CN103294081A - 一种多线切割机的轴辊温度智能pid控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于温度控制系统技术领域，公开了一种多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统及控制方法。所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统通过内嵌有PID闭环控制模块的PLC控制器通过温度传感器实时采集轴辊的实时温度，按预设控制程序区分不同的温度变化情况，切换在线加热装置和PID闭环控制模块的工作模式，输出模拟信号控制分别与所述在线加热装置、轴辊及冷却水连接的向轴辊进水的三通调节阀的开度，改变所述轴辊的进水温度及流量，使得轴辊温度保持稳定。本发明结合智能控制和传统PID控制，克服了传统PID在实际生产中的局限性，提高了多线切割机轴辊温度控制的效率。

Description

一种多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制系统，尤其是涉及一种半导体用多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统及控制方法。

背景技术

多线切割机是半导体用硅片生产的主要设备。多线切割机的轴辊温度是影响硅片质量的一个关键因素。因为多线切割机的轴辊温度会引起轴辊的热形变，导致切割线网排列发生变化，从而影响硅片弯曲度、翘曲度等参数超出生产要求。

常用的温控器仅具有单向控制功能，多线切割机的冷却供水温度约为13℃，轴辊温度要求接近室温。目前，对轴辊温度控制一般采用以下技术方案来实现：温度低于设定值时，关闭温控器，开启加热装置进行加热；温度高于设定值时，关闭加热装置，开启温控器常规PID系统进行冷却。

但由于轴辊温控系统具有大滞后性，且极易受砂浆、切削热及其它随机噪声的影响，在实际应用中，常规PID控制很难达到生产要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种系统简单，可靠有效的多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统及控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，包括：

一个三通调节阀，所述三通调节阀的冷水进口连接冷却水，热水进口连接用于在线加热自轴辊的出水口流出的回流水的在线加热装置的出水口，所述在线加热装置的进水口连接所述轴辊的回流水的出水口；所述轴辊的出水口处安装有采集所述轴辊的实时温度的温度传感器，所述温度传感器、三通调节阀以及所述在线加热装置分别连接内嵌有PID闭环控制模块的PLC控制器，所述PLC控制器用于计算所述轴辊的实时温度偏差以及实时温度变化率，对比所述实时温度偏差与预设温度偏差，结合所述实时温度变化率按预置控制程序输出控制信号开启/关闭所述在线加热装置、调节所述三通调节阀的开度，控制所述混合水的进水温度及流量，使所述轴辊的实时温度恒定在设定温度范围内。

所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，包括一回流泵，设在连接所述轴辊的出水口与所述在线加热装置的进水口的回流水管路上。

所述轴辊通过旋转接头分别连接所述三通调节阀的出水口以及所述在线加热装置的进水口。

所述温度传感器采用铂电阻温度传感器。

所述PID闭环控制模块采用FM455闭环控制模块。

所述在线加热装置包括加热管或热交换装置。

本发明的目的还在于提供一种所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

a)、ER>ER1时，开启所述在线加热装置，所述三通调节阀的热水进口完全打开；

b)、ER<ER2时，关闭所述在线加热装置，所述三通调节阀的冷水进口完全打开；

c)、0<ER<ER1，ΔPV>0时，关闭所述在线加热装置，所述三通调节阀的热水进口完全打开；

d)、0<ER<ER1，ΔPV<0时，打开所述在线加热装置，所述三通调节阀的热水进口完全打开；

e)、ER3<ER<0时，关闭所述在线加热装置，启动所述PID闭环控制模块选用预设的PID控制参数Ⅰ进行控制，使所述轴辊的实时温度与所述设定温度保持一致；

f)、ER2<ER<ER3，ΔPV>0时，关闭所述在线加热装置，所述PID闭环控制模块切换为自动工作模式，选用预设的PID控制参数Ⅱ进行控制，抑制所述轴辊的实时温度升高；

g)、ER2<ER<ER3，ΔPV<0时，开启所述在线加热装置，所述PID闭环控制模块切换为自动工作模式，选用预设的PID控制参数Ⅲ进行控制，使所述轴辊的实时温度以预设速度趋近所述设定温度；

其中，ER为实时温度偏差， ER1、ER2、ER3为预设温度偏差，ΔPV为所述温度传感器测量的实时温度的变化率。

本发明通过冷却水与经过在线加热装置的回流水通过一个三通调节阀混合后流入轴辊内部调节轴辊温度，由内嵌有PID闭环控制模块的PLC控制器通过温度传感器实时采集轴辊温度，区分不同温度变化情况，切换在线加热装置和PLC控制器内部PID闭环控制模块的工作模式，输出模拟信号控制轴辊进水三通调节阀，改变进水温度及流量，使得轴辊温度保持稳定，从而提高了硅片生产质量，使得系统参数变化具有良好适应性，控制精度高，结构简单，可靠有效；另外，轴辊出水经过回流装置成为在线加热装置的进水，避免了能源浪费。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的温度控制分区示意图；

图3为本发明实施例提供的控制流程图。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

参见图1所示，该图示出了本发明实施例提供的一种多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统的系统结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例有关的部分。

请参见图1所示，一种多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，包括：

一个三通调节阀1，所述三通调节阀1的冷水进口连接冷却水，热水进口连接用于在线加热自轴辊4的出水口流出的回流水的在线加热装置5的出水口，所述在线加热装置5的进水口连接所述轴辊4的回流水的出水口；所述轴辊4的出水口处安装有采集所述轴辊4的实时温度的温度传感器3，所述温度传感器3、三通调节阀1以及所述在线加热装置5分别连接内嵌有PID闭环控制模块的PLC控制器2，所述PLC控制器2用于计算所述轴辊的实时温度偏差以及实时温度变化率，对比所述实时温度偏差与预设温度偏差，结合所述实时温度变化率按预置控制程序输出控制信号开启/关闭所述在线加热装置、调节所述三通调节阀的开度，控制所述混合水的进水温度及流量，使所述轴辊的实时温度恒定在设定温度范围内。

本发明实施例中，所述三通调节阀1的冷水进口连接冷却水，热水进口连接回流水，所述轴辊4出水口连接回流装置（包括回流水管路及设在所述回流水管路上的回流泵）将轴辊出水引入在线加热装置5入水口。

本发明实施例中，所述PLC控制器2给出相应的设定值，如轴辊温度设定值，轴辊4的出水口处装有温度传感器3，温度传感器3实时采集轴辊4的出水实时温度作为轴辊的温度传入PLC控制器2进行计算，PLC控制器2根据计算的结果及内置控制程序输出相应的模拟信号开启∕关闭在线加热装置5，调节三通调节阀1的开度，通过所述三通调节阀1的开度调节，改变轴辊4的进水温度及流量，保持轴辊4的温度恒定。

本发明实施例中，所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，包括一回流泵，设在连接所述轴辊的出水口与所述在线加热装置的进水口的回流水管路上。

本发明实施例中，所述轴辊通过旋转接头分别连接所述三通调节阀的出水口以及所述在线加热装置的进水口。由于轴辊4为旋转件，所以轴辊4上设有旋转接头，所述旋转接头的进水口通过管路连接所述三通调节阀的出水口，所述旋转接头的出水口通过管路连接所述在线加热装置的进水口，所述温度传感器设在所述旋转接头的出水口处的出水管路上。

本发明实施例中，所述温度传感器采用铂电阻温度传感器，具体的，采用PT100型铂电阻温度传感器。

本发明实施例中，所述PLC控制器可采用西门子S7-400型PLC，所述PID闭环控制模块可采用FM455闭环控制模块，这样可不需另外添置温控器件同时实现运行控制、温度控制及多线切割机其它功能。

所述FM455闭环控制模块选用PID方式进行温度控制，且所述FM455闭环控制模块的PID各控制参数可通过PLC控制器进行在线实时调整。所述FM455闭环控制模块可在线切换手动∕自动控制模式，实现预置输出∕闭环控制输出。

本发明实施例中，所述的在线加热装置可以是加热管，也可以是热交换装置。

本发明的目的还在于提供一种所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统的控制方法，该控制方法根据不同的温度偏差分为五个步骤七种情况对轴辊温度进行控制，下面结合图2~3对控制步骤进行说明如下：

图2中，SP指设定温度（值）；PV指测量的实时温度（值）；ER1、ER2、ER3分别指不同的预设温度偏差；图中序号a至g分别代表区分的七种温度变化情况。

图3中：ER指实时温度偏差，即所述设定温度（值）SP与温度传感器测量的轴辊的实时温度的差值；ΔPV指测量的实时温度（值）的变化率；KV=0表示关闭在线加热装置；KV=1表示开启在线加热装置；LMN_A指三通调节阀冷却水的进口开度；LMN_B指三通调节阀回流水的进口开度。

参见图2所示，该图示出本发明实施例提供的温度控制分区示意图；

1.当实时温度偏差ER大于预设温度偏差ER1时，即图2所示a区，系统全力加热；

2.    当实时温度偏差ER小于预设温度偏差ER2时，即图2所示b区，系统全力冷却；

3.当实时温度偏差ER小于预设温度偏差ER1且大于零时，即图2所示c段和d段，区分轴辊温度趋近∕背离设定温度，关闭∕开启在线加热装置，保持∕抑制轴辊温度的变化趋势；

4.当实时温度偏差ER大于预设温度偏差ER3且小于零时，即图2所示e区，轴辊温度略大于设定温度，关闭在线加热装置，PLC控制器选用预设的PID控制参数Ⅰ传输到闭环控制模块进行控制，保持温度稳定在设定值附近；

5.当温度偏差ER小于预设偏差ER3大于预设偏差ER2时，即图2所示f段和g段，区分轴辊温度背离∕趋近设定温度，关闭∕开启在线加热装置，PLC控制器选用预设的PID控制参数Ⅱ∕Ⅲ传输到闭环控制模块进行控制，抑制∕保持温度变化趋势。

下面，结合图3对上述根据温度偏差对轴辊温度进行实时的控制过程进行详细说明如下：

 a)、ER>ER1时，即实时温度偏差大于预设的温度偏差ER1，表明轴辊温度过低，此时开启所述在线加热装置，所述三通调节阀的热水进口完全打开，全力加热；

b)、ER<ER2时，即实时温度偏差小于预设的温度偏差ER2，表明轴辊温度过高，此时关闭所述在线加热装置，所述三通调节阀的冷水进口完全打开，全力冷却；

c)、0<ER<ER1，ΔPV>0时，即实时温度偏差大于零、小于预设温度偏差ER1，表明轴辊温度低于预设温度值且趋向预设温度值，此时关闭所述在线加热装置，所述三通调节阀的热水进口完全打开，利用水路的余热继续加热；

d)、0<ER<ER1，ΔPV<0时，即实时温度偏差大于零、小于预设温度偏差ER1，表明轴辊温度低于预设温度值且背离预设温度值，此时打开所述在线加热装置，所述三通调节阀的热水进口完全打开，全力加热；

e)、ER3<ER<0时，即实时温度偏差小于零大于预设温度偏差ER3，表明轴辊温度略大于预设温度值，关闭所述在线加热装置，所述闭环控制模块切换为自动工作模式，选用预设的PID控制参数Ⅰ进行控制，保持轴辊温度稳定在预设温度值附近，即使所述轴辊的实时温度与所述预设温度基本保持一致；

f)、ER2<ER<ER3，ΔPV>0时，即实时温度偏差处于预设温度偏差ER2和ER3之间，表明轴辊温度大于预设温度且背离预设温度值，关闭所述在线加热装置，所述PID闭环控制模块切换为自动工作模式，选用预设的PID控制参数Ⅱ进行控制，抑制所述轴辊的实时温度升高；

g)、ER2<ER<ER3，ΔPV<0时，即轴辊的实时温度偏差处于预设偏差ER2和ER3之间，表明轴辊温度大于预设温度且趋向预设温度值，开启所述在线加热装置，所述PID闭环控制模块切换为自动工作模式，选用预设的PID控制参数Ⅲ进行控制，使所述轴辊的实时温度以预设的合理速度趋近所述预设温度。

所述预设的合理速度的可以根据实际控制需要进行设定。

本发明实施例中，所述的PID控制参数Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ为在e/f/g三种温度变化情形下采用的PID参数编号，每一控制参数Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ分别对应上述不同的控制功能，各控制参数根据不同控制需要通过实验确定并存储，由所述PLC控制器根据轴辊的实时温度变化情形选用相应的控制参数Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ传输到所述闭环控制模块进行控制，从而达到预想的控制效果。

本发明通过冷却水与经过在线加热装置的回流水通过一个三通调节阀混合后流入轴辊内部调节轴辊温度，由内嵌有PID闭环控制模块的PLC控制器通过温度传感器实时采集轴辊温度，区分不同温度变化情况，切换在线加热装置和PLC控制器内部PID闭环控制模块的工作模式，输出模拟信号控制轴辊进水三通调节阀，改变进水温度及流量，使得轴辊温度保持稳定，由于采用智能PID温度控制方案，将智能控制与传统PID温度控制相结合，应用PLC控制器模拟人类智能实现自动化，以非线性方式引入人工智能及专家经验，使系统在任何状况下都能取得比传统PID温度控制更好的控制性能，对系统参数变化具有良好适应性，控制精度高，结构简单，可靠有效，，从而在保证了轴辊温度稳定的前提下提高了硅片生产质量；另外，轴辊出水经过回流装置成为在线加热装置的进水，避免了能源浪费。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，其特征在于，包括：

一个三通调节阀，所述三通调节阀的冷水进口连接冷却水，热水进口连接用于在线加热自轴辊的出水口流出的回流水的在线加热装置的出水口，所述在线加热装置的进水口连接所述轴辊的回流水的出水口；所述轴辊的出水口处安装有采集所述轴辊的实时温度的温度传感器，所述温度传感器、三通调节阀以及所述在线加热装置分别连接内嵌有PID闭环控制模块的PLC控制器，所述PLC控制器用于计算所述轴辊的实时温度偏差以及实时温度变化率，对比所述实时温度偏差与预设温度偏差，结合所述实时温度变化率按预置控制程序输出控制信号开启/关闭所述在线加热装置、调节所述三通调节阀的开度，控制所述混合水的进水温度及流量，使所述轴辊的实时温度恒定在设定温度范围内。

2.根据权利要求1所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，其特征在于，包括一回流泵，设在连接所述轴辊的出水口与所述在线加热装置的进水口的回流水管路上。

3.根据权利要求1或2所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，其特征在于，所述轴辊通过旋转接头分别连接所述三通调节阀的出水口以及所述在线加热装置的进水口。

4.根据权利要求1所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，其特征在于，所述温度传感器采用铂电阻温度传感器。

5.根据权利要求1所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，其特征在于，所述PID闭环控制模块采用FM455闭环控制模块。

6.根据权利要求1所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统，其特征在于，所述在线加热装置包括加热管或热交换装置。

7.一种权利要求1－6任一项所述多线切割机的轴辊温度智能PID控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)、ER>ER1时，开启所述在线加热装置，所述三通调节阀的热水进口完全打开；

b)、ER<ER2时，关闭所述在线加热装置，所述三通调节阀的冷水进口完全打开；

c)、0<ER<ER1，ΔPV>0时，关闭所述在线加热装置，所述三通调节阀的热水进口完全打开；

d)、0<ER<ER1，ΔPV<0时，打开所述在线加热装置，所述三通调节阀的热水进口完全打开；

e)、ER3<ER<0时，关闭所述在线加热装置，启动所述PID闭环控制模块选用预设的PID控制参数Ⅰ进行控制，使所述轴辊的实时温度与所述设定温度保持一致；

f)、ER2<ER<ER3，ΔPV>0时，关闭所述在线加热装置，所述PID闭环控制模块切换为自动工作模式，选用预设的PID控制参数Ⅱ进行控制，抑制所述轴辊的实时温度升高；

g)、ER2<ER<ER3，ΔPV<0时，开启所述在线加热装置，所述PID闭环控制模块切换为自动工作模式，选用预设的PID控制参数Ⅲ进行控制，使所述轴辊的实时温度以预设速度趋近所述设定温度；

其中，ER为实时温度偏差， ER1、ER2、ER3为预设温度偏差，ΔPV为所述温度传感器测量的实时温度的变化率。

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