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1、材料工程材料工程计算机技术应用计算机技术应用材料物理与化学系第四章、材料制备计算机控制应用实例第四章、材料制备计算机控制应用实例第四章、材料制备计算机控制应用实例第四章、材料制备计算机控制应用实例4.1单片机电阻炉温度控制系统单片机电阻炉温度控制系统.4.2半导体气相沉积外延生长控制系统半导体气相沉积外延生长控制系统 .4.3浮法玻璃生产线集散控制系统浮法玻璃生产线集散控制系统.4.1单片机电阻炉温度控制系统单片机电阻炉温度控制系统4.1.1系统构成系统构成. 4.1.2控制策略控制策略. 4.1.3程序设计程序设计. 4.1.1系统构成系统构成 控制系统由单片机、外围电路、双向可控硅和电阻炉
2、四部分组成。 单片机数字显示器设置按键信号放大A/D转换器交流电源热电偶信号触发电路同步电路 电阻炉双向可控硅加热元件存储器单片机采用MCS51系列Intel8031 ；存储器包括8K字节的只读存储器和8K字节的随机存储器。只读存储器中存放控制程序、数据表格等，随机存储器存放采样数据和中间计算过程；数字显示器由八位七段LED显示器和锁存器组成，可以同时显示四位炉温值和四位设定温度值；配置了几个专用设置按键，用以设定温度值和升降温时间段 ；电阻炉加热元件采用硅碳棒，炉温检测使用铂-铑铂热电偶，温度检测控制范围01200。 热电偶输出信号经过一个放大电路，使检测信号与模拟数字转换电路输入信号相匹配
3、（一般是05V）；模拟数字转换电路使用多路 12位转换电路，在01200测温范围内分辨率约为0.3；同时对环境温度采样，解决热电偶冷端温度补偿；温度控制通过触发双向可控硅导通周期数调整供给电阻炉加热元件供电的单相交流电源功率。 4.1.2控制策略控制策略 可控硅控制方式 采用检测交流电源的过零信号，同步触发可控硅。通过调整一定时间内可控硅的导通周期个数，改变加热元件的功率，达到控制温度的目的。以八位二进制数所能表示的最大数255作为可控硅控制周期所能导通的最大半周期数，控制周期时间为2550ms，可控硅最小导同时间是10ms.tttt(a)(b)(c)(d)uuL控制算法 依据温度控制过程不同
4、的变化阶段，采用不同的算法。保温阶段且差值较小时使用PID算法；升、降温和有中等差值时采用PD算法；差值较大时直接采用双位控制。常规离散PID算式为：若令： KI= KP（TS / TI ）为积分系数；KD= KP（TDTS）为微分系数，则上式可写为： 根据递推原理，可写出n一l次的PID输出表达式： 用Pn-Pn-1表示第n次输出量的增量算式为： 则第n次输出量： 加热控制的分段算式为：4.1.3程序设计程序设计 控制程序使用51系列单片机汇编语言编制。为便于修改，使程序易读，程序使用模块化结构。按照功能分为参数输入、控制进程识别、数据采样、数据显示、PID计算、输出和报警等七个模块。 主程
5、序系统初始化有键输入？参数输入模块块控制起动？执行数据采样模块功能执行PID计算模块功能执行数据显示模块功能采样时间到？进程识别模块块控制进程完成？NNN参数输入模块：判断、识别按键状态。输入温度变化过程控制参数和发出启停命令。控制进程识别模块：按照设定的温度控制参数，执行温度设定值控制和维相应持时间，保持升降温度递变梯度。数据采样模块：每5.1秒（含完整的2个控制执行周期）启动模数转换器对温度进行采样，同时对环境温度也采样一次，进行热电偶冷端补偿。数据显示模块：系统把01200范围内的电势温度特性曲线分成基本成线性的75段，把每 隔16一点的热电势对应A/D转换值以表格形式存入只读存储器中。
6、该数值经过查表和线性插值运算可得到相应的炉温值，再经过二-十进制变换和显示字形变换，显示出正确的温度值。PID计算模块：根据采样变换得到的温度值与设定值的差值和当前的工作模式（升温、降温、保温）进入不同的计算公式进行计算，得到控制输出值（控制周期可控硅导通半周期数）。输出控制模块：以交流电源过零信号为中断触发信号，按照输出值在控制周期内发出相应次数的触发可控硅导通信号。报警模块：判断温度值是否超出上下限，超限则对超限次数计数，超过一定次数发出超限报警。过零信号中断服务触发计数器=0？触发可控硅导通触发计数器减一周期计数器减一周期计数器=0？触发计数器=Pn中断返回进程计时器加一NY4.2半导体
7、气相沉积外延生长控制系统半导体气相沉积外延生长控制系统4.2.1 GaN基发光二极管及工艺基发光二极管及工艺. 4.2.2MOCVD反应室结构反应室结构. 4.2.3控制系统的功能和构成控制系统的功能和构成. 4.2.1 GaN基发光二极管及工艺基发光二极管及工艺 GaN基高亮度发光二极管（LED） GaN基蓝光LED产品的出现从根本上解决了发光二极管三基色缺色的问题，是全彩显示不可缺少的关键器件。蓝光LED具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、防爆、节能、使用寿命长（使用寿命可达10万小时以上）等特点。同时又是白光LED的基础，成为光电子新兴产业中极具影响的产品。 GaN基LED工艺流
8、程 封装封装光刻光刻淀积淀积分割分割外延外延 GaN基LED外延工艺 采用MOCVD工艺在蓝宝石基片上生长N型GaN和P型GaN层以及多量子阱。n电极 P电极 MOCVD设备 国际上主要有美国和德国两家MOCVD设备生产商，本课以美国EMCORE公司生产的D180型MOCVD设备为例 。4.2.2MOCVD反应室结构反应室结构反应室结构10反应原理 MOVCD是一种以热分解反应为基础的气相外延法，其前驱物为有机化合物。4.2.3控制系统的功能和构成控制系统的功能和构成整体结构 采用两级计算机的分级式控制系统，主控计算机管理人机界面、输入参数和显示系统工作状态，根据工作参数协调指挥下层各控制部分
9、的工作。 主控制计算机MOVCD反应室配气控制加热控制检测系统装载控制排气控制基片装载室控制功能下层控制由五个部分组成：配气控制配气控制通过对气路阀门的开关和流量计的反馈控制，按照主机指令选取气源的种类进行混合或单独按设定的流量向反应室供气。装载控制装载控制 控制机械手完成基片装载过程。排气控制排气控制 控制真空泵完成：排出反应室和装载室原有气体，建立真空进行反应前净化处理；配合反应室的进气量，调节反应室达到合适的压力差；排出反应室下部已参加反应完的废气，避免废气对外延生长可能的污染和影响。 加热控制加热控制 通过外延基片正对的反应室上方的红外温度传感器，不断测量基片表面温度，通过控制调节托盘
10、下部的三个独立加热的环形带状加热元件的加电时间和通电电流实现基片区域均匀的温度控制。温度控制的精度在0.5内。检测系统检测系统 D180系统配置了在线光干涉测厚仪。探测光源采用碘钨灯发出4502000nm波长光源，经过集束光导纤维传送到反应器顶部的会聚透镜。检测光照射到多层结构的外延片表面时形成的光干涉波信号，由光干涉波频率与层间距离的关系，得到外延生长层的厚度和生长速率。检测部分使用了专门的一套计算机和CRT显示器，用于厚度检测的数据处理和图形显示。它可以记录各生长层厚度与时间的关系变化曲线和每一基片外延层的均匀程度。D180型MOVCD设备大量应用在高亮度蓝-绿发光二极管外延芯片的生产线上
11、。以蓝色GaN发光二极管外延片为例，单台设备生长5层总厚度约5微米的GaN介质层，只需4个小时，一周可生产250片2吋外延片，提供约350万个蓝色发光二极管管芯。rMOCVD 设备更广泛的应用Red, Orange, Yellow, Blue, Green, UV, WhiteHBTs, pHEMTs, FETs (Electronic Devices)CD/DVD, Fiber Optics, Laser DiodesConvert Light into Power on SatellitesWafers that can be fabricated into diverse semicon
12、ductor devicesLEDsTransistorsLasersSolar Cells4.3浮法玻璃生产线集散控制系统浮法玻璃生产线集散控制系统4.3.1浮法玻璃生产过程简介浮法玻璃生产过程简介 .4.3.2DCS控制系统结构控制系统结构 . 4.3.3工艺过程的实现工艺过程的实现 . 4.3.4控制系统性能特点控制系统性能特点.4.3.1浮法玻璃生产过程简介浮法玻璃生产过程简介浮法玻璃生产工艺：原料熔化 摊平成形 退火消应玻璃液玻璃板锡液加入原料熔 窑 锡 槽 退火窑 冷端（裁切、装箱）传动辊裁切装箱浮法平板玻璃生产窑炉结构示意玻璃的成形过程生产平板玻璃的原料（主要是石英砂、纯碱、长石
13、和石灰石）通过加料系统输送到熔窑部分，在熔窑内进行高温加热到约1550熔化。 熔化的玻璃液通过流槽，连续地流入锡槽。根据玻璃液和浮托介质的比重不同，玻璃液漂浮在具有光洁表面的浮托介质上，在重力和表面张力的共同作用下，完成推平、展薄，逐渐降温形成一定厚度的玻璃平板。待硬化后，经过退火窑传动辊的输送，使玻璃带沿着具有一定温度梯度分布（由电加热元件控制）的退火窑中移动，逐渐降温，消除应力。最后经纵、横切割、掰段，去边后装箱入库。 4.3.2DCS控制系统结构控制系统结构浮法玻璃生产线从原料到玻璃成品是一个完全连续的工艺过程，中间经过三个热工设备和一个冷加工工段，每个环节都必须衔接协调，各种参数都要严
14、格控制在一定范围内，任何大的偏差都会影响到成品玻璃的质量。对于保证这样一个复杂的大型工业生产过程可靠运行，一般的单一计算机控制系统和多级计算机控制系统都难以胜任。目前内国内大多数浮法玻璃生产线都是采用比较成熟的计算机集散控制系统（DCS）。 本课是DCS在一个中型浮法玻璃生产线的应用实例，它采用了美国Honeywell公司TDC一3000型DCS控制系统，系统结构如下图： 网间接口模件网间接口模件万 能操 作站万 能工 作站1万 能工 作站2万 能工 作站3应 用模 件历 史模 件AB局域控制网LCN高级过程管理器1高级过程管理器2AB通用控制网UCN逻 辑 管理站数字化变送器1数字化变送器n
15、熔窑工段退火工段冷端工段锡槽工段该系统根据现场操作的需要配置了三台工作站和一台操作站，用以修改和显示生产线各种控制参数，发出控制命令。历史模件记录生产过程中每个参数的变化及操作情况，作为生产档案资料保存起来，便于过后检查分析生产工艺。应用模件主要包含系统支持的各种软件包。上层设备通过局域控制网LCN相互连接。下层的控制模块和管理站使用通用控制网UCN连接,这两个网络都是传输率为5Mb/s的高速通讯网络，他们之间通过网间接口模件连接。各主要工段采用高级过程管理站控制。 冷端工段以顺序控制为主，使用面向开关量控制的逻辑管理器。 关键工艺的状态检测使用数字化传感器。 4.3.3工艺过程的实现工艺过程
16、的实现（1）熔窑工段熔窑以重油为燃料，日熔化量330t/d，设有5对小炉，采用半连通式蓄热室，分支烟道送风，废气总烟道排气。采用熔窑多点温度检测，助燃风流量与重油流量比率及熔窑压力控制，以达到合适的温度和好的燃烧效率； 为保证炉温均匀，燃油采用双向交叉对喷，火焰定时换向的自动控制与相关控制，实现换向过程各种工艺参数的相关闭锁；重油经过二级加热，油温与粘度、雾化介质流量与油枪流量的比例进行控制，达到最佳燃油雾化，稳定燃烧；采用核辐射液位仪对玻璃液位检测进行反馈控制，误差控制在0.5mm；熔窑出口玻璃液温度，通过冷却部温度与稀释风流量串级控制，使玻璃液温度稳定在一定范围（1100 ）。 （2）锡槽
17、工段锡槽设32个电加热器，采用铁铬铪电阻作电热元件； 通过对电加热器的供电功率调节，控制锡液温度，使玻璃液成一定温度梯度变化；控制拉边机速度和方向，达到控制玻璃的成型厚度；对保护气体（氮气、氢气）的流量、压力、N2/H2比例进行控制；对槽内、罩内、锡液、槽底钢板等温度进行监测和超限报警，避免可能发生的烧穿、漏锡事故。（3）退火工段退火窑分为八个温度区，使玻璃在不同的温度区间逐渐冷却、消除应力。通过红外温度测量仪测量的玻璃板温度进行闭环控制；退火窑主传动速度闭环控制；退火窑内压力与循环风量的自动控制。（4）冷端工段 冷端玻璃传送辊道设计为一条主传动线经转向变为二条斜玻璃分切片线， DCS系统的逻
18、辑管理站LM负责对冷端各种输入/输入开关量、模拟量进行控制。 整个传送线分十三个传动站，分段控制传动辊速度，使运转速度由里向外逐渐递增；监测辊道玻璃状态，出现玻璃在辊道运行不畅积压时，自动放慢辊道速度；纵、横切割、掰断控制；一、二掰边机及辊道速度控制；玻璃传输转向系统及二条分片线协调辊道速度的控制；玻璃终端辊道的人工手动起、停控制；成品玻璃自动装箱打包。 可靠性 浮法玻璃生产线的硬件系统从电源、工作站、管理器到控制阀门都采用双备份。整个系统网络的通讯电缆也采用冗余配置，每种通讯电缆都是A、B两套电缆。 系统软件也采用容错技术、自诊断技术。系统软件定时自动检测各节点的通讯状况以及工作情况，出现故
19、障自动进行切换处理并及时报警指示故障发生位置，便于及时维修处理。上述措施保证了系统的长期、稳定运行，即使出现故障，生产线仍然能正常运行，并留有时间进行故障处理，大大提高了系统的可靠性。 4.3.4控制系统性能特点控制系统性能特点 安全性系统的安全性为多级授权设置，共分三级，操作员级、工段长级、工程师级，根据授权级别控制工艺参数的操作、修改范围；关键工艺过程如换向系统均采用错误操作判定和功能锁定等措施，避免因误操作而引起的不良后果。系统各节点以及现场控制执行情况均有专门的画面监控，一旦系统某一节点出现故障，系统画面均有指示并发生报警。系统的历史模件自动记录操作步骤，以及参数修改情况，便于维护人员对其操作的正确性和故障原因进行分析、判断。 使用性能 DCS系统在浮法玻璃生产线的应用大大提高了整个生产线的劳动生产率，生产线每班不到10个工人。同时降低了工人劳动强度，稳定了工艺指标，达到了节能降耗的目的。产品的质量和合格率都达到较高水平，经济效益非常突出。 拉边装置示意图
