扩散炉智能控制系统的设计和应用

扩散炉智能控制系统的设计和应用刘艳,张天开,于春风,罗贤东(青岛理工大学计算机工程学院,山东省青岛266033) 摘要:针对传统的扩散炉控制系统的温度控制精度、生产工艺控制能力等较低的现状,提出了一种以PL C 为核心的扩散炉智能控制系统。

该系统将模糊控制算法引入传统的扩散炉控制系统,利用模糊控制规则自适应地在线对量化因子进行修改。

应用结果表明:该系统有效地实现了对多工位扩散炉温度工艺曲线和辅助工艺的自动控制,提高了温度控制精度以及工作效率。

关键词:PL C ;温度控制;模糊控制;扩散炉中图分类号:TP273 文献标识码:ADesign and Application of Fritting Furnace ′s Intelligence Control SystemL IU Yan ,ZHAN G Tian Οkai ,YU Chun Οfeng ,L UO Xian Οdong(Com puter Engineering I nstitute ,Qing dao Pol y technic Universit y ,Qing dao 266033,S handong Province ,China )Abstract :According to the lower present condition that the temperature control accuracy and the craft con 2trol ability of the traditional f ritting f urnace ,a f ritting f urnace ′s intelligence temperature control system which used PL C as its center was presented.The control system introduced a f uzzy algorithm ,it used f uzzy control rules to adapt itself to variable parameters automatically.The practical operation shows that the system can re 2alize the temperature control of multi Οworkplats f ritting f urnaces and also the control of the f ritting f urnace ′s supplementary f unctions ,this system by this method has excellent quality and efficiency.K ey w ords :PL C ;temperature control ;fuzzy control ;f ritting f urnace 作者简介:刘艳(1981-),女,研究生,Email :liuxingyugrace @ 在半导体器材生产企业中,扩散炉是一种关键的大型专用设备,需要操作人员根据工艺要求手动调节仪表的参数来实现对炉体温度的控制,因而其温度控制精度、生产工艺控制能力等较低,从而导致了产品质量差、生产效率低的缺陷。

本文介绍的扩散炉智能控制系统(简称:控制系统)是以PL C 为核心,实现了对扩散炉温度和工艺过程的检测与控制。

系统操作简单、可靠性好,大大提高了温度控制精度及工艺过程自动化水平,具有很好的经济效益。

1　系统的工艺要求及功能要求1.1　系统的工艺要求本控制系统的控制对象为多工位扩散炉,它是由多个扩散炉炉体和一个加热炉体组成。

工作时,将加热炉体套在某个扩散炉炉体外部,使用电加热来实现扩散炉工艺需要的温度控制。

由于各个扩散炉每次装载的材料数量不同,各个扩散炉结构的差异等原因,在对扩散炉的工艺温度进行控制时,需要配置不同的控制参数。

另外,在某个扩散炉完成扩散工艺操作以后,加热炉体要自动转至其他工位进行其工艺操作过程。

该智能控制系统的工艺要求是:1)对一套扩散炉中的多个工位的温度测点分别进行检测、显示、控制;2)温度控制精度。

在全量程范围内,检测分辨率≤±0.2℃,控制精度≤±1℃;3)储存多条温度工艺曲线。

可由1～20段直线组成,每段直线可设定时间:1～9999min ;4)具有断电参数保护功能;5)具有较强的抗干扰能力并可适应任何工业现场的工作要求;6)控制方式为自适应控制方式;7)工作方式为自动、手动。

1.2　系统的功能要求扩散炉有上、中、下3区炉丝加热和压力控制加压,3区温度分别由相应位置上的热电偶测出,压力由压力传感器测量,该控制系统主要功能就是实现对温度的控制,并使其按照设定工艺曲线自动运行。

同时提供友好的人机界面,实时显示温度、压力值和报警信息,方便工艺设定、系统调93EL ECTRIC DRIV E 2008　Vol.38　No.1电气传动　2008年　第38卷　第1期试等操作。

控制系统的具体功能要求如下。

1)实现对多工位扩散炉温度工艺曲线的控制。

可对每个工位的3个温度检测点分别进行温度检测、显示、控制;并可分别自动校正3个检测控制点的控制参数。

2)实现对多工位扩散炉炉膛压力的检测与控制。

按照工艺要求,每个扩散炉都配有抽真空泵和可控的氮气阀门,在扩散过程中反复不断地将炉内的空气抽出并充以氮气,以此产生炉内的真空环境。

控制系统要实时检测扩散炉炉膛内氮气压力,确保炉膛压力不超过设定的上限值,保证生产安全进行。

3)实现多工位扩散炉工艺生产过程的自动化。

以触摸屏作为人机界面,提供简单的操作方式设置、状态及运行、报警显示,以及完善的保护和锁定功能以防止误操作。

4)提供手动/自动两种运行方式。

系统处在“手动运行”时,炉体的运行,炉内抽真空、充气等操作是由操作员手动实现的。

这种方式便于维修人员调试、维修设备时操作使用。

2　系统硬件电路设计扩散炉智能控制系统硬件总体电路图见图1。

图1　控制系统硬件电路总体结构图Fig.1　Hardware circuit overall structure of t he control system根据实际输入输出点数的需要,我们选择FX2N48M T PLC 作为控制系统的核心,来实现对多工位扩散炉的工艺过程以及温度的实时控制。

2.1　温度采集模块及通讯扩散炉对温度控制要求高,因而对温度检测要求也高。

S 型热电偶在热电偶系列中具有准确度高,稳定性好,测温温区宽,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好的优点,适用于氧化和惰性气氛中。

因此,我们选用S 型铂铑铂热电偶作为温度测量传感器,其测温范围为0～1600℃。

因PL C 中模拟量输入采集模块价格较高而且在系统中用得也比较多,为了降低硬件成本,在系统集成过程中,采用A I 704M 巡检显示仪来检测扩散炉智能控制系统中各个工位及加热炉体温度数据。

每块巡检显示仪A I 704M 可测量4路温度数据,它的测量精度为±0.1℃,能在强干扰的环境下可靠工作。

以3工位扩散炉为例,其硬件电路图见图2。

图2　温度采集模块电路图Fig.2　The circuit of temperature acquisition model A I 系列仪表使用异步串行通讯接口,接口电平符合RS485标准中的规定。

通讯传输数据的波特率可调为4800～19200bit/s 。

A I 仪表标准的通讯指令只有两条,一条为读指令,一条为写指令,标准读和写指令分别如下: 读:地址代号+52H (82)+要读的参数代号+0+0+校验码写:地址代号+43H (67)+要写的参数代号+写入数低字节+写入数高字节+校验码以2路温度数据输入为例,由PL C 向A I 仪表发读命令。

2路数据的地址代号分别为0081H ,0082H ;要读的参数代号为00H ;校验码分别为0×256+82+1=83,0×256+82+2=84;转化为16进制数即为53H ,54H ;读命令为:第1路:0081H 0081H 0052H 0000H 0000H0000H 0053H 0000H第2路:0082H 0082H 0052H 0000H 0000H0000H 0054H 0000H4电气传动　2008年　第38卷　第1期刘艳,等:扩散炉智能控制系统的设计和应用A I 仪表收到读命令后向PL C 返回10byte的数据,PL C 读取前2个字节的数据即可得到该路温度的测量值PV 。

2.2　模拟量输入、输出模块控制系统中模拟量的输入采用FX2N 4AD 模块,由压力传感器测出罐体压力值,以电压形式传入AD 模块,其电路图如图3所示。

图3　模拟量输入电路图Fig.3　The analog input circuit 模拟量的输出采用FX2N 4DA 模块,其电路图如图4所示。

FX2N 4DA 模块将控制信号以电压形式分别传给炉口、炉中、炉尾的晶闸管移相触发电路,控制晶闸管导通或是截止,从而实现对加热炉温度的控制;并输出电流信号控制变频器以控制电机运动,从而实现加热炉炉体的前、后、左、右运动。

图4　模拟量输出电路图Fig.4　The analog output circuit2.3　开关量输入、输出模块开关量的输入输出控制仅有接通和断开2种状态,主要用于检测各类开关所发出的开关量信号,输出控制真空泵、风扇等开关量动作。

此处仅介绍扩散炉智能控制系统中加热炉炉门的开、关运行状况。

扩散炉智能控制系统中的加热炉炉门的开、关由PLC 主控单元直接输出控制,PLC 的输出端子Y 26,Y 27分别接控制炉体开门、关门的继电器KA11,KA12。

图5为开关量输出模块电路图。

图5　开关量输出电路图Fig.5　The switch output circuit 手动状态下,加热炉炉门的开、关状态分别由触摸屏上的按键来控制。

当按下“炉门开”按键时,PL C 的输出端Y26为ON ,继电器KA11吸合,加热炉炉门打开,当炉门开至开门限位X2为ON 时开门动作停止;当炉体加热完毕退出罐体时需要关闭炉门以保持炉体温度,按下“炉门关”按键时,PL C 的输出端Y27为ON ,继电器KA12吸合,加热炉炉门关闭,当炉门关至关门限位X3为ON 时关门动作停止。

自动状态下,当炉体运行至扩散炉A ,B ,C 限位需要对罐体进行加热时,炉门自动打开,至开门限位X2为ON 时动作停止;加热完毕退出至退炉限位时,炉门自动关闭,至关门限位X3为ON 时动作停止。

3　系统软件设计针对控制系统的硬件方案设计,本文采用GX Developer 编程软件编制PL C 程序。