CN104391530B - 一种基于pid自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，根据炉体中侧热电偶和控温热电偶检测到的温度，利用PID技术对管式扩散炉内温度进行自动校准，实现扩散工艺的温度稳定和温差自动补偿，具体过程包括以下步骤：（1）温度T1的稳定阶段；（2）温度T1温差自动补偿阶段；其中温度T1的稳定阶段为恒温设置，温度T1与扩散温度T0的关系为T1=T0，T0为扩散工艺所需要的目标温度。本发明在自动运行工艺中实现了温区温度的自动校准，且可以在同一工艺运行中实现多个温区的校准，替代了手工操作，简化操作流程，提高设备和工艺的可靠性，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺。
背景技术
在晶体硅太阳能电池生产中，扩散炉恒温区温度的稳定性和精确性直接影响P-N结的品质，决定了太阳能电池的性能优劣。扩散工艺对扩散温度的要求十分严格， 一般在850～1250℃范围内的某一给定温度下进行扩散，温度漂移不得超过±1℃，而且温度漂移越小越好。因此，在高温扩散工艺中，炉温的控制是至关重要的。为了保证扩散炉温度的可控性和稳定性，需要定期对恒温区温度进行校准。
目前扩散炉恒温区校准过程需要在相应的软件控制界面进行手动设定温度和气体流量，且每次手动设定一种温度，只能实现一种温区的校准。人工手动设定进行温区校准，校准时间长，人为影响因素大，不利于标准化操作，生产过程扩散炉温区异常时，不能及时有效的解决温区问题，耽误正常生产使用。
PID（Proportional-Integral-Differential，即比例、积分、微分）控制方法蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，在实际的过程控制和运动控制中，是经典控制算法的典型代表。调节和温度控制的原理：当热电偶采集的被测温度偏离希望的给定值时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P） 积分（I） 微分（D）运算，从而输出某个适当的执行信号给执行单位，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的目的。
目前的扩散炉中，一般自带PID的温度控制和调节系统，但如何将该温度控制和调节系统与目前扩散炉温区校准时手动设定的工艺参数相结合，以及如何结合扩散工艺中温度控制的关键步骤，设定一种或几种需要精确控温的温度，在自动运行工艺中实现温区校准，是未来保证扩散炉温度的可控性和稳定性的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，该工艺利用PID的温度控制和调节系统，结合扩散工艺中温度控制的关键步骤，以及扩散工艺中的工艺参数，设定一种或几种需要精确控制的温度，自动运行自动校准工艺实现温区校准。
本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，根据炉体中侧热电偶和控温热电偶检测到的温度，利用PID技术对管式扩散炉内温度进行自动校准，实现扩散工艺的温度稳定和温差自动补偿，具体包括以下步骤：
（1）温度T1的稳定阶段；
（2）温度T1温差自动补偿阶段；
其中温度T1的稳定阶段为恒温设置，温度T1与扩散温度T0的关系为T1=T0，T0为扩散工艺所需要的目标温度。
其中，管式扩散炉内各温区温度设置相同，T0的温度范围优选为800～900℃。
其中温度T1的检测通过温控热电偶检测，温度T1温差通过侧热电偶检测。
步骤（2）温差自动补偿阶段，该阶段以扩散炉中的侧热电偶检测值作为反馈信号，通过侧热电偶检测温度与控制目标之间的温度差，进行温度补偿达到获得恒温区的控制目标。
在扩散炉控制系统中一般装有侧热电偶和温控热电偶，以及采用单片机和上位机的控制系统进行PID运算控制。恒温区间的温度控制通过温控热电偶检测值作为反馈信号，温度信号与目标之间的差值通过自动补偿实现，需要侧热电偶的参与，通过侧热电偶可以获得炉膛内的实际温度，进而获得与温控热电偶的温度差，特定温度点T1恒温控制时，通过控温-温度稳定-获得温度补偿值-控温四个过程迭代，最终使炉膛内温度达到温控目标值，同时获得此点的补偿值；多段炉体和多个温区可以通过工艺自动运行，在短时间内自动获得温度补偿值和恒温区间，达到温区控制的目标。
以上是作为单一温区扩散过程的校准工艺。在实际使用中更多使用的是两温区的校准，针对需要两个温度区间的扩散工艺过程，本发明中的基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，包括以下步骤：
（1）温度T1的稳定阶段；
（2）温度T1温差自动补偿阶段；
（3）温度T2的稳定阶段；
（4）温度T2温差自动补偿阶段；
其中温度T1、T2的关系为T1≠T2，且温度T1、T2与扩散工艺需要精确控温温度T0’、T0’’的关系为T1=T0’，T2=T0”，其中T0’和T0” 的温度范围为800～900℃。
T0’ ≠T0’’，且T0’和T0”为两温区扩散工艺所需要的目标温度。
优选的，温度T1＜温度T2。
针对更为复杂的三温区的扩散过程，本发明中的基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，包括以下步骤：
（1）温度T1的稳定阶段；
（2）温度T1温差自动补偿阶段；
（3）温度T2的稳定阶段；
（4）温度T2温差自动补偿阶段；
（5）温度T3的稳定阶段；
（6）温度T3温差自动补偿阶段；
其中温度T1、T2、T3的关系为T1≠T2≠T3，且温度T1、T2、T3与扩散工艺需要精确控温温度T0’、T0”、T0’’’的关系为T1=T0’，T2=T0’’，T3=T0’’’，其中T0’、T0” 和T0’’’的温度范围为800～900℃。
其中T0’ ≠T0” ≠T0’’’，且T0’、 T0’’和T0’’’为三温区扩散工艺所需要的目标温度。
优选的，温度T1＜温度T2＜温度T3。
在上述各步骤中：步骤（1）、步骤（3）或步骤（5）中的稳定阶段的时间优选为10~20min；步骤（2）、步骤（4）或步骤（6）中的温差自动补偿阶段的时间优选为90~120min。
步骤（1）-（6）中的稳定阶段和温差自动补偿阶段中还通入有氮气，氮气的流量优选为10000mL/min~20000mL/min。
其中步骤（2）、（4）、（6）中的温度的调整是通过扩散炉中的侧热电偶和炉体加热区附近的控温热电偶作用来实现的。
优选的，控温模式为温差自动补偿阶段时，工艺的参数设定以是否满足侧热电偶温度稳定性标准为结束条件，若当前工艺未到时间，而调整恒温区结束，工艺自动跳转到下一步操作，故温差自动补偿阶段时间设定值可以稍长。
本发明的优点如下：
（1）本发明中的工艺能够科学有效的解决复机和扩散设备温度异常时的恒温区修复和调整；
（2）本发明中的工艺是自动温区分布工艺，只需运行工艺，就可实现扩散炉的温度校准，且可以在同一工艺运行中实现多个温区的校准，简化了操作流程，缩短了校准时间；
（3）本发明中的工艺自动操作替代了原先手动设定的过程，简化了操作流程，通过设定工艺参数，统一规范温区校准过程，并将此操作标准化，排除人为影响因素；
（4）本发明在自动运行工艺中实现了温区温度的自动校准，且可以在同一工艺运行中实现多个温区的校准，提高了设备和工艺的可靠性，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例1侧热电偶和控温热电偶结构示意图，图1中1为侧热电偶，2为温控热电偶，3为炉体加热区；
图2为本发明实施例2中的温区自动校准工艺的流程图。
具体实施方式
实施例1 单个温区的温度校准工艺
如图1中所示，本实施例提供的基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，利用PID技术，根据炉体中侧热电偶1和控温热电偶2检测到的温度，利用PID技术对管式扩散炉内温度进行自动校准，实现扩散工艺的温度稳定和温差自动补偿，扩散炉中的侧热电偶和控温热电偶结构示意图如图1中所示，侧热电偶1靠近炉膛，温控热电偶2靠近炉体加热区3，具体包括以下步骤：
（1）温度800℃稳定阶段：升温至800℃并恒温，通入流量为15000mL/min的氮气，保持温度恒定，恒温15min；
（2）温度800℃温差自动补偿阶段：保持温度继续维持在800℃进行温区分布，通入流量为15000mL/min的氮气，自动调整温度补偿值，持续120min。
该工艺利用PID技术，通过扩散炉中的侧热电偶1和加热器附近的控温热电偶2作用，调整扩散炉的温度，能够科学有效的解决复机和扩散设备温度异常时的恒温区修复和调整。
实施例2 单个温区的温度校准工艺
本实施例提供的基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，根据炉体中侧热电偶1和控温热电偶2检测到的温度，利用PID技术对管式扩散炉内温度进行自动校准，实现扩散工艺的温度稳定和温差自动补偿，具体包括以下步骤：
（1）温度800℃稳定阶段：升温至800℃并恒温，通入流量为25000mL/min的氮气，保持温度恒定，恒温20min；
（2）温度800℃温差自动补偿阶段：保持温度继续维持在800℃进行温区分布，通入流量为25000mL/min的氮气，自动调整温度补偿值，持续100min。
实施例3两个温区的温度校准工艺
如图2所示，本实施例提供的基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，根据炉体中侧热电偶1和控温热电偶2检测到的温度，利用PID技术对管式扩散炉内温度进行自动校准，实现扩散工艺的温度稳定和温差自动补偿，具体包括以下步骤：
（1）温度810℃稳定阶段：升温至810℃并恒温，通入流量为20000mL/min的氮气，保持温度恒定，恒温15min；
（2）温度810℃温差自动补偿阶段：保持温度继续维持在810℃进行温区分布，通入流量为20000mL/min的氮气，自动调整温度补偿值，持续120min；
（3）温度850℃稳定阶段：斜变升温20min至850℃后恒温，通入流量为20000mL/min的氮气，保持温度恒定，恒温15min；
（4）温度850℃温差自动补偿阶段：保持温度继续维持在850℃进行温区分布，通入流量为20000mL/min的氮气，自动调整温度补偿值，持续120min。
该工艺利用PID技术，通过扩散炉中的侧热电偶1和加热器附近的控温热电偶2作用，调整扩散炉的温度，能够科学有效的解决复机和扩散设备温度异常时的恒温区修复和调整；且在自动运行工艺中实现了温区温度的自动校准，可以在同一工艺运行中实现2个温区的校准，提高了设备和工艺的可靠性，提高了生产效率。
实施例4 三个温区的温度校准工艺
本实施例提供的基于PID自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，根据炉体中侧热电偶1和控温热电偶2检测到的温度，利用PID技术对管式扩散炉内温度进行自动校准，实现扩散工艺的温度稳定和温差自动补偿，具体包括以下步骤：
（1）温度820℃稳定阶段：升温至820℃并恒温，通入流量为10000mL/min的氮气，保持温度恒定，恒温10min；
（2）温度820℃温差自动补偿阶段：保持温度继续维持在820℃进行温区分布，通入流量为10000mL/min的氮气，自动调整温度补偿值，持续90min；
（3）温度850℃稳定阶段：斜变升温20min至850℃后恒温，通入流量为10000mL/min的氮气，保持温度恒定，恒温10min；
（4）温度850℃温差自动补偿阶段：保持温度继续维持在850℃进行温区分布，通入流量为10000mL/min的氮气，自动调整温度补偿值，持续90min；
（5）温度900℃稳定阶段：斜变升温20min至900℃后恒温，通入流量为10000mL/min的氮气，保持温度恒定，恒温10min；
（6）温度900℃温差自动补偿阶段：保持温度继续维持在900℃进行温区分布，通入流量为10000mL/min的氮气，自动调整温度补偿值，持续90min。
上述参照实施例的目的在于对本发明进行详细描述，是说明性的而不是限定性的。对本领域技术人员来说，在不背离本发明的范围和总体构思的前提下，按照本发明的方法作出不同的修改和变化是显而易见的，应属本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于PID 自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，其特征是：根据炉体中侧热电偶和控温热电偶检测到的温度，利用PID 技术对管式扩散炉内温度进行自动校准，实现扩散工艺的温度稳定和温差自动补偿，具体包括以下步骤：
（1）温度T1 的稳定阶段；
（2）温度T1 温差自动补偿阶段；
（3）温度T2 的稳定阶段；
（4）温度T2 温差自动补偿阶段；
其中温度T1、T2 的关系为T1 ≠ T2，且温度T1、T2 与两温区扩散工艺所需要的目标温度T0’、T0’’的关系为T1=T0’，T2=T0”，温度T1 ＜温度T2；
所述稳定阶段为恒温设置，温差自动补偿阶段是以扩散炉中的侧热电偶检测值作为反馈信号，通过侧热电偶检测温度与控制目标之间的温度差，进行温度补偿达到获得恒温区的控制目标。
2.一种基于PID 自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，其特征是：根据炉体中侧热电偶和控温热电偶检测到的温度，利用PID 技术对管式扩散炉内温度进行自动校准，实现扩散工艺的温度稳定和温差自动补偿，具体包括以下步骤：
（1）温度T1 的稳定阶段；
（2）温度T1 温差自动补偿阶段；
（3）温度T2 的稳定阶段；
（4）温度T2 温差自动补偿阶段；
（5）温度T3 的稳定阶段；
（6）温度T3 温差自动补偿阶段；
其中温度T1、T2、T3 的关系为T1 ≠ T2 ≠ T3，且温度T1、T2、T3 与三温区扩散工艺所需要的目标温度T0’、T0”、T0’’’的关系为T1=T0’，T2=T0’’，T3=T0’’’，温度T1 ＜温度T2 ＜温度T3；
所述稳定阶段为恒温设置，温差自动补偿阶段是以扩散炉中的侧热电偶检测值作为反馈信号，通过侧热电偶检测温度与控制目标之间的温度差，进行温度补偿达到获得恒温区的控制目标。
3.根据权利要求1所述的基于PID 自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，其特征是：步骤（1）或步骤（3）中的稳定阶段的时间为10~20min ；步骤（2）或步骤（4）中的温差自动补偿阶段的时间为90~120min。
4.根据权利要求1所述的基于PID 自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，其特征是：步骤（1）-（4）中的稳定阶段和温差自动补偿阶段中还通入有氮气，氮气的流量为10000~20000mL/min。
5.根据权利要求2所述的基于PID 自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，其特征是：步骤（1）、步骤（3）或步骤（5）中的稳定阶段的时间为10~20min ；步骤（2）、步骤（4）或步骤（6）中的温差自动补偿阶段的时间为90~120min。
6.根据权利要求2所述的基于PID 自整定的管式扩散炉温区自动校准工艺，其特征是：步骤（1）-（6）中的稳定阶段和温差自动补偿阶段中还通入有氮气，氮气的流量为10000~20000mL/min。
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