坩堝下降法晶體生長(zhǎng)自動(dòng)化控制

韓樹軍

摘 要：隨著工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，自動(dòng)化程度的提高，各行各業(yè)都在向著機(jī)器人時(shí)代發(fā)展，而人工晶體生長(zhǎng)工藝繁瑣、設(shè)備復(fù)雜，想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人替代人工需要一些時(shí)間。經(jīng)過不斷探索與試驗(yàn)，在坩堝下降法晶體生長(zhǎng)過程中初步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。利用組態(tài)監(jiān)控軟件，構(gòu)建出晶體生長(zhǎng)過程的人機(jī)互換界面，通過組態(tài)與簡(jiǎn)單的程序編寫實(shí)現(xiàn)人工晶體生長(zhǎng)的自動(dòng)化控制。本文通過使用MCGS組態(tài)軟件與PMC、溫控儀進(jìn)行通訊、數(shù)據(jù)采集與發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。可提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，為企業(yè)創(chuàng)造更多利潤(rùn)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；晶體生長(zhǎng)

中圖分類號(hào)：TB476 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）07-0175-02

Abstract：With the development of industry and the improvement in automation，all industries are developing towards the age of robots. The artificial crystal growth process is cumbersome and complex， so it will take some time for robot to replace labor. By continuous exploration and test， automatic control can be achieved in the process of crystal growth by vertical Bridgman technique. By using Supervisory Control and Date Acquisition （SCADA）， the man-machine interface is constructed in the process of crystal growth. We can also achieve the automatic control of artificial crystal growth by configuration and programming. This paper using MCGS， PMC， and temperature controller to communication， data collection， sending instructions， we will achieve automatic control. It can increase production efficiency， reduce the labor cost and create more profit for enterprise.

Key Words：automation； crystal growth

1晶體與晶體生長(zhǎng)技術(shù)

晶體（crystal）是有明確衍射圖案的固體，其原子或分子在空間按一定規(guī)律周期重復(fù)地排列。晶體中原子或分子的排列具有三維空間的周期性，隔一定的距離重復(fù)出現(xiàn)，這種周期性規(guī)律是晶體結(jié)構(gòu)中最基本的特征。

人工晶體生長(zhǎng)技術(shù)是人工合成或培育的具有一定結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀和性能的晶體的技術(shù)。它主要是用來(lái)區(qū)別自然界中天然形成的各種礦物晶體的。

圖1、圖2可以看出人工生長(zhǎng)的水晶，由于其原料和工藝以及生長(zhǎng)條件的區(qū)別，其形狀與天然水晶也有一定的區(qū)別。

由于晶體可以從氣相、液相和固相中生長(zhǎng)，而不同的晶體材料又有不同的生長(zhǎng)條件，加上應(yīng)用對(duì)晶體的要求有時(shí)十分苛刻，這樣就造成了晶體生長(zhǎng)方法的多樣性以及生長(zhǎng)設(shè)備和技術(shù)的復(fù)雜性，本文主要針對(duì)熔體生長(zhǎng)方法中坩堝下降法結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際需求，通過自動(dòng)化控制提高工業(yè)生產(chǎn)中晶體毛坯合格率、生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2坩堝下降法

坩堝下降法是由Bridgman于1925年提出的。該方法是將晶體生長(zhǎng)的原料裝在坩堝中，在具有單向溫度梯度的晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)進(jìn)行生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)爐通常采用管式結(jié)構(gòu)，爐體結(jié)構(gòu)由上向下并分為三個(gè)區(qū)域，即高溫區(qū)、過渡區(qū)和低溫區(qū)。高溫區(qū)的溫度高于晶體的熔點(diǎn)，低溫區(qū)的溫度低于晶體的熔點(diǎn)，過渡區(qū)的溫度逐漸由高溫區(qū)溫度過渡到低溫區(qū)溫度，形成一維的溫度梯度。進(jìn)行晶體生長(zhǎng)時(shí)，首先將坩堝置于高溫區(qū)使原料熔化，并在此區(qū)域保持恒溫一段時(shí)間，以便獲得均勻的過熱熔體；然后通過坩堝的向下移動(dòng)使坩堝由高溫區(qū)穿過過渡區(qū)向低溫區(qū)運(yùn)動(dòng)。坩堝進(jìn)入過渡區(qū)后熔體發(fā)生定向冷卻，達(dá)到低于熔點(diǎn)溫度的部分發(fā)生結(jié)晶，并且隨著坩堝向下運(yùn)動(dòng)而冷卻，結(jié)晶界面沿著與其運(yùn)動(dòng)相反的方向定向生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)過程的連續(xù)運(yùn)行。

如圖，坩堝軸線與水平線垂直，坩堝自上向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)。

坩堝下降法是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠控制坩堝向下運(yùn)動(dòng)，最初行業(yè)內(nèi)大都根據(jù)生長(zhǎng)晶體速度需要，選擇固定轉(zhuǎn)數(shù)的減速電機(jī)，經(jīng)過計(jì)算，配以相應(yīng)齒輪組，通過蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)得到需要的升降速度。這種傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，齒輪、渦輪、蝸桿保養(yǎng)到位可以使用數(shù)年；電機(jī)故障會(huì)立即停止下降動(dòng)作，不會(huì)出現(xiàn)滑落現(xiàn)象（對(duì)于晶體生長(zhǎng)這種現(xiàn)象是致命的損失）；缺點(diǎn)就是速度可調(diào)范圍小，只能以固定速度自動(dòng)進(jìn)行單方向下降，升降機(jī)構(gòu)上升需要手工搖動(dòng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在晶體生長(zhǎng)過程中需要人為參與的頻率高。本文重點(diǎn)介紹一種適合部分閃爍晶體生長(zhǎng)使用的自動(dòng)化控制方案，可實(shí)現(xiàn)一鍵裝爐，根據(jù)需要自動(dòng)啟動(dòng)升降機(jī)構(gòu)上升、下降，運(yùn)動(dòng)超過限位設(shè)定值會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行并報(bào)警，集成溫度控制單元于一體，實(shí)現(xiàn)斷電報(bào)警及電路恢復(fù)后的自動(dòng)溫度恢復(fù)與自動(dòng)生長(zhǎng)。

3設(shè)計(jì)原理

自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體原理是利用電腦組態(tài)軟件（MCGS）控制并讀取生長(zhǎng)爐上PMC（步進(jìn)電機(jī)控制器）及溫控儀的信息，而每臺(tái)PMC及溫控儀單獨(dú)控制生長(zhǎng)爐運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行聯(lián)動(dòng)操作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的要求。并通過增加觸摸屏工控機(jī)、可通訊溫度控制器、以及PMC運(yùn)動(dòng)控制器完成控制系統(tǒng)的搭建。

溫度控制部分電腦組態(tài)軟件與溫控儀通過硬件通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)狀態(tài)信息的讀取，利用電腦程序讀取溫控儀表中的溫度程序、當(dāng)前運(yùn)行段數(shù)、溫度、時(shí)間以及實(shí)測(cè)爐溫，同時(shí)可以進(jìn)行溫控程序的寫入，如寫入改后的溫控程序（包括溫度，時(shí)間）、調(diào)整當(dāng)前段狀態(tài)（包括保持、跳步）等。溫控儀通過可控硅控制電路器件來(lái)調(diào)節(jié)溫度升降。升降控制方面電腦組態(tài)軟件通過通信協(xié)議與PMC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，讀取當(dāng)前位置信息并發(fā)送升降及速率指令。而PMC通過發(fā)送指令給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)及絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)升降。設(shè)計(jì)為手動(dòng)和自動(dòng)兩檔，手動(dòng)狀態(tài)下可通過實(shí)際按鈕實(shí)現(xiàn)快速上升或下降，速度最快可以達(dá)到200mm/min；自動(dòng)狀態(tài)下可實(shí)時(shí)讀取升降機(jī)構(gòu)的位置信息，自動(dòng)下降且速度可調(diào)，下降速度范圍0.5-5mm/h。同時(shí)設(shè)定上下軟硬件限位。

控制系統(tǒng)主機(jī)與各生長(zhǎng)爐觸摸屏工控機(jī)通過局域網(wǎng)連接通訊，實(shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的集中顯示、監(jiān)控和智能存儲(chǔ)記錄功能；同時(shí)結(jié)合internet、UPS電源及短信貓，實(shí)現(xiàn)了多用戶遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控、集中顯示，器件故障和斷電短信報(bào)警功能以及智能自動(dòng)恢復(fù)功能。系統(tǒng)可以完成一鍵裝爐、自動(dòng)升溫、自動(dòng)生長(zhǎng)、自動(dòng)降溫、自動(dòng)出爐等晶體生長(zhǎng)的全部動(dòng)作和過程。

4自動(dòng)化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能

4.1集中控制

由于夏季晶體生長(zhǎng)車間內(nèi)溫度較高，且每臺(tái)生長(zhǎng)爐附近都配備單獨(dú)的溫度控制及下降控制電子元件，長(zhǎng)期高溫條件下會(huì)造成元件老化損壞，所以需要將電子控制元件集中于控制室，避免高溫且便于操作。

4.2自動(dòng)化控制

我們知道晶體生長(zhǎng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，部分晶體需要接種才能生長(zhǎng)，坩堝下降法接種過程需要下降機(jī)構(gòu)下移；部分晶體在由于晶體生長(zhǎng)后期需要將下降平臺(tái)上升進(jìn)行晶體熱處理操作，但目前還沒有設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，只能人工手動(dòng)操作且需24小時(shí)值班處理，自動(dòng)化控制系統(tǒng)增加控制器件實(shí)現(xiàn)了升降機(jī)構(gòu)自動(dòng)升降。

4.3信息可視化

在工業(yè)生產(chǎn)中同一型號(hào)的生長(zhǎng)爐有幾十臺(tái)，生長(zhǎng)爐運(yùn)行狀態(tài)信息只能從每臺(tái)設(shè)備中逐一讀取并匯總，不便于下一步工作安排與調(diào)整，自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可在大顯示屏上顯示每一臺(tái)生長(zhǎng)爐的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)以及距離出爐的時(shí)間。

4.4聯(lián)動(dòng)控制

當(dāng)溫度程序運(yùn)行到第N步時(shí)，通過數(shù)據(jù)通信，控制升降機(jī)構(gòu)執(zhí)行自動(dòng)上升或下降動(dòng)作。

4.5異常報(bào)警

當(dāng)電網(wǎng)停電或設(shè)備故障（包括加熱元件、溫控、下降機(jī)構(gòu)異常）時(shí)，UPS啟動(dòng)運(yùn)行，通過數(shù)據(jù)通信進(jìn)行手機(jī)短信與聲光報(bào)警。

5結(jié)語(yǔ)

坩堝下降法晶體生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，減少人員操作與人為思想的干預(yù)，有利于獲得高質(zhì)量、高合格率、高一致性的晶體毛坯，為企業(yè)降低生產(chǎn)成本，獲得較高利潤(rùn)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]介萬(wàn)奇.晶體生長(zhǎng)原理與技術(shù).科學(xué)出版社出版，2016年9月第一版.

[2]李江全.組態(tài)控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)教程（MCGS）.機(jī)械工業(yè)出版社出版，2016年9月第一版.