一種培養(yǎng)人工晶體的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪榕生

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能與建筑工程學(xué)院,福州 350108）

一種培養(yǎng)人工晶體的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪榕生

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能與建筑工程學(xué)院,福州 350108）

本文介紹了一種適用于人工晶體培養(yǎng)的集成溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。系統(tǒng)采用二級(jí)控制，第一級(jí)由STM32微處理器為核心的智能型模糊PID控制器，對(duì)溫度變化快速響應(yīng)和控制。第二級(jí)以工控機(jī)為核心，對(duì)多套加熱爐溫度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。該系統(tǒng)能適應(yīng)3天至180天的不同品種晶體培養(yǎng)周期。實(shí)現(xiàn)了人工晶體培養(yǎng)的自動(dòng)控制和生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制。

人工晶體；加熱爐；集成溫度控制；模糊PID控制器

1 引言

目前我國(guó)的人工晶體研究以非線性光學(xué)晶體為代表的人工晶體材料為主，具有國(guó)際先進(jìn)水平。主要集中在我國(guó)的一些國(guó)家級(jí)的科研機(jī)構(gòu)和高等院校，并都形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，產(chǎn)品應(yīng)用于光通訊和工業(yè)激光等領(lǐng)域，提供出口和國(guó)內(nèi)使用。中科院上海硅酸鹽研究所、中科院物理所、中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所、山東大學(xué)等是國(guó)內(nèi)較早研究生產(chǎn)人工晶體的單位，是專(zhuān)門(mén)研究開(kāi)發(fā)人工晶體并將其產(chǎn)業(yè)化的重要基地。

但是長(zhǎng)期以來(lái)，由于晶體生長(zhǎng)對(duì)其溫度控制的高要求和高可靠性一直困擾著晶體培養(yǎng)的規(guī)模化生產(chǎn)。如原來(lái)設(shè)備龐大、集成度低、控制不穩(wěn)、溫漂嚴(yán)重、通訊不可靠等，這些都嚴(yán)重制約著企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)。因此，研究開(kāi)發(fā)一套高精度、高可靠性、具有優(yōu)異控制特性和可靠通訊功能的集成化溫度控制系統(tǒng)，是解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵所在。本文論述的控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近二年的研發(fā)、調(diào)試和完善，整套設(shè)備已投入使用，并實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)集中控制和規(guī)?；a(chǎn)。

2 集成控制系統(tǒng)框圖

人工晶體種類(lèi)繁多，用途極廣，有偏硼酸鋇(β-BBO)晶體、三硼酸鋰(LiB3O5)、KDP晶體、鈮酸鋰、鉭酸鋰等等。但歸納其生產(chǎn)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)階段：（1）高溫化料；（2）下晶種；（3）放尖階段；（4）恒溫等徑；（5）拉斷及降溫等[1]。晶體培養(yǎng)的生產(chǎn)時(shí)間跨度大，可以歷時(shí)3天至9個(gè)月(180天)不等。因此，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的溫度控制是其核心和難點(diǎn)。

為滿(mǎn)足晶體培養(yǎng)過(guò)程中溫度精度和穩(wěn)定性的控制要求，本文介紹的系統(tǒng)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制。第一級(jí)的下位機(jī)采用基于STM32F103VCT6芯片的智能型可編程數(shù)字控制器，該芯片為ST公司新推出基于ARM Cortex-M3的32位處理器芯片, 片內(nèi)具有256KB FLASH，48KB RAM，72 MHz 運(yùn)行頻率，1.25 DMIPS/MHz。內(nèi)存大、運(yùn)算速度高，具有多任務(wù)功能和多種通訊接口?？梢钥焖佟?shí)時(shí)的計(jì)算和控制每臺(tái)加熱爐的溫度，并上傳到上位計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)最多可以滿(mǎn)足36套晶體爐同時(shí)工作，每只溫度控制器對(duì)應(yīng)一臺(tái)加熱爐。為適應(yīng)3天至9個(gè)月的不同品種大跨度晶體培養(yǎng)時(shí)間，針對(duì)晶體爐溫度對(duì)外部的各種擾動(dòng)信號(hào)的快速響應(yīng)要求。在溫度控制器軟件控制算法的設(shè)計(jì)上，采用數(shù)字模糊PID算法，對(duì)加熱爐溫度進(jìn)行精確控制和顯示，并將隨時(shí)采集到的溫度數(shù)據(jù)及超溫等狀態(tài)信息送往上一級(jí)計(jì)算機(jī)。第二級(jí)上位機(jī)采用工業(yè)級(jí)控制計(jì)算機(jī)，監(jiān)控第一級(jí)的控制器群，對(duì)上傳的溫度數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息進(jìn)行記錄、處理、制表、繪制曲線及打印。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成控制，上位機(jī)除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一級(jí)任一臺(tái)控制器的控制參數(shù)設(shè)置及控制目標(biāo)溫度的設(shè)定外，在下位機(jī)溫度控制器工作異常時(shí)，還可以自動(dòng)進(jìn)行干預(yù)或報(bào)警，避免溫度的波動(dòng)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)溫度控制的可靠性。晶體爐溫度集成控制系統(tǒng)的框圖如圖1示。

3 溫度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

由于晶體生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)溫度穩(wěn)定性和精度的要求高，因此，在整個(gè)控制系統(tǒng)中，第一級(jí)的溫度控制器的設(shè)計(jì)是核心。從控制理論上看，需要控制器的調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，迅速改變輸出控制量。在晶體爐加熱系統(tǒng)中，控制器調(diào)節(jié)加熱器溫度，加熱器以熱輻射的形式把熱量傳給坩堝，坩堝再把熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳給籽晶，再通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的形式把熱量傳到生長(zhǎng)界面。這些傳熱環(huán)節(jié)導(dǎo)致加熱器系統(tǒng)帶有明顯的純滯后特性，因此是單晶爐的溫度控制環(huán)節(jié)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)[2]。

溫度的反饋是控制系統(tǒng)的另外一個(gè)要點(diǎn)，考慮到測(cè)溫范圍和響應(yīng)速度，本系統(tǒng)采用S分度號(hào)熱電偶作為溫度傳感器。要求熱電偶S分度號(hào)傳感器檢測(cè)信號(hào)在0-1000℃范圍內(nèi)控制24小時(shí)的溫差不超過(guò)目標(biāo)溫度的±0.2℃(即允許控制偏差在0.2‰范圍內(nèi))。因此，對(duì)檢測(cè)信號(hào)的放大環(huán)節(jié)和A/D轉(zhuǎn)換提出了很高的要求。本系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的放大環(huán)節(jié)和A/D轉(zhuǎn)換電路采用了美國(guó)AD公司最新出品的芯片，它具有24位的A/D轉(zhuǎn)換功能和可由軟件設(shè)置的四級(jí)不同放大倍數(shù)的放大模塊，很好地解決了熱電偶的微弱信號(hào)在分立器件組成的放大環(huán)節(jié)中極易產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移和溫漂等問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了極高的數(shù)字分辨率。為配合熱電偶對(duì)溫度的精確檢測(cè)，本系統(tǒng)對(duì)熱電偶的冷端補(bǔ)償引進(jìn)了高精度的鉑熱電阻Pt100傳感器檢測(cè)，其冷端溫度測(cè)量可精確到小數(shù)點(diǎn)后第2位。

為減少加熱爐對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的污染，以及減輕對(duì)系統(tǒng)自備發(fā)電機(jī)組的電網(wǎng)沖擊，本系統(tǒng)摒棄了老設(shè)備中的可控硅過(guò)零觸發(fā)方式，而采用了雙向可控硅移相觸發(fā)方式，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，污染小，三相電源容易做到平衡使用。

溫度控制器采用閉環(huán)控制設(shè)計(jì)。其工作原理是：STM32F103VCT6微處理器將經(jīng)過(guò)放大的熱電偶爐溫檢測(cè)信號(hào)與事先設(shè)定好的目標(biāo)溫度進(jìn)行比較。通過(guò)軟件中數(shù)字模糊PID算法計(jì)算，由微處理器給出一個(gè)適當(dāng)?shù)妮敵霭俜直取＝?jīng)D/A轉(zhuǎn)換后以0-6.3V的模擬信號(hào)形式輸出，控制由KC06芯片組成的可控硅雙向觸發(fā)模塊，產(chǎn)生0-180℃的移相觸發(fā)脈沖?？刂齐p向可控硅輸出0-220V的電壓，提供給加熱爐中的電爐絲工作，從而達(dá)到控制和調(diào)節(jié)爐溫的目的。溫度檢測(cè)閉環(huán)控制框圖如圖2所示。

4 溫度控制算法

人工晶體生長(zhǎng)是一個(gè)可能達(dá)到3天至9個(gè)月的長(zhǎng)周期不可逆過(guò)程，控制系統(tǒng)必須始終在晶體的生長(zhǎng)過(guò)程周期內(nèi)對(duì)生長(zhǎng)溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。擾動(dòng)一旦出現(xiàn)，必須自動(dòng)迅速恢復(fù)原控制目標(biāo)。此外，對(duì)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)影響控制精度的另一個(gè)因素是相對(duì)控制系統(tǒng)采樣控制周期的長(zhǎng)周期性溫度漂移。為了進(jìn)一步提高溫度的控制精度，必須采用適合于晶體生長(zhǎng)工況的軟件控制算法[3]。

近年來(lái)，在各種復(fù)雜過(guò)程控制中，智能控制算法得到了技術(shù)人員的關(guān)注。模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)能在控制過(guò)程中對(duì)不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測(cè)分析，將模糊推理的方法與經(jīng)典PID控制方法相結(jié)合，不僅保持了PID控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性、控制精度更好，是目前較為先進(jìn)的一種控制方法[4]。為了實(shí)現(xiàn)在擾動(dòng)工況下具有±0.2℃的溫度控制精度，考慮溫度控制系統(tǒng)的大慣性和滯后影響，本系統(tǒng)在溫度控制器中采用了模糊PID的智能控制算法，控制框圖如圖3所示。

下位機(jī)溫度控制器的輸出量由兩個(gè)部分組成：PID控制輸出和模糊控制輸出。前者采用增量式數(shù)字PID算法，依賴(lài)經(jīng)典PID的控制優(yōu)點(diǎn)，主要解決長(zhǎng)周期性溫度漂移問(wèn)題。后者采用模糊推理的方法，主要解決外部擾動(dòng)引起的溫度突變問(wèn)題，控制器快速調(diào)節(jié)，使溫度快速回歸控制目標(biāo)。控制器根據(jù)對(duì)溫度誤差的采用和判斷，自動(dòng)選擇兩者的輸出或者合成輸出。為了配合實(shí)現(xiàn)這個(gè)控制目的，上位機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘還作為控制指令的指針，計(jì)算當(dāng)前時(shí)鐘下各個(gè)晶體爐的溫度，協(xié)助下位機(jī)擾動(dòng)后的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)恢復(fù)[5]。

5 系統(tǒng)配置和調(diào)試

為提高計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期不間斷工作需要，系統(tǒng)采用臺(tái)灣產(chǎn)研華610工控機(jī)。該款工控機(jī)具有多個(gè)板卡插槽，適用于集成控制。每塊研華PCL—745S通訊板卡，有2個(gè)RS-485通訊接口，每個(gè)接口帶9臺(tái)控制儀表。每臺(tái)工控機(jī)可配2塊通訊板卡，共帶36臺(tái)下位機(jī)控制器。這樣做的目的是基于以下二點(diǎn)考慮：一是每個(gè)接口如果所帶儀表太多，則工控機(jī)對(duì)所帶儀表巡回檢測(cè)一遍所需時(shí)間周期將變長(zhǎng)，影響對(duì)每臺(tái)儀表的數(shù)據(jù)采集。二是如果一個(gè)接口所帶控制器中有一臺(tái)485通訊芯片損壞，將使該口所有儀表的通訊均不正常，如果所帶儀表太多，勢(shì)必給檢修帶來(lái)更多不便。即使我們對(duì)儀表內(nèi)的通訊器件選用了目前市面上最先進(jìn)的抗靜電、防雷擊的芯片，但也無(wú)法保證絕對(duì)不出問(wèn)題。關(guān)于異?，F(xiàn)象報(bào)警的問(wèn)題，如超溫、熱電偶斷偶等異常現(xiàn)象報(bào)警，通常可采取二種辦法予以解決。一是可以采用計(jì)算機(jī)內(nèi)自帶的蜂鳴器報(bào)警，二是可以在工控機(jī)內(nèi)加一個(gè)報(bào)警板卡，由板卡提供多個(gè)繼電器接點(diǎn)輸出，外接聲光報(bào)警。前者的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是計(jì)算機(jī)所帶的控制器只要有一臺(tái)出現(xiàn)異常情況均報(bào)警，操作人員無(wú)法直觀判別哪一臺(tái)儀表控制異常；而后者的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)軟件設(shè)置對(duì)儀表進(jìn)行分組，不同組內(nèi)儀表出現(xiàn)異常時(shí)將分別由不同的繼電器接點(diǎn)輸出控制不同的聲光報(bào)警，使操作員對(duì)儀表報(bào)警的可識(shí)別性更強(qiáng)。兩者結(jié)合使用，則效果較好。

另外，由于系統(tǒng)采用RS-485通訊方式，且采用較低的通訊波特率(1200bps)，因此具有較長(zhǎng)的通訊距離，實(shí)現(xiàn)36套設(shè)備空間上的分布式布局控制。但從系統(tǒng)的可靠性方面考慮，從控制器到工控機(jī)的通訊距離建議不要超過(guò)750米。

6 控制效果

在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，如突遇斷電，在將近1000℃的高溫下經(jīng)過(guò)10秒鐘時(shí)間爐溫將下降15-20℃，當(dāng)供電系統(tǒng)在10秒內(nèi)啟動(dòng)備用電源后，控制系統(tǒng)若不能立刻將溫度上升至掉電前的溫度值，整爐經(jīng)過(guò)幾個(gè)月生長(zhǎng)出來(lái)的晶體都將毀于一旦。所以，在這種情況下系統(tǒng)一旦重新上電就要以100%輸出全功率加熱，以使?fàn)t溫盡快跟上掉電前的目標(biāo)溫度。但控制的難點(diǎn)在于當(dāng)溫度上升到目標(biāo)溫度值后其允許的超調(diào)不能超過(guò)1‰，這是傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)無(wú)法想象的。本系統(tǒng)在PID算法中引入了智能化的模糊控制概念，很好地解決了這一難題，實(shí)現(xiàn)了在該情況下的零超調(diào)。下圖是系統(tǒng)調(diào)試時(shí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)記錄下的一個(gè)模擬掉電及升溫過(guò)程，系統(tǒng)在穩(wěn)定工作后將目標(biāo)溫度階躍上升50度，控溫系統(tǒng)從09：17：00開(kāi)始全功率加熱到09：19：33時(shí)跟上目標(biāo)溫度。由圖中計(jì)算機(jī)界面上的溫升曲線可以看出，在合適的PID參數(shù)下升溫達(dá)到目標(biāo)溫度值后控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的零超調(diào)。

7 結(jié)束語(yǔ)

人工晶體在當(dāng)今世界上被廣泛應(yīng)用于光通訊、軍用激光武器、激光醫(yī)療設(shè)備制造等諸多高新技術(shù)設(shè)備制造業(yè)中，是一個(gè)新興高科技產(chǎn)業(yè)。因此，人工晶體的培養(yǎng)也就成為世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的一個(gè)重要課題。本文論述的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行證明其優(yōu)良的控制性能和高穩(wěn)定性，深得用戶(hù)的歡迎，并產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。在光通訊技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，人工晶體的應(yīng)用領(lǐng)域也將日益擴(kuò)大，并最終滲透到象激光電視等這樣一些民用領(lǐng)域中，相信不久的將來(lái)，人工晶體培養(yǎng)將象雨后春筍般地發(fā)展成為一個(gè)新興的高科技產(chǎn)業(yè)，而其生長(zhǎng)的核心----溫度控制系統(tǒng)，也必將成為一個(gè)值得進(jìn)一步研究和投入的一個(gè)廣闊的領(lǐng)域。

[1]仲元昌等.晶體生長(zhǎng)爐的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度控制算法[J].重慶:人工晶體學(xué)報(bào),2010(10).

[2]李凱.直拉晶體生長(zhǎng)嵌入式控制系統(tǒng)及控制方法研究[J].西安:西安理工大學(xué),2014(03).

[3]吳小元.硅晶體凝固生長(zhǎng)及位錯(cuò)形核的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究[J].南昌:南昌大學(xué),2015(05).

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.113

倪榕生（1964-）,男,福建福州人,講師,研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)接口技術(shù)、變流技術(shù)、電機(jī)及其控制。