CN204270124U - 全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其包括上位机电脑、中频加热模块、称重模块及晶体生长控制模块，控制模块与称重模块进行通信以获取称重信号，控制模块与中频加热模块进行通信以设置功率值和读取中频参数，控制模块与上位机电脑进行通信以上传监测信号和接收操作命令，所有通信均采用数字化方式，大大提高了系统的控制精度。本实用新型系统采用集散型控制系统的思想进行设计，控制模块和上位机电脑在功能上相互独立，使得晶体生长控制可以脱离上位机电脑的软件正常进行，避免了上位机电脑故障带来的隐患，同时可以用一台上位机电脑与多个下位机控制模块联接，从而对晶体生长的监控更为集中，大大减低设备和人力成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及闪烁晶体提拉炉领域，尤其涉及一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统。
背景技术
提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年实用新型的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。为了实现定型的晶体生长，必须对生长过程中晶体的直径进行控制。
无机闪烁晶体LYSO、YSO等广泛运用于辐射探测、大型核医学成像设备领域。目前国内的闪烁晶体提拉炉一般采用基于上位机电脑和温控表的控制系统，晶体的生长控制必须依靠上位机电脑的软件。由于晶体的生长周期很长，电脑死机和软件崩溃会导致晶体的生长控制无法进行。同时这种方式将控制部分和上位机显示操作软件耦合在一起，一台晶体提拉炉必须对应一台上位机电脑，当拥有大量的提拉炉同时进行生产的时候，由于显示操作过于分散，从而不容易集中管理，也大大浪费了人力和设备成本。
目前常见的闪烁晶体提拉炉一般采用模拟信号对温度进行控制，比如说4-20ma的电流信号来控制中频的功率。模拟信号很容易受到各种干扰，特别是闪烁晶体提拉炉控制系统中，由于中频的存在，干扰较大。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新型结构的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，以克服现有技术中闪烁晶体提拉炉控制系统的缺陷。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其具有自动化程度更高、显示操作和管理分析更加集中、抗干扰能力更强等特点。
为实现上述目的，本实用新型提供：一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其包括执行模块及上位机，所述执行模块包括控制温度的中频加热模块、控制晶体提拉速度的晶体提拉模块、控制晶体旋转速度的晶体旋转模块及对生长炉内晶体重量进行测量的称重模块，所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统还包括控制晶体生长及各模块运转的控制模块，所述控制模块与上位机及执行模块分别进行通信连接，所述上位机用于进行生长参数设置和实时监测，所述控制模块与上位机在功能上相互独立，所述控制模块与称重模块通信以获取称重信号，所述控制模块与中频加热模块进行通信以设置功率值和读取中频参数，所述控制模块与上位机电脑通信以上传监测信号和接收操作命令，所述控制模块包括可编程控制器。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统包括对控制模块进行供电的不间断电源。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述控制模块控制过程中以数字信号的方式传输称重模块获取的称重数据。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，采用PID控制方式对中频加热模块的功率进行控制，所述控制模块以数字信号的方式传输中频加热模块的功率控制信号。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述控制模块以数字信号的方式与上位机电脑通信。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述控制模块主要基于该可编程控制器，运用梯形图语言和ST语言进行编程完成对整个晶体生长过程的自动控制。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述晶体提拉模块包括第一电机驱动器和与第一电机驱动器连接的提拉电机，所述提拉电机的转速采用控制模块的高速脉冲输出进行控制。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述晶体提拉模块包括与提拉电机配合的减速电机，所述第一电机驱动器采用双脉冲工作方式。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述提拉电机采用五相步进电机。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述晶体旋转模块包括第二电机驱动器和与第二电机驱动器连接的旋转电机，所述旋转电机的转速采用控制模块的高速脉冲输出进行控制。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述晶体旋转模块包括与旋转电机配合的减速电机，所述第二电机驱动器采用双脉冲工作方式。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述旋转电机采用五相步进电机。
上述的一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，优选地，所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统还包括安全监控模块，所述安全监控模块通过上位机显示其监控到的异常情况，上位机对异常情况进行报警和记录。
以上技术方案相对于现有技术具有如下优点：
1、本实用新型的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其包括执行模块及上位机，所述执行模块包括控制温度的中频加热模块、控制晶体提拉速度的晶体提拉模块、控制晶体旋转速度的晶体旋转模块及对生长炉内晶体重量进行测量的称重模块，所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统还包括控制晶体生长及各模块运转的控制模块，所述控制模块与上位机及执行模块分别进行通信连接，所述上位机用于进行生长参数设置和实时监测，所述控制模块与上位机在功能上相互独立，所述控制模块与称重模块通信以获取称重信号，所述控制模块与中频加热模块进行通信以设置功率值和读取中频参数，所述控制模块与上位机电脑通信以上传监测信号和接收操作命令，所述控制模块包括可编程控制器。本技术方案的控制系统采用控制模块与上位机电脑分离的集散型控制系统的思想进行设计，实现晶体生长的控制部分和显示操作部分在功能上相互独立，稳定性更强，便于集中监视、操作和管理；系统的控制模块部分基于一个可编程控制器，使得晶体的放肩、等径、收尾步骤等生长控制都由控制模块进行控制，可以脱离上位机软件独立运行，避免了电脑死机和软件崩溃导致的生长过程中断；通过本技术方案，可以实现用一台上位机电脑与多个下位机控制模块联接，即用一台上位机电脑控制多台下位机控制模块和相应的闪烁晶体提拉炉，从而使得对晶体生长的操作和监视更为集中，大大减低设备和人力成本。
2、所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统包括对控制模块进行供电的不间断电源。本技术方案使得系统发生意外断电的时候，保证可编程控制器还能进行异常处理。
3、所述控制模块控制过程中以数字信号的方式传输称重模块获取的称重数据。因为数字信号具有抗干扰能力强、准确性高的优点，可以提高系统的控制精度。
4、采用PID控制方式对中频加热模块的功率进行控制，所述控制模块以数字信号的方式传输中频加热模块的功率控制信号。因为数字信号具有抗干扰能力强、准确性高的优点，可以提高系统的控制精度，避免了量化误差，而且可以达到1w的高精度功率控制。
5、所述控制模块以数字信号的方式与上位机电脑通信，因为数字信号具有抗干扰能力强、准确性高的优点，可以提高系统的通信精度。
6、所述控制模块主要基于该可编程控制器，运用梯形图语言和ST语言进行编程完成对整个晶体生长过程的自动控制。本技术方案中可编程控制器采用较为成熟和稳定的PLC产品，开关量逻辑控制相关的程序，比如说高速脉冲的输出、快速提拉的设置、上下限位开关信号的读取、遥控提拉和下降信号的读取、串口的设置等等都使用梯形图语言进行编程；涉及到复杂的计算过程的程序，比如说晶体的理论重量计算、PID控制算法的实现等等，这些算法涉及到大量浮点数的乘除和三角函数运算，采用ST语言进行编程。
7、所述晶体提拉模块包括第一电机驱动器和与第一电机驱动器连接的提拉电机，所述提拉电机的转速采用控制模块的高速脉冲输出进行控制。本技术方案通过采用控制模块的高速脉冲输出进行控制，可以获得高精度，同时可以实现脉冲频率的连续调节。
8、所述晶体提拉模块包括与提拉电机配合的减速电机，所述第一电机驱动器采用双脉冲工作方式。本技术方案通过采用双脉冲工作方式，同时配合减速电机，可以达到均匀而缓慢的提拉速度，且可以获得很小而稳定的旋转速度。
9、所述提拉电机采用五相步进电机。五相步进电机具有高稳定性、高效率的特点。
10、所述晶体旋转模块包括第二电机驱动器和与第二电机驱动器连接的旋转电机，所述旋转电机的转速采用控制模块的高速脉冲输出进行控制。本技术方案通过采用控制模块的高速脉冲输出进行控制，可以获得高精度，同时可以实现脉冲频率的连续调节。
11、所述晶体旋转模块包括与旋转电机配合的减速电机，所述第二电机驱动器采用双脉冲工作方式。本技术方案通过采用双脉冲工作方式，同时配合减速电机，可以达到均匀而缓慢的提拉速度，且可以获得很小而稳定的旋转速度。
12、所述旋转电机采用五相步进电机。五相步进电机具有高稳定性、高效率的特点。
13、所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统还包括安全监控模块，所述安全监控模块通过上位机显示其监控到的异常情况，上位机对异常情况进行报警和记录。本技术方案通过设置安全监控模块，可以实时发现控制系统的异常，以便及时的采取措施。
附图说明
图1为本实用新型揭示的用一台上位机电脑控制多台下位机控制模块和相应的闪烁晶体提拉炉的系统框图。
具体实施方式
本实用新型公开了一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其具有自动化程度更高、显示操作和管理分析更加集中、抗干扰能力更强等特点。这种集散型控制系统，是以可编程控制器为基础，具有控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调等优点。
如图1所示，本实用新型公开的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其包括上位机、控制模块及执行模块，所述控制模块与上位机及执行模块分别进行通信连接。所述执行模块包括控制生长炉温度的中频加热模块、控制晶体提拉速度的晶体提拉模块、控制晶体旋转速度的晶体旋转模块及对生长炉内晶体重量进行测量的称重模块。所述控制模块控制晶体生长及各模块运转，所述控制模块包括可编程控制器。闪烁晶体提拉炉包括生长炉及所述的执行模块，所述的执行模块与生长炉连接以进行晶体的生长控制。系统采用控制模块与上位机电脑分离的集散型控制系统的思想进行设计，实现晶体生长的控制部分和显示操作部分在功能上相互独立，稳定性更强，便于集中监视、操作和管理；系统的控制模块部分基于一个可编程控制器，使得晶体的放肩、等径、收尾步骤等生长控制都由控制模块进行控制，可以脱离上位机软件独立运行，避免了电脑死机和软件崩溃导致的生长过程中断，可编程控制器与上位机软件通过以太网相连，上位机只负责对晶体生长过程中的各种参数进行设置，同时显示晶体生长的过程状态。
从图1可以看出，通过本实用新型技术方案，可以实现用一台上位机电脑与多个下位机控制模块联接，即用一台上位机电脑控制多台下位机控制模块和相应的闪烁晶体提拉炉，从而使得对晶体生长的操作和监视更为集中，大大减低设备和人力成本。
本实用新型所述控制模块通过RS485接口与上称重模块通信，获取称重信号；所述可编程控制器通过RS232接口与中频设备进行通信，设置功率值和读取中频参数，控制模块将功率信号按照中频加热模块提供通信协议的要求封装成帧，然后传输给中频设备来控制中频的功率；所述控制模块根据晶体和坩埚的几何参数模型实时计算晶体生长的理论重量；所述可编程控制器通过比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，全文均简称PID)控制方法，控制中频加热模块的功率，使得称重模块的称重重量跟随理论重量，达到预定直径生长的目的；上位机电脑用于集中显示晶体的生长状态和进行参数设置。所述的所有通信均采用数字化方式，大大提高了系统的控制精度。
本实用新型上位机可以设置晶体生长过程中的各个参数，包括籽晶半径，放肩角，等径半径，等径长度，晶体密度，熔液密度，坩埚直径，PID参数等等。这些参数通过以太网接口传输给控制模块；同时控制模块通过以太网接口和上位机电脑进行通信，上传各个模块的信息和晶体生长监测数据。以太网总线上可以连接多个控制模块设备，可以对晶体生长控制进行统一监测和管理。如此设置，通过一台上位机电脑与多个下位机控制模块联接，使得对晶体生长的监控更为集中，大大减低设备和人力成本。
本实用新型控制模块通过这些生长参数，实时的计算出晶体生长的理论重量，通过与实际的称重信号进行比较，使用PID的控制方法，控制中频的输出功率，以达到预定直径生长的目的，可以实现放肩、等径、收尾等生长步骤的自动控制。
本实用新型还可以通过无线遥控开关配合控制模块，实现了提拉电机的提拉、下降动作的遥控控制。具有快速和慢速两种速率，大大方便了接种步骤的操作。
本实用新型上位机对晶体生长过程进行实时显示，显示的参数包括：晶体重量、重量差、中频功率、晶体半径、晶体长度等等，同时对这些监控的数据进行记录，方便以后查看和分析。
本实用新型所述控制模块采用不间断电源供电，使得系统发生意外断电的时候，保证可编程控制器还能进行异常处理。当断电等异常情况发生时，上位机会提醒异常发生，如果长时间异常没有得到处理，控制器会自动提拉出晶体，结束生长过程。
本实用新型所述控制模块控制过程中以数字信号的方式传输称重模块获取的称重数据。采用PID控制方式对中频加热模块的功率进行控制，所述控制模块以数字信号的方式传输中频加热模块的功率控制信号，所述控制模块以数字信号的方式与上位机电脑通信。系统的通信均采用数字信号通讯的方式，数字信号抗干扰能力强、准确性高，可以提高系统的控制精度，避免了中频带来的干扰，对于中频加热模块的功率控制来说，还可以避免量化误差，而且可以达到1w的高精度功率控制。
本实用新型所述控制模块采用较为成熟和稳定的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，全文均简称PLC)产品，所述控制模块主要基于所述的可编程控制器，运用梯形图语言和结构化文本(Structured Text，全文简称ST)语言进行编程完成对整个晶体生长过程的自动控制。其中，开关量逻辑控制相关的程序，比如说高速脉冲的输出、快速提拉的设置、上下限位开关信号的读取、遥控提拉和下降信号的读取、串口的设置等等都使用梯形图语言进行编程；涉及到复杂的计算过程的程序，比如说晶体的理论重量计算、PID控制算法的实现等等，这些算法涉及到大量浮点数的乘除和三角函数运算，采用ST语言进行编程。
如图1所示，本实用新型所述晶体提拉模块包括第一电机驱动器和与第一电机驱动器连接的提拉电机，所述提拉电机的转速采用控制模块的高速脉冲输出进行控制。所述晶体旋转模块包括第二电机驱动器和与第二电机驱动器连接的旋转电机，所述旋转电机的转速采用控制模块的高速脉冲输出进行控制。本技术方案通过采用控制模块的高速脉冲输出对提拉电机和旋转电机进行控制，可以获得高精度，同时可以实现电机转速的连续调节。
本实用新型所述晶体提拉模块包括与提拉电机配合的减速电机，所述第一电机驱动器采用双脉冲工作方式，由控制模块输出脉冲给第一电机驱动器，来控制提拉电机的转速。所述晶体旋转模块包括与旋转电机配合的减速电机，所述第二电机驱动器采用双脉冲工作方式，由控制模块输出脉冲给第二电机驱动器，来控制旋转电机的转速。通过采用双脉冲工作方式，同时配合减速电机，可以达到均匀而缓慢的提拉速度，且可以获得很小而稳定的旋转速度。
本实用新型所述提拉电机及旋转电机均采用五相步进电机。五相步进电机具有高稳定性、高效率的特点。
本实用新型所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统还包括安全监控模块，所述安全监控模块通过上位机显示其监测到的异常情况，上位机对异常情况进行报警和记录。通过设置安全监控模块，可以实时发现控制系统的异常，以便及时的采取措施。
本实用新型称重模块采用高精度的数字称，误差为±0.1g。称重模块采用连续的模式以RS485通信方式将称重信号传递给控制模块，称重模块自带的滤波器可以去除噪声的影响，控制模块对获取的数据帧进行解析和校验，获取称重信号。
本实用新型采用高精度的中频加热模块，最小精度为1w。控制模块通过RS232接口和中频加热模块通信，按照中频加热模块的通信协议，将功率信号封装成帧，传输给中频加热模块，达到控制功率的作用。
本实用新型上位机软件采用C++语言进行编程，可以对晶体生长的数据参数进行实时的波形显示，可以查看以前的数据记录，可以对数据参数进行存储，可以对异常情况进行报警和处理，可以设置升温和降温曲线等等。
本实用新型当上位机电脑死机或者上位机软件崩溃时，不影响控制模块对晶体生长的控制。重启电脑，可以从控制模块中恢复现场，继续对生长过程进行监测。
Claims (13)
1.一种全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其包括执行模块及上位机，所述执行模块包括控制温度的中频加热模块、控制晶体提拉速度的晶体提拉模块、控制晶体旋转速度的晶体旋转模块及对生长炉内晶体重量进行测量的称重模块，其特征在于：所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统还包括控制晶体生长及各模块运转的控制模块，所述控制模块与上位机及执行模块分别进行通信连接，所述上位机用于进行生长参数设置和实时监测，所述控制模块与上位机在功能上相互独立，所述控制模块与称重模块通信以获取称重信号，所述控制模块与中频加热模块进行通信以设置功率值和读取中频参数，所述控制模块与上位机电脑通信以上传监测信号和接收操作命令，所述控制模块包括可编程控制器。
2.根据权利要求1所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统包括对控制模块进行供电的不间断电源。
3.根据权利要求1所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述控制模块控制过程中以数字信号的方式传输称重模块获取的称重数据。
4.根据权利要求1所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：采用PID控制方式对中频加热模块的功率进行控制，所述控制模块以数字信号的方式传输中频加热模块的功率控制信号。
5.根据权利要求1所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述控制模块以数字信号的方式与上位机电脑通信。
6.根据权利要求1所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述控制模块主要基于该可编程控制器，运用梯形图语言和ST语言进行编程完成对整个晶体生长过程的自动控制。
7.根据权利要求1所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述晶体提拉模块包括第一电机驱动器和与第一电机驱动器连接的提拉电机，所述提拉电机的转速采用控制模块的高速脉冲输出进行控制。
8.根据权利要求7所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述晶体提拉模块包括与提拉电机配合的减速电机，所述第一电机驱动器采用双脉冲工作方式。
9.根据权利要求7所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述提拉电机采用五相步进电机。
10.根据权利要求1所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述晶体旋转模块包括第二电机驱动器和与第二电机驱动器连接的旋转电机，所述旋转电机的转速采用控制模块的高速脉冲输出进行控制。
11.根据权利要求10所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述晶体旋转模块包括与旋转电机配合的减速电机，所述第二电机驱动器采用双脉冲工作方式。
12.根据权利要求10所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述旋转电机采用五相步进电机。
13.根据权利要求1所述的全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统，其特征在于：所述全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统还包括安全监控模块，所述安全监控模块通过上位机显示其监控到的异常情况，上位机对异常情况进行报警和记录。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |