激光制备纳米级氮化硅粉末工程的综合控制

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1、l 甲日理.公双论文级， 9 1 7 - 9 2 0 1 9 9 . 年， 月1 6 - 2 2日， 浙江宁波 激光制备纳米级氮化硅粉末工程* 的综合控制 陈荣保张崇巍张晓江董学平 ( 合肥工业大学工业自 动化 研究所 2 3 0 0 0 9 ) 引言 在大功 率激光束的持续激发下， 硅烷 ( S iH 4 ) 与t ( N H 3 ) 可 在无 氧的环境中 合成纳 米级氮 化硅粉末，这 种物质是面向未来的新型材料，可称为二十一世纪材 料的 “ 味精”. 在剧烈 的 合成过程中控制整个装置上各主要设备( 阀门等) 的 启闭、 控制原料的 配比及合成室的 压 力、 温度、流盆等参数， 对获得高品

2、质的产品一氮化硅极为重要;在连续生产过程中，整 个装置上的所 有设备运行状态、 各保护介 质( 如水、 气 ) 的供给状 态、 关键管道的 保护监视等 对 氮化硅的合成乃至收集包装是不可缺少的.为此， 为使中试工程得以成功运行， 在这项 工程中 采用集散 控制手段， 并与可编程控制器P L C和智能控制仪 表联网、以仪 表系 统为 热 备、 全套手动 操作 系统支持，配合有一套电视监视系统.由 此构成的S N 1 0 1 工程 集散 控制 系 统不仅控制了具有非线性、随机性、 不确定性和时变性的对象，同时保障了 工程的 安全 性和可靠性. 在本系统的支持控制 下， 激光 法制备 纳米级氮化硅粉

3、末中试工程已 于1 9 4 6 年 1 1 月顺利实现了工程模拟生产过程实验点 火，国 家舆论机构称之为中国纳米材料的夹破. 作为中试工程， 在小型实 验室已 成功的实验经验及 理论 依据引导下， 携高科技手 段于 一体， 居新型材料科学研 究的 前沿， 其控制系统所起的作用 至关重要， 而控制方案的确定 则是整个中试工程能否得以成 功的核心. 中 试工 程的生 产过程流程 如图1 所示.图中真空机组首 图1中试工程生产 过程流程框图 先需对装置抽真空，既排斥氧气又可 检漏; 保护 气体和冷却水路均属于保护设施;当两 种工作气体 达到给定配比 进人合成室后， 调制激光器输出功率，激 光进人已受

4、监控 饱 括 S N 1 0 1 工程:激 光法制备纳米级氮化硅粉末中试工程， 国家产 学研工程，K 9 2 - 4 4 - S N 1 0 1 压 力 、 谧 度 等 ) 的 合 成 室 制 备 氮 化 硅 粉 末， 以 差 压 法 输 送 到 收 集 仓， 最 终 存 储 包 装. 为确 保系统的安全、准确、高质量运行，控制系统采用了 多重实现手段. 二、 气源供给及配比 控制 氮化硅的生产在所有硬件、 设备一切就绪后，第一 关就是工作原料气X( S iH 4 , N H 3 ) 的 供给及配比 和多路保护气体( N 2 ) 的精确供给。根据理论数据及小型实验室己成功的实 验经 验数据，胶

5、 终氮化硅的品 质与 两个工作原料气源的配比供给 和在合成室中的保护气体的含 f 有 关 .为 保 证 所 有 气 体 供 给的 准 确 性， 首 先 对 每 一 个 工作 气源 进 行 精 确 洪 给， 即 工 作 气 源给定后的闭环供气控制.对每一个工作气源均采用高精度气体质量流量计检测气体流 1 1 通过 P - I - D调节构成单回 路闭 环系 统，保证工作气源在氮化硅连续生 产过程中能比 较 迅速地跟踪给定、 较快地响应输出，供给精确的工作气源;同时为氮化硅连续生产提 供精 确的里 化数据. 为 了 能 使 供 气 始 W 口 一 地 保 证 精 确 量 ， 在 中 央 控 广 一

6、 吐 制室以及供气现场均配备有数显监测装置，同时 供气 参数进人计算机，为计算机进行两 个工作原料气源的 配比 控制及 保护气的含t计算提供可信的数据. 计算 机根据所 有气体的流量、合成室的压力、 温度和相关 参数确定其配比， 对两个工作原料气源设里给定值. 获取某设备状态信息 是否正常? 相应指示灯显示 信息 送计算机 三、 P 比启停控制 发下一设备动作命令 R 4 1 0 1 中试工程是一个包括了 材料制作、 化工过 程、 精密机械装置、 计算机管理与控制以 及激光 技术 等多种学 科和高 新技术的工程，且所涉及的原料易燃 易 爆易软 化易污染，其生声过程的启动过程和退出 过 程 极为

7、严 i 鉴 ， 各种 设备的状 态信息均能决定系统的连 续运行或 退出;同时这 些状 态的优劣好坏还决定生产 的 退出将以 某种流程 进行 若是某状态信息无效或某 一个设备 故降均进人相应的保护流程.为 保证整个系 统的可年 启动和运行， 采用P L C 来完成系统的所有流 程操作， 若关键设备， 报带退出 若一 般设备， 报普延时 故障无法克服，退出 址常 图2 P L C 运行流程图 系统在启动时， 按照流程要求，P L C所涉 及的状态输人量达 1 1 2 个， 其中 包括有 计算 机提供的综合信息， 如九路 气M,流量实际参数的 正常度、 激光机输出功率正常度、 相应的 模拟参敌正常度

8、等;同时P L C作出相应控制的状态输出 量达%个.每一步的运行情况与 显示屏上的状态指示灯对 应，遇到关键设备的 无效信号或因 为无法解决的 设备故障信号， P L C 则按相应故障 处理流 程退出.典型的P L C 工作流程如图2 所示. 四、 计算机管理与 控制 - 9 1 8 - 计算机管理及控制在整个系统中 的构成是一个典型的集散系 统D C S. 控制级计算机在 控制系统中， 又称为下位机， 其主要任务就是参数采集、 鳞选( 数据处理 、 控制. 它的任务 之一是对2 0 多个模拟量进行采样， 然后作一次 预处理， 其结果以数字方式在屏幕上显 示出 来;第二个任务是对整个装置最关键

9、的参数一一 合成室压力进行控制运行，由于合成室在 预抽真空后首先由 输人保护气， 然后输人经过严格配比 的混合原料气体，因此在激光作用 下，合成室的压力具有非线性、随机性、 不确定性和时变性的特点;为此仅计算机控制就 采用了多种方案( 略) . 第三个任务是将系 统实际运行 时的 控制方案通过网络与 智能调节仪表 达成一致;一旦计算机控制退出由仪 表来支 持系统时，对合成室的压力控制保证无扰动. 第四 个任务是将所有模拟量是否正常通过网络告知P L C， 使 P L C 在系 统启动过程及运行过 程中决定是否继续或退出， 第五个任务是将本位机所知的信息通过网络告知管理级计算 机.因此下位机的任

10、务较重. 以常规方式和现场要求，一 般可用 单片 机来构成下位机的测控系 统，也可用 P C机， 两者均能完成上述工作. 考虑 到整个 系统必须可靠运行; 考虑到被控参数是一个非线性的、 随时间作随机变化的不确定的对象，最佳控制方案必须在系统试运行的过程中不断完善， 若用单片机构成下位机系统，程序的编制、修改、完善具有较多不便;更主要的是采用单 片机还需要硬件开发. 考虑到在控制回路中 避免有人为 试制的成分， 尽可能将不可靠性减 至最小程度; 考虑到被控对 象的实时控制 及其显 示要求; 考虑到下位机需要上网通讯， 最 终选用了工业级P C计算机， 兼得有数据打印和存储的功能。 管理级计算机

11、在控制系统中， 又称为 上位机， 它主要实现对整个系统进行监督、 管 理， 通过各智能单元 ( 本位机、 下位机、P L C、智能仪表) 的网络通讯， 使生产处于最佳状态. 本计 算机的主要任务就是信息处理，因此 为配合较多的 处理信息的显示，与上位机匹配的 显示器共用5 个一一多屏显示， 每屏确立一个显示子题 将各信息迅速的、 同步显示出来， 使工作人员极为 简便明了地了解生产过程的 每一 个环节. 管理级计算机还是下位机的指挥长，是整个装置的指挥长，通过网络通讯获取所有信 息， 在五个显示屏上显示出 来， 再通过人一机对 话( 包括各种参数的给定) 获得最新命令并下 达给P L C或下位机

12、，为使管理级计算机与控制级 计算机同样可靠， 机型仍采用工业级P C 计算机，同时配置打印机， 可定时打印和随机打印 五、智能仪表控制及手动操作控制 考虑到计算机控制系统的万一情况，考虑到控制级 计算机新的 控制方案调试， 采用仪 表热备系统就可在计算机脱机后能自动承担计算机的控制任务，并由手动操作控制完成生 产 过程的 每一个步骤，保证系统继续运行.仪表热备系统所采用的仪表与所选用的 传感器 的输出信号相匹配，一旦投人运行，无需其它配置 仪表热备系统中采用一台高性能的智能调节仪表，具有专家系 统和多种控制模式，热 备时 与下位机通过网络密切联系，由 一致的控制方案达到一致的控 制效果。 在由

13、 计算机控 制 状 态切 换 到 仪 表 控 制时 ， 基本 上 做到 了 无 扰 切 换. 在 本 系 统 中 设 计 了 一 套 完 整 的 手 动 操 作 系 统 ， 它 具 有 两 个 功 能 : 一 为 全 中 试 典实 现 自 动控制进行每一步骤的可行调试， 保证自 动控制运行时的绝对有 效;二为 本系统具备手 - 9 1 9 - 动操作功能， 通过控制面板上的十几个数字显示仪表和各个相应状态指示灯，按照严格的 操作步骤， 环环相扣、 步步为序.为完 成上述两种功能以及遵循操作步骤， 面板上设置了 上百个状态指示灯以及包括启闭按钮在内的 上百 个按钮开关. 六、 电视监视控制 考

14、虑到生产现场的安全，考虑到某些 特定设备的动 作，考虑到激光光路与光路硬件的 吻合调校误差以及各个工艺仓中这种超细 粉末的 传输，考虑到工作介质是易污染易爆的 特 性，在整个系统中配置了由1 0 几路C C D构成的 可选台 可录像的 电视监视系统.该系统中 最主要的是通过对在激光作用下合成 燃烧的 火焰形 状进行观察、配合工作气源的配比、温 度乳 压力控制、对调整系统 进人最佳工作点 起到了辅助作用;对关键因素可实时录像，乃 至在紧要情况下 报等并予以 “ 紧急停车 ”。 电视监视系统不仅可弥补部分设备和某些现象的无法电测，同 时也作为中 试工程的另 外一种安全保障. 七、系统构成 将诸多控

15、制手段集于一 体， 构成了 一个有效的、 保障手段较全的S N I 0 1 集散控制系统， 如图 所示.图中各个功能块职责明确，其中的 “ 功能 模块”是根据实际运行中所遇的状 况来 实施， 工作人员通过上位机及P L C 给出 的有效切换信号进行切换。整 个控制系统通过 控制室九个控制柜直观明了 .八个电 视监视器、六个彩色显示器、和上百 个指示灯、 上百 个按钮开 关构成了一个具 有 “ 电 视监视、 自 动控制、 手动操作、 随机打印” 的综合操作台. 电视监视系统 功能切换 图2 S Ni 0 1 集散控制系统构成示意图 整个S NI 0 1 工程的自 动控制涉及到激光及其功率控制、 真空预备及其检漏、 水电气组 合供给、 工作气源的前置型常规控制调节、氮化硅粉末的制备及隔氧包装、 过程参数监测 控制显示传输打印存储等、 通过 “ 自 动控 制、仪 表热备、手动操作，与相应独立的电视监 视系统共同完成了S N I 0 1 工程的最终任务. 傀 .一-一一一一 一-.