CN102534757A - 基于工业总线的晶体生长智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业总线的智能化晶体生长控制系统。以计算机为中心，利用工业总线的数据传输实现仪表数据监测和智能控制器的晶体生长流程控制，具有集成度高，抗干扰能力强的优点。计算机通过485总线对晶体生长过程进行监测，图形化实时显示运行参数，具有长时间数据存储、定量分析和过程优化功能；智能控制器通过传输参数实现电机提拉旋转的速度精确控制，高精度功率和温度自动控制，光栅脉冲检测和坐标计算，以及报警信息的获取和指示；系统设置了S型加减速曲线有效减少转速突变对机械系统的冲击，模拟欧陆表精确输出电压控制电源功率，通过数据分析实现生长流程的优化和自动化，降低能耗比，提高晶体的生长质量和效率。

Description

基于工业总线的晶体生长智能控制系统

技术领域

本发明属于晶体生长控制领域，具体涉及一种基于工业总线的晶体生长智能控制系统。

背景技术

材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。材料科学作为现代文明的三大支柱(能源、 信息、材料)之一, 是人类文明的物质基础。晶体生长属于材料科学领域, 是其发展的前沿,一些高新科学技术的发展,无一不和晶体材料密切相关。

晶体生长的成败与生长过程中对温度和运动的控制密切相关，需对温度和运动进行精确控制。建立合适的温度场是生长优质晶体的先决条件，而温度控制的精确可靠是保证温度场稳定的关键，温度场温度梯度过大或冷却降温速率过快等因素都会导致晶体生长不稳定，出现开裂或气泡。晶体生长运动控制的稳定可靠是制备合格晶体的必要条件。在晶体生长过程中，需要在一定的温度条件下进行籽晶的接种、旋转、提拉等一系列操作，而且每个操作对运动控制的要求各不相同，运动参数设置的不合理或运动过程的不稳定都会导致晶体出现缺陷，产生空腔或气泡。此外，晶体生长周期长，成本高，生长过程中出现的突发状况如果未得到及时处理都会导致晶体生长失败，造成巨大损失。

当前许多业内厂家大多采用分立仪表或组态软件的测量控制方案，系统包含有温度仪表，电路电压仪表，欧陆表，光栅表，电机控制器等多种仪器仪表，系统结构复杂，存在数据传输种类多、控制距离近、抗干扰能力差、可扩展性低、生产成品率低、能源消耗高等缺点，制约了能耗比和性价比的提高。此外，目前大部分的晶体生长系统都是采取人工操控的方式对晶体生长过程的进行控制，依靠经验主导生产，缺少科学性和可靠性。由于缺少对晶体生长过程中控制参数和运行参数的自动记录和分析，无法实现控制流程的优化，生产控制自动化和智能化程度也较低。据此，有必要对现有晶体生长控制系统进行改进，提高晶体生长的成品率，降低生产成本和能耗，以满足当前社会生产发展对晶体材料的需求。

发明内容

本发明针对现有晶体生长控制系统结构复杂、自动化智能化程度较低等不足，提出了一种基于工业总线的智能化晶体生长控制系统，该系统完全以计算机为中心进行数据计算、控制信号输出、运行参数分析和实时显示，利用工业总线的数据传输实现仪表数据监测和状态监控以及智能控制器的晶体生长流程控制，具有集成度高，抗干扰能力强，结构简单，成本低，全计算机界面操作方便快捷的优点。

本发明采用的技术方案如下：

基于工业总线的晶体生长智能控制系统，包括计算机、显示器、键盘鼠标、RS232/485转换器、多路温度采集仪表、温度传感器、电流电压采集仪表、电压电流传感器、称重仪表、重量传感器、智能控制器、旋转电机手动开关、提拉电机行程开关、光栅尺、伺服电机驱动器、旋转伺服电机、提拉伺服电机和可调功率电源，其中，所述智能控制器由RS232/485转换器、微处理器、状态指示灯、蜂鸣器、光电耦合电路、光栅信号调理电路、旋转控制信号驱动电路、提拉控制信号驱动电路、DA转换和隔离缓冲电路、以及EEPROM组成；

所述温度传感器分别安装于生产炉的大盖、整杆、正极、负极、炉体和电源处，并共同连接至多路温度采集仪表，该仪表将温度传感器获取的信号转换成数字信号，再通过RS232/485转换器传送至计算机；   

所述电压电流传感器分别安装于可控功率电源输出回路，并共同连接至电流电压采集仪表，该仪表将电压电流传感器获取的电压电流信号转换成数字信号，再通过RS232/485转换器传送至计算机；

所述重量传感器安装于籽晶杆上，并连接至称重仪表，所述称重仪表将称重传感器获得的信号转换成数字信号，再通过RS232/485转换器传送至计算机；    

所述旋转电机手动开关通过光电耦合电路向智能控制器提供外部输入信号，智能控制器查询手动开关的输入信号，并对旋转电机做出相应的控制；

所述提拉电机行程开关通过光电耦合电路向智能控制器提供外部输入信号，智能控制器查询行程开关的输入信号，并判断提拉电机是否运动到极限，控制提拉电机的运行；

所述光栅尺的滑块与提拉电机带动的提拉杆固定在一起，光栅尺将滑块在移动过程中产生的位移脉冲输入智能控制器，智能控制器将经过光栅信号调理电路调理后的两路脉冲信号输入微处理器，微处理器通过对两路脉冲信号电参量的分析获取运动信息，并对晶体生长提拉的位置进行计算；

所述智能控制器输出的电机控制信号分别经旋转控制信号驱动电路和提拉控制信号驱动电路驱动后，通过线驱动输出方式分别与伺服电机驱动器相连，控制提拉交流伺服电机和旋转交流伺服电机的运行，在电机控制中设置S型加减速曲线，有效减少转速突变对机械系统的冲击；

所述智能控制器通过改变DA转换和隔离缓冲电路输出控制电压来控制可调功率电源的输出功率，从而实现炉温的控制；

所述智能控制器的微处理器通过RS232/485转换器与计算机相连，将外部输入开关量信息、光栅尺位置信息和EEPROM信息传送至计算机的同时，接收计算机的控制，输出相应的交流伺服电机控制信号和功率控制电压；所述智能控制器控制指示电源、提拉脉冲、提拉方向、旋转脉冲、旋转方向、光栅脉冲、串口通信和报警状态的状态指示灯，并控制蜂鸣器进行声音提示；

所述晶体生长智能控制系统通过计算机晶体生长智能控制程序实现系统运行控制参数和控制功能的界面显示，完成控制参数的实时运算和系统数据的传输控制，与生产操作者进行人机交互；通过对晶体生长流程控制参数和状态参数的分析实现晶体生长流程的优化和标准化，实现晶体的自动生长控制来提高生长效率。

本发明的系统由软硬件两部分组成，系统硬件部分集成了电机控制、光栅检测、输入输出数字控制、高精度控制电压输出等多个功能模块，与市面上现有的控制系统相比，简化了系统结构，降低了成本。软件部分为运行于计算机上的晶体生长智能控制程序，通过485总线对晶体生长过程中的温度、重量、电流、电压和晶体位置和重量等参数进行实时监测，采用图形化参数显示实时显示系统参数和运行情况，具有长时间参数存储、定量分析和过程优化等功能；控制程序通过485工业总线实现转速、控制电压、光栅坐标和运行状态等的参数传输，指挥控制器实现智能化的电机提拉旋转速度的控制、高精度的功率和温度控制、光栅脉冲检测和位置坐标计算，以及报警信息的获取和显示；控制程序界面具有良好的人际交互功能，取代了按键输入和声光提示等传统交互方式，通过程序实现计算机控制下的操作控制，方便快捷。硬件部分的智能控制器集成了电机控制、光栅检测、输入输出数字控制、高精度控制电压输出等功能，简化了系统结构，降低了成本；在电机控制中设置了S型加减速曲线，有效减少转速突变对机械系统的冲击；电源的功率控制模仿欧陆表的功能和控制方法，计算机根据设置的电源输出目标功率和功率斜率，每隔1s将计算所得的输出电压参数发送给智能控制器，实现加热功率的精确控制，其控制精确达到六万分之一（16位DA），满足晶体生长过程中对温度控制的需求；通过晶体生长流程控制参数和状态参数的分析实现晶体生长流程的优化和标准化，并能实现自动生长控制，提高生长效率。本发明的系统被应用来进行泡生法蓝宝石的生长，取得了良好的生长效果，生产过程的能耗得到了明显的降低，晶体生长的成品率得到了提高。

附图说明

图1是本发明基于工业总线的晶体生长智能控制系统结构框图。

图2是本发明系统的计算机控制程序界面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明系统结构框图。本实施方式的系统硬件包括计算机1-1、显示器1-2、键盘鼠标1-3、RS232/485转换器1-4、1-7和1-10、多路温度采集仪表1-5、多路电压电流采集仪表1-8、温度传感器1-6、电压电流传感器1-9、称重仪表1-11、重量传感器1-12、智能控制器1-24、旋转电机手动开关1-25、提拉电机行程开关1-26、光栅尺1-27、伺服电机驱动器1-28和1-30、旋转伺服电机1-29、提拉伺服电机1-31、可调功率电源1-32。其中，智能控制器1-24由RS232/485转换器1-13、微处理器1-14、状态指示灯1-15、蜂鸣器1-16、光电耦合电路1-17和1-18、光栅信号调理电路1-19、旋转控制信号驱动电路1-20、提拉控制信号驱动电路1-21、DA转换和隔离缓冲电路1-22、EEPROM1-23组成。

计算机1-1提供计算机控制程序的运行环境，在显示器1-2上显示实时参数，并提供输入参数和控制按钮，用户通过键盘鼠标1-3对程序进行操作，控制外围设备实现晶体生长的控制。

多路温度采集仪表1-5、多路电压电流采集仪表1-8、称重仪表1-11及智能控制器1-14与计算机1-1之间通过RS232/485转换器1-4、1-7、1-10、1-13进行互联，进行控制指令与数据的传输。RS232/485转换器与计算机之间使用RS485工业总线相连，RS485工业总线采用平衡发送和差分接收方式实现通信，具有极强的抗共模干扰能力，最大的通信距离约为1219m，能够很好地满足工业环境下通讯要求，有效的抑制晶体生长车间的电磁干扰，提高通讯的可靠性。

光栅尺1-27上电后，滑块在运动的过程中会产生两路相位相差90度的脉冲信号，脉冲信号的频率反映了光栅尺的运动速度，脉冲个数反映了光栅尺的位移距离，相位的先后反映不同的运动方向。两路脉冲信号通过光栅信号调理电路1-19输入智能控制器1-24。智能控制器1-24通过对两路脉冲信号电参量的判别获取运动信息，计算当前的位置，并通过RS485工业总线以1s的时间间隔定时将位置数据传送至计算机，控制程序经处理后实时动态显示提拉杆位置。

驱动器输入信号由一对差分脉冲信号和一对差分方向/脉冲控制信号组成，分别用来控制电机的转速和运行方向。伺服电机驱动器1-28和1-30采用全数字电机控制算法，具备良好的鲁棒性和自适应能力，能够很好的满足晶体生长过程中对提拉和旋转运动的要求，同时使用S型加减速曲线对速度控制，能够有效减少转速突变时对机械系统的冲击。

智能控制器1-24根据计算机控制程序设定的目标功率和功率斜率，自动计算每一时刻的输出电压参数，智能控制器1-24通过DA转换和隔离缓冲电路1-22输出高精度控制电压来控制可调功率电源1-32的输出功率，控制炉温，为晶体的生长提供合适的温度。本发明所采用的功率控制方式具有与欧陆表相同的控制方法和功能，输出控制电压精确稳定，功率控制精度可以达到总功率的六万分之一。所采用的功率控制方式替代了目前业内所使用欧陆表的功能，既增强了系统的智能性，又简化了系统设计，降低了系统的成本，同时还提高了系统的稳定性和可靠性，兼顾了生产操作者使用欧陆表的习惯，具有很强的操作兼容性。

本发明通过控制程序实现晶体生长过程参数的数据采集、特征分析、图形显示、智能控制器参数计算和控制等功能，通过良好的人机交互界面实现晶体生长过程的实时控制。控制程序每次运行都会以当前日期和时间为名，在计算机指定路径下生成一个数据记录文件，并每隔1s写入当前时间、晶体生长参数和系统运行参数等数据，能够实现长时间、海量数据的存储，便于后期的优化分析。控制程序利用间隔1s的连续自动采集获得的数据，在图形界面上绘制温度、电流、电压、功率、晶体生长量的实时变化曲线，为生产操作者提供直观的参考。

控制程序具有实时运行参数显示、运行时间显示、状态指示、晶体重量显示、光栅位置显示、图形显示、升降控制、旋转控制、电源控制、自动存储、自动加工等诸多功能，可以实时显示运行状态，对晶体生长过程运行时间进行管理，实时记录系统运行控制参数文件，满足生产实际需要，方便对生产过程进行控制和管理。控制程序的具体功能说明如下：

（1）实时运行参数显示

显示系统运行过程中各类运行参数，包炉体功率、炉体电流、电源电压、大盖温度、整杆温度、正极温度、负极温度、炉体水温、电源温度，晶体重量和生长变化率等。

（2）运行时间显示

显示本次加工的启动日期、启动时间、当前时间和加工时间，供生产操作者参考，为工作安排提供时间进度。

（3）状态指示

以醒目的颜色指示旋转电机的正转、反转，提拉电机的上升、下降行程状态以及温度报警情况，为生产操作者提供直观的运行状态指示。

（4）晶体重量显示

显示从称重传感器获得晶体生长重量（单位：kg，精度：0.1 g），同时提供实时重量曲线和重量变化曲线，当重量变化超出一定的范围时，提供生产异常报警。

（5）光栅位置显示

显示从光栅尺测量获得的当前相对位置坐标（单位：mm，精度取决于光栅尺的精度），为提拉过程提供准确的位置信息。

（6）图形显示

程序界面通过菜单中参数曲线的选择实现晶体生长参数的图形化实时显示，包括温度、电流、电压、功率、重量等参数。界面中晶体的生长厚度会随着称重传感器的测得值按比例变化，同时提拉杆和晶体也会随着光栅尺的测得数据按比例上升或者下降，为操作者提供直观的晶体生长大小和位置的显示。

（7）升降控制

程序界面显示提供提拉电机运行方向和转速（单位：mm/h）的设定，经过计算机处理后通过485接口给智能控制器发送运行指令和运行参数，智能控制器自动向提拉伺服电机控制器输出脉冲和方向信号。

（8）旋转控制

程序界面显示提供旋转电机转速（单位：r/min）的设定，经过计算机处理后通过485接口给智能控制器发送运行参数，智能控制器自动向旋转伺服电机输出脉冲信号，而旋转脉冲的停止、正转、反转均由手动开关决定。

（9）电源控制

程序界面显示设计了欧陆表的功率控制功能，提供电源参数、目标功率和功率斜率的设定，能实现对功率的锁定、解锁、复位操作，同时显示当前功率、目标电压、电压变化斜率、当前输出电压、升/降温、电压锁定以及到达目标功率的时间。

（10）自动数据存储

在程序界面启动加工流程后，程序以1s的时间间隔不断存储控制参数和运行参数，把控制电压、系统功率、旋转提拉参数、监控温度、晶体重量等信息以文件形式存储在计算机中，供以后的分析和优化。

（11）自动加工

程序界面通过菜单中运行控制中的自动加工，调用生产质量好效率高的参数文件，按照文件中的加工过程自动加工，实现同一条件下的晶体自动生长，提供晶体生长的质量和效率。

本发明系统运行前首先对计算机程序中保存的密匙和智能控制器EEPROM中存放的硬件密匙进行匹配，匹配成功后自动设定系统参数并允许后续操作，从而能够有效保护系统和生产数据。

图2为本发明系统的计算机控制程序界面，具体操作方法说明如下：

（1）启动

在电源控制栏的电源功率文本框2-1、电源电压文本框2-2中输入电源参数（最大功率、最大电压）后，点击当前状态栏中红色按键2-3进入“正在运行”状态，此时按键2-3变为绿色。系统会自动以当前日期和时间为名，在计算机指定路径下建立晶体生长参数记录文件，实现1s一次的参数记录。

（2）晶体重量、光栅坐标清零

按下按键2-4，使晶体重量变为零。按下按键2-5，使光栅坐标变为零。

（3）升降确认/修改

确认：在提速框2-6中输入速度参数、选择上升/下降2-7后，按确认2-8按键，提拉电机开始工作，此时按键2-8变为“修改”。

修改：如需修改提拉电机速度/方向，先按修改按键2-8，使提拉电机停止工作，此时按键2-8变为“确认”。然后重新输入速度参数或选择方向，再按确认按键，之后提拉电机将以新设定的速度/方向工作，此时按键2-8变为“修改”。

（4）旋转确认/修改

确认：在转速框2-9中输入速度参数，按确认按键2-10，此时按键2-10变为“修改”。正转/反转/停转由手动开关控制。

修改：如需修改旋转电机速度，先按修改按键2-10，此时按键2-10变为“确认”，然后重新输入速度参数，再按确认按键2-10，此时按键2-10变为“修改”。

（5）电源控制 

①目标功率和功率斜率的确认/修改

确认：在目标功率框2-11输入目标功率、在功率斜率框2-12输入功率斜率后，按确认按键2-13，此时按键2-13变为“修改”。电源控制开始工作，目标电压、电压斜率、当前功率、当前电压、升/降温和到达目标时间开始显示。

修改：如需修改目标功率/功率斜率，按修改按键，此时按键2-13变为“确认”。电源控制部分暂停。当前功率、当前电压保持不变。重新输入目标功率/斜率，再按确认按键2-13，即以新的目标功率/电压斜率工作，重新计时，此时按键2-13变为“修改”。

②锁定/解锁

锁定：按下锁定按键2-14，此时按键2-14变为“解锁”，当前功率和当前电压保持不变。显示锁定时间。

解锁：按下解锁按键2-14，此时按键2-14变为“锁定”，对当前功率和当前电压解锁。继续显示升温/降温时间，当前功率和当前电压按照原定斜率变化。

③复位：按下复位按键2-15。各参数清零。时间显示不可见。电源控制部分停止工作。需重新设置目标功率和功率斜率才可继续工作。

④电源控制操作示例

a.设置电源功率、电源电压分别为120000W,10V。启动系统。

b.刚启动系统，此时当前功率为0W。若想6小时升至30000W，则设置目标功率为30000W,功率斜率为5000W/h，点击确认按键。

c.假设当前功率为30000W,若想两小时升至30500W，即2小时升500W，则点击电源控制框中的修改按键，设置目标功率为30500W，功率斜率为250W/h，再点击确认按键。

d.假设当前功率为50000W，若想两小时降至49980W，即两小时降20W。则点击电源控制框中的修改按键，设置目标功率为49980W，功率斜率为-10W/h（注意：降温时，功率斜率为负值，需要输入负号），再点击确认按键。

（6）停止

在当前状态栏中，按绿色按键2-3进入系统“停止”状态，停止本次晶体生长参数记录文件的数据写入。

（7）参数曲线

在计算机控制软件的菜单中，提供了参数曲线的实时显示功能，通过下拉菜单选中需要显示的参数，就可以形成一个实时运行的参数曲线图，在系统的运行过程中自动显示。

（8）数据导入

在计算机控制软件的菜单中，提供了数据导入的参数调用功能，可以导入已有的晶体生长参数记录文件，实现自动晶体生长。

本发明的系统以计算机为中心，利用工业总线进行数据通讯，通过仪表对运行参数进行实时监测，以智能控制器作为执行器实现晶体生长的自动化和智能化控制。

Claims (1)

1.基于工业总线的晶体生长智能控制系统，包括计算机、显示器、键盘鼠标、RS232/485转换器、多路温度采集仪表、温度传感器、电流电压采集仪表、电压电流传感器、称重仪表、重量传感器、智能控制器、旋转电机手动开关、提拉电机行程开关、光栅尺、伺服电机驱动器、旋转伺服电机、提拉伺服电机和可调功率电源，其特征在于，所述智能控制器由RS232/485转换器、微处理器、状态指示灯、蜂鸣器、光电耦合电路、光栅信号调理电路、旋转控制信号驱动电路、提拉控制信号驱动电路、DA转换和隔离缓冲电路、以及EEPROM组成；

所述温度传感器分别安装于生产炉的大盖、整杆、正极、负极、炉体和电源处，并共同连接至多路温度采集仪表，该仪表将温度传感器获取的信号转换成数字信号，再通过RS232/485转换器传送至计算机；   

所述电压电流传感器分别安装于可控功率电源输出回路，并共同连接至电流电压采集仪表，该仪表将电压电流传感器获取的电压电流信号转换成数字信号，再通过RS232/485转换器传送至计算机；

所述重量传感器安装于籽晶杆上，并连接至称重仪表，所述称重仪表将称重传感器获得的信号转换成数字信号，再通过RS232/485转换器传送至计算机；

所述旋转电机手动开关通过光电耦合电路向智能控制器提供外部输入信号，智能控制器查询手动开关的输入信号，并对旋转电机做出相应的控制；

所述提拉电机行程开关通过光电耦合电路向智能控制器提供外部输入信号，智能控制器查询行程开关的输入信号，并判断提拉电机是否运动到极限，控制提拉电机的运行；

所述光栅尺的滑块与提拉电机带动的提拉杆固定在一起，光栅尺将滑块在移动过程中产生的位移脉冲输入智能控制器，智能控制器将经过光栅信号调理电路调理后的两路脉冲信号输入微处理器，微处理器通过对两路脉冲信号电参量的分析获取运动信息，并对晶体生长提拉的位置进行计算；

所述智能控制器输出的电机控制信号分别经旋转控制信号驱动电路和提拉控制信号驱动电路驱动后，通过线驱动输出方式分别与伺服电机驱动器相连，控制提拉交流伺服电机和旋转交流伺服电机的运行，在电机控制中设置S型加减速曲线，有效减少转速突变对机械系统的冲击；

所述智能控制器通过改变DA转换和隔离缓冲电路输出控制电压来控制可调功率电源的输出功率，从而实现炉温的控制；

所述智能控制器的微处理器通过RS232/485转换器与计算机相连，将外部输入开关量信息、光栅尺位置信息和EEPROM信息传送至计算机的同时，接收计算机的控制，输出相应的交流伺服电机控制信号和功率控制电压；所述智能控制器控制指示电源、提拉脉冲、提拉方向、旋转脉冲、旋转方向、光栅脉冲、串口通信和报警状态的状态指示灯，并控制蜂鸣器进行声音提示；

所述晶体生长智能控制系统通过计算机晶体生长智能控制程序实现系统运行控制参数和控制功能的界面显示，完成控制参数的实时运算和系统数据的传输控制，与生产操作者进行人机交互。

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