在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為高科技領(lǐng) 域的核心產(chǎn)業(yè)之一，對于生產(chǎn)設(shè)備的性能和精度要求達到了 極致。安徽萬瑞冷電科技有限公司，是一家專注于低溫制冷 與真空產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的科技企業(yè)，在其氦壓縮機設(shè)備中采用 了億維PLC+HMI控制系統(tǒng)，為半導(dǎo)體制造工藝中的真空環(huán)節(jié) 提供了精準(zhǔn)的控制解決方案。

　　1 行業(yè)背景

　　在集成電路制造這一高度精密的領(lǐng)域，工藝流程不容絲 毫偏差。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氮氣、氫氣等玷污氣體，要求高 真空環(huán)境來保障晶圓的純凈度。低溫泵，作為這一關(guān)鍵環(huán)節(jié) 的核心設(shè)備，通過低溫冷凝和吸附技術(shù)，有效地捕獲并清除 工藝氣體，為芯片制造提供了理想的真空條件。

　　其中，氦壓縮機，作為低溫泵的“動力心臟”，其任務(wù) 是為制冷機提供高壓純凈的氦氣制冷工質(zhì)，氦壓縮機性能的 優(yōu)劣直接決定了低溫泵乃至整個半導(dǎo)體制造工藝的穩(wěn)定性與 效率。

　　2 行業(yè)“痛點”

　　在氦壓縮機的實際開發(fā)過程中，目前普遍存在著以下應(yīng) 用“痛點”難題：

　　(1)自動化控制程度低

　　氦壓縮機傳統(tǒng)控制方式自動化程度低，難以實現(xiàn)高效操 作與精準(zhǔn)監(jiān)控，影響設(shè)備運行效率與管理便捷性。

　　(2)通信整合困難

　　其內(nèi)部各部件如觸摸屏、變頻器、用戶機臺等通信標(biāo)準(zhǔn)不一，缺乏統(tǒng)一的通信整合方案，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不暢、協(xié)同 工作效率低下。

　　(3)壓差精準(zhǔn)控制難題

　　在不同負荷工況下，氦壓縮機難以確保供氣的高低壓差 穩(wěn)定，缺乏有效的控制策略來應(yīng)對復(fù)雜的工況變化，影響制 冷工質(zhì)供應(yīng)穩(wěn)定性。

　　(4)多信號處理復(fù)雜

　　既要處理氦氣供氣壓力、回氣壓力、冷卻水流量等模擬 量，又要應(yīng)對溫度開關(guān)、急停按鈕、變頻器故障等大量開關(guān) 量，處理難度大且易出錯。

　　3 億維自動化方案

　　為了滿足氦壓縮機復(fù)雜而嚴苛的控制需求，萬瑞冷電采 用億維自動化UN120系列 CPU 124XPE作為核心控制單元， 同時搭配UH 404E觸摸屏，實現(xiàn)了對壓縮機的全方位管控， 包括啟停、壓差調(diào)節(jié)、參數(shù)監(jiān)測、報警與遠程通信等等 (圖1)。

　　億維自動化UN系列PLC是億維自動化自主研發(fā)、面向自 動化機械設(shè)備企業(yè)的高性能PLC，依托于穩(wěn)定可靠的品質(zhì)， 縝密的成本控制，是解決設(shè)備自動化的理想選擇，可滿足各 種控制功能要求，具有卓越的性能，豐富的指令集，良好的 擴展性，極高的性價比和優(yōu)秀的指令兼用能力，可滿足客戶 不同需求定制的專用控制器。

　　億維自動化UH系列HMI觸摸屏讓操作變得簡單直觀、高 效交互，保障從指令到生產(chǎn)的精確協(xié)同，豐富的接口和組網(wǎng) 功能，定制化界面與數(shù)據(jù)可視化的增強，讓生產(chǎn)流程得以全面“掌”控。

　　(1)方案特點

　　采用億維自動化UN120系列CPU 124XPE作為核心控制 單元的氦壓縮機控制方案，具有如下特點：

　　· 實現(xiàn)啟停及運行檢測

　　電氣控制系統(tǒng)借助億維 PLC，實現(xiàn)了對壓縮機的精準(zhǔn)啟 ?？刂?，同時對壓縮機泵、濾油器、吸附器、熱交換器等核 心部件的運行參數(shù)進行實時監(jiān)測，確保設(shè)備運行狀態(tài)一目了 然(如圖2所示);

　　· 確保壓差精準(zhǔn)調(diào)控

　　通過創(chuàng)新的變頻器與電子膨脹閥雙閉環(huán) PID 算法，億維 PLC 能夠?qū)┗貧鈮翰钸M行高精度控制(如圖3所示)。在 面對負荷變化時，系統(tǒng)自動切換內(nèi)環(huán)(電子膨脹閥開度)與外 環(huán)(變頻器頻率)的 PID 調(diào)節(jié)策略，確保供氣壓差始終穩(wěn)定在 ±0.03MPa的超高精度范圍內(nèi)，有效保障了制冷機的制冷量 穩(wěn)定輸出，進而為低溫泵的高效抽氣提供了堅實保障;

　　· 具備豐富的1/0接口與通信能力

　　PLC 具備強大的模擬量與開關(guān)量處理能力，能夠精準(zhǔn)采 集氦氣供氣壓力、回氣壓力與冷卻水流量等模擬量數(shù)據(jù)，并 通過兩個模擬量電壓輸出對變頻器頻率與電子膨脹閥開度進 行精確控制。

　　同時，DI點對溫度開關(guān)、急停按鈕、變頻器故障等開關(guān) 量輸入進行快速檢測，D0 點則負責(zé)控制變頻器運行、狀態(tài) 指示燈、油路電磁閥等關(guān)鍵設(shè)備。此外，PLC 還具備與觸摸 屏、變頻器以及用戶機臺的無縫通信能力，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實 時共享與遠程監(jiān)控，極大地提升了設(shè)備的智能化管理水平。

　　(2)技術(shù)創(chuàng)新

　　· 安徽萬瑞冷電基于億維產(chǎn)品的這一應(yīng)用方案，成功申 請了《低溫泵的控制裝置及控制方法》的發(fā)明專利。該專利 主要實現(xiàn)了氦壓縮機運行壓差 ±0.03MPa的高精度控制，以 及變頻器1Hz分辨率的PID算法調(diào)整。在給定控制壓差下， 使氦壓縮機始終運行在最佳工況，達到對低溫泵最優(yōu)的匹 配效果;

　　· 采用億維控制方案的氦壓縮機在實際運行中展現(xiàn)出了 卓越的性能穩(wěn)定性與節(jié)能效果。在保證低溫泵高效抽氣的同 時，降低了設(shè)備的能耗與維護成本，提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品 良率。

圖 1 億維自動化 UN120 系列 CPU 124XPE 和 UH 404E 觸摸屏

圖 2 氦壓縮機控制系統(tǒng)框圖

圖 3 氨壓縮機壓差雙閉環(huán) PID 控制策略框圖