中的应用

郭富东 杜俊平（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

1 多晶硅的生产工艺

生产多晶硅的方法有很多种，包括改良西门子法、硅烷热分解法和冶金法等，而全球90%的多晶硅是采用改良西门子法生产的[1]，其主要工艺流程大致可分为合成、提纯、还原、综合回收和氢化五部分。合成是把硅粉与氯化氢反应生成三氯氢硅（SiHCl3）及副产物四氯化硅（SiCl4）和杂质氯化物；提纯是将合成的产物提纯得到高纯的SiHCl3，还原是把高纯的SiHCl3和氢气按比例通入还原炉内，在大约1080℃的硅芯发热体上还原沉积得到多晶硅棒，综合回收是把还原炉出来的尾气（氢气、SiH⁃Cl3、SiCl4、SiH2Cl2和氯化氢）通过冷冻和吸附将其中的氢气分离出来，其他成分经过提纯将SiHCl3分离出来，SiCl4和氯化氢进入氢化生产出SiHCl3进入提纯循环利用。整个工艺流程实现物料的闭路循环。

2 横河CS3000控制系统

横河CS3000控制系统是一个结构真正开放的系统，构成控制系统机器主要有：

2.1 现场控制站（FCS）

2.2 人机接口站（HIS）

2.3 工程师站（ENG）

2.4 V网

2.5 EthernetCENTUM CS3000的主要特点如下[2]：

2.6 采用Windows XP标准操作系统，支持DDE/OPC。

2.7 独家采用了4CPU冗余容错技术的现场控制站，实现了在任何故障及随机错误产生的情况下进行纠错与连续不间断地控制。

2.8 采用横河公司的V-NET控制总线，该控制总线速度可高达100Mbps。满足了用户对实时性和大规模数据通讯的要求。

2.9 较好的可扩展性和与既有系统的兼容性。

3 DCS控制系统总体设计方案

本项目总点数约为5700点,DCS控制系统根据工艺流程分区设三个网络域，分别对应还原、高纯原料（包括提纯、氢化和综合回收）和辅助系统（主要包括热能站、制冷站、水泵站和三废处理）。每个网络域相对独立，互不干扰，且可相互进行数据通讯。还原域内有3个控制器，高纯原料和辅助系统域内各有2个控制器，整个工程共有7个控制器，详细网络结构见下图1。

图1 项目DCS控制系统网络结构图

所有控制器按1:1冗余配置，模拟量输入和输出均为信号隔离，各种类型的I/O通道设计有至少15%的冗余量。

4 DCS控制系统硬件配置

4.1 操作站

操作站共32台，其中还原域9台；高纯原料10台；辅助系统5各车间每个车间2台，共10台；工程师站3台，每个域一台。每个操作站都能独立操作，并可以显示通讯总线上的所有数据,包括实时数据、历史数据等。

4.2 通信接口

本项目的控制系统均设置TCP/IP协议的网络通信接口，并提供DCS控制系统对外的OPC数据接口，实现第三方数据与DCS系统中的控制实时或历史数据进行通讯。系统还设有Pro⁃fibus-DP、Modbus通信接口，能够与第三方设备的控制系统进行数据交换，

4.3 通讯网络

通讯总线应采用冗余电缆并配置相应的接口和控制卡件。该总线包括控制器总线及I/O链路。所有通讯均为双重化的通讯总线，操作站将监控两根通讯总线的任何故障，一条通讯有故障时，另一条应自动接上，无需任何人员操作。任何一路通讯总线故障都不会产生系统功能降级。

4.4 电源

用于控制器和I/O卡件的电源均为1:1冗余配置，电源负荷均留有至少40%以上的余量以保证正常供电。

5 DCS控制系统软件设计

各操作站有基本的操作监视功能，包括操作监视通用功能、操作监视窗口、操作监视支持功能、系统维护功能、控制状态显示窗口、趋势功能、远程操作监视服务器功能。

工程师站安装了进行CENTUM CS3000系统生成和维护管理的工程技术处理功能的软件包。它除了有一般操作站具有的基本操作监视功能外，还有控制组态功能、调试功能、在线维护功能、设备画面的功能、与子系统通信功能等工程技术功能。

改良西门子法生产多晶硅工艺要求自控程度高，控制回路多，但大多以单回路控制为主。复杂的控制有吸附塔的顺控、串级控制、比值分程控制等。以提纯为例，对三氯氢硅精馏塔的控制是通过调节再沸器的热剂量来实现对塔的压差控制。为了消除热剂本身的波动干扰，加入了串级控制。系统组态如图2所示。

图2 精馏塔控制组态

组态中使用了常规PID控制功能块，用以实现基本控制功能和串级控制功能，而CALCU控制功能块为用户提供了运行过程中的一些联锁保护，它是通过程序方式实现的。当塔顶压力超过设定值时，关闭精馏塔再沸器加热介质的阀门，防止塔压升高发生安全事故。装置投运后，操作人员可以根据工艺生产情况，通过更改各个功能块的工作方式，灵活调节复杂控制回路。

装置投产后，实践证明此复杂控制回路运行可靠，能够满足了工艺操作的要求。

6 结语

该项目的DCS系统投入运行以来，稳定可靠、操作简单、维护方便，能够满足整个工艺生产的需要，充分发挥了现有设备的生产能力。该项目实现了多晶硅生产的自动化，减轻了操作人员的劳动强度，提高了生产效率。由于该配套系统功能齐全、技术先进、环保安全、故障率低，节约了大量的维护资金，经济效益和社会效益显著。

[1]卜新平.国内外多晶硅行业现状与发展趋势[J].化学工业，2008,26(7):32-33.

[2]赵江涛，王磊.横河电机CS 3000DCS在钾碱装置中的应用[J].河北化工，2008，31（8）.