1、 基于 PLC 的纯水处理系统I摘 要本文初步阐述了超纯水生产工艺现状、发展情况和本项目基本情况；重点阐述了超纯水处理 PLC自动控制系统设计。纯水处理部分包括前处理、制备、抛光及回收系统四个部分。在本控制系统中的，我对分布式输入/输出接口，CPU 选型和冗余系统选择进行设计，本系统选择了 ET200M分布式 I/O，它能实现分布广的系统连接，能非常严酷的环境下使用；机架选择 UR2-H型，该机架用于在一个机架上配置完整的 S7-400冗余系统；S7-417-4H 的 CPU功能强大，系统连接和冗余连接方便。软件系统设计部分，为简要说明，对 PLC常用组态软件的介绍，本文为西门子公司的 STE
2、P 7；文中涉及 STEP 7的应用范围，软件组态设计中所需要的设置的介绍。关键词：超纯水，PLC，西门子，控制系统IIABSTRACTIn this paper, the initial production process of ultra-pure water the status quo, development and the basic situation of the project; Ultrapure water treatment focuses on the design of automatic control system PLC.ultra-pure water i
3、ncludes pre-processing, preparation, polishing and recycling system in four parts. In this control system, I have distributed input / output interface, CPU selection and selection of redundant system design, the system chosen ET200M Distributed I / O, it can achieve wide distribution system, to a ve
4、ry harsh the use of the environment; UR2-H rack-type choice, the rack used in a rack configuration complete redundancy of the S7-400 system; S7-417-4H powerful the CPU, system connectivity and redundant connections to facilitate .Part of the software system design, for a brief description of the PLC
5、 configuration software commonly used to introduce in this paper for the Siemens STEP 7; text relating to the scope of application of STEP 7, the design of the software configuration settings required for introduction.Keywords：Ultra-pure water, PLC, Siemens, control system目 录摘 要.IABSTRACT.II第 1章 引言.
6、11.1 背景 .11.2课题来源及其研究内容.21.3国内外超纯水处理现状.3第 2章 超纯水及处理系统流程.42.1超纯水定义.42.2超纯水功能.42.3超纯水制造流程.42.4系统电气器件.72.4.1本系统涉及用电设备 .72.4.2 西门子 MM430变频器.82.5系统网络及硬件.92.5.1 PLC基本概念 .112.5.2 现场总线.152.5.3 SIMATIC ET 200分布式 I/O.19第 3章 PLC 控制设计 .213.1系统概述.213.2 超纯水处理系统控制结构 .213.3系统控制硬件设计.223.3.1硬件设计依据 .223.3.2 CPU及 I/O模块
7、选型依据 .223.4 系统 I/O数目 .293.5 硬件系统配置 .343.6 控制系统结构 .353.6.1基本控制架构概述 .353.6.2 冗余系统.373.6.3 工业以太网.39第 4章 系统软件设计.414.1 系统软件设计概述 .414.1.1软件需求分析 .414.1.2软件设计 .424.2 STEP 7.434.2.1 STEP7 概述.434.2.2 STEP7硬件组态与参数设计 .444.3上位机软件.45第 5章 结论与展望.465.1结论 .465.2展望 .46致谢.47参考文献.48四川理工学院本科毕业设计（论文）1第 1 章 引言1.1 背景晶圆厂即超大规
8、模集成电路厂。晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅芯片,由于其形状为圆形,故称为晶圆。在硅芯片上可加工制作成各种电路组件结构,而成为有特定电性功能的 IC产品 1。晶圆及芯片制造业是一个高度技术密集、资金密集的产业，其生产对环境要求非常严格，例如对电力、水源、燃气的供应，不仅有很高的质量要求，还须采用双回路，甚至三回路，从而保证在任何时候都能充足、及时供给。另外对空气环境、地表微震动、厂址地质条件也都有严格要求。至于其厂区内部，由于工艺条件所决定，许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成，室内环境的各项参数均须自动调节，以保证随时处于最佳状况，因此，不仅厂房造价相当高，生产、控制设备也
9、异常先进、昂贵，动辄数千万元一台。因此，一般兴建一个两线(即有两条生产线)晶圆厂需投资人民币十几亿至数十亿元，其占地面积也有十几万平方米，员工可达数千人。另外，要保证其正常生产还需要有很多相关的原材料和配套产品生产厂。芯片的制造过程可大致分为晶圆处理工序（Wafer Fabrication）、晶圆针测工序（Wafer Probe）、构装工序（Packaging）、测试工序（Initial Test and Final Test）等几个步骤 2。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段（Front End）工序，而构装工序、测试工序为后段（Back End）工序。（1）晶圆处理工序：本工序的主要工作
10、是在晶圆上制作电路及电子组件（如晶体管、电容、逻辑开关等），其处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤，最终在晶圆上完成数层电路及组件加工与制作。（2）晶圆针测工序：经过上道工序后，晶圆上就形成了一个个的小格，即晶粒，一般情况下，为便于测试，提高效率，同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品；但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。在用针测（Probe）仪对每个晶粒检测其电气特性，并将不合格的晶粒标上记号后，将晶圆切开，分割成一颗颗单独的晶粒，再按其电气特性分类，装
11、入不同的托盘中，不合格的晶粒则舍弃。（3）构装工序：就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引接线端与基座底部伸出的插脚连接，以作为与外界电路板连接之用，第 1章 引言2最后盖上塑胶盖板，用胶水封死。其目的是用以保护晶粒避免受到机械刮伤或高温破坏。到此才算制成了一块集成电路芯片（即我们在电脑里可以看到的那些黑色或褐色，两边或四边带有许多插脚或引线的矩形小块）。 （4）测试工序：芯片制造的最后一道工序为测试，其又可分为一般测试和特殊测试，前者是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。而特
12、殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定做降级品或废品。对于半导体产业，品质的提升，除了追求相关制造技术的精益求精之外，相关的配合系统技术及供应品质良好与否同样占有相当重要的地位，而超纯水就是其中之一。在制程中，为除去附着于芯片或玻璃上残余酸碱、有机物及其它外来杂质或离子，须依赖超纯水来洗净处理，一套完整且具有高品质、高安全的纯水处理系统是相当重要且直接影响了产品
13、良率，制造成本 2。在芯片制造过程中的光刻、扩散、CMP(化学机械抛光)、金属化、CVD(化学气相沉淀)、腐蚀、离子注入等工序需要用到高纯水。水质合格与否，将直接影响到产品的品质。为了保证制程能用到连续合格的高纯水，提高制备系统的自动化控制程度，最大地降低人为干扰因素显得尤其重要。我们探讨晶圆厂超纯水处理的电气和 PLC自动控制系统。通过对该系统进行合理设计并应用到实际中，基本上实现整个系统全自动控制，减少了人为干扰因素，利于系统稳定运行，降低了系统维护费用。1.2 课题来源及其研究内容某晶圆厂项目月产六万片八吋 0.18微米至 0.25微米晶圆，主要产品包括DRAM、LCD 驱动 IC、Fl
14、ash 和 CMOS影像传感器等。该厂初期将以 0.18微米制程生产功率 IC及低阶影像感测组件。第一阶段计划月产 2万片晶圆，第二阶段再扩增至月产 4万片，最后预计规模倍增至 6万片。考虑到产品升级，该生产线能快速转到 0.13微米制程。本课题来源于该公司生产能力为 250m3/h超纯水处理系统。本系统是为了满足该公司晶圆 180nm生产工艺之光刻、扩散、CMP(化学机械抛光)、金属化、CVD(化学气相四川理工学院本科毕业设计（论文）3沉淀)、腐蚀、离子注入等工序用水需要。研究内容为超纯水处理的电气和 PLC自动控制系统，结合本系统需求，进行系统设计。1.3 国内外超纯水处理现状大多数现代工
15、业对工业用水水质都有其特殊要求，特别在原子能发电、制药、电子等工业，对水质纯度的要求几乎接近理论值。超纯水定义以及它所要求水质标准，正是伴随着电子等工业用水的要求而出现的。随着要求的提高（特别是在制备大规模集成电路兴起之后） ，超纯水的定义也发生了迅速的变化。六十年代，要求最终泄漏量为 5微克/升（5ppb） ；七十年代中期已提高至 lppb；进入八十年代后，这个目标已向0.1ppb迈进。由于选择性透过分离膜（反渗透膜、超滤膜等等）的开发和广泛应用，使得这一目标得以实现。膜分离技术能有效地去除水中溶解物、胶体、微粒、细菌等，因而，目前，超纯水的微粒，细菌等，因而，目前，超纯水的微粒数可以严格限
16、制在10个/毫升（直径小于 0.1微米）以下。DCS（Distributed Control System）分散控制系统的简称，国内一般习惯称之为集散控制系统 3。DCS 是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等 4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。在超纯水处理控制系统的第七、八十年代，主要采用 DCS。九十年代后，超纯水处理控制系统逐渐采用 PLC的现场总线系统。目前，国外对于超纯水工艺的研究要比国内先进，主要是膜技术的广泛应用。我国在 1992年制定了中国国家实验室分析用水标准(GB6682
17、-92)，从此，我国的超纯水处理进入了快速发展轨道。随着 PLC的发展，超纯水处理控制系统逐渐从 DCS过渡到现场总线。目前，国内的水处理控制系统比较成熟，与国外差距不大，主要是向是智能化、网络化发展。第 2章 超纯水及处理系统流程4第 2 章 超纯水及处理系统流程2.1 超纯水定义超纯水(Ultra Pure Water,UPW)是美国科技界为了研制超纯材料(半导体原件材料、纳米精细陶瓷材料等)应用蒸馏、去离子化、反渗透技术或其它适当的超临界精细技术生产出来的水，这种水中除了水分子(H20)外，几乎没有什么杂质，更没有细菌、病毒、含氯二恶英等有机物，当然也没有人体所需的矿物质微量元素，超纯水
18、无硬度，口感较甜，又常称为软水，可直接饮用，也可煮沸饮用。超纯水中电解质几乎全部去除，水中不溶解的胶体物质、微生物、微粒、有机物、溶解气体降至很低程度。25时，电阻率为 10M-cm 以上，通常接近 18M-cm，必须经膜过滤与混合床等终端精处理。重要的性能指标有电导率或电阻率、PH 值、钠、重金属、二氧化硅、溶解有机物、微粒子以及微生物等 4。2.2 超纯水功能在高科技产业上，超纯水用于制程阶段的湿制程(Wet Process)上，由于在湿制程处理过程所使用水质关系到产品品质，利用超纯水去除杂质及防止在芯片或玻璃上形成氧化膜，故水质不良，非但不能去除不必要杂质，且会造成产品污染而影响品质。总的来说，超纯水在高科技产业的功能如下：去除沉积物；防止金属离子污染；防止有机物污染；防止氧化物污染；增加产品表面整齐；增加产品表面平滑；去除产品表面微尘粒子及附着物。2.3 超纯水制造流程超纯水处理系统工艺流程分为四部分，前处理(Pretreatment)、制备(Make Up)、抛光(Polish)及回收系统(Reclaim System) 5，分别如图 2-1，2-2，2-3 和 2-4所示。现分别介绍如下：(1)前处理：从原水池(Raw Water Pit)到逆渗透膜(Reverse Osmosis
