（控制理论与控制工程专业论文）基于plc的第三代mocvd控制系统研究与设计.pdf

摘要 g a n 系第三代半导体材料在光电、能量装置等方面有着广泛的应用范围和市 场前景，采用m o c v d 技术进行g a n 系材料生长具有明显优势。目前，生产型 m o c v d 系统设备在国内处于空白，大多从国外进口，因此研制具有自主知识产 权的生产型m o c v d 系统设备具有十分重要的战略意义。文本项目来源为国家8 6 3 半导体照明工程，针对西安电子科技大学第三代生产型m o c v d 系统设备，根据 工艺要求，进行了m o c v d 控制系统的研究与设计。 m o c v d 控制系统选用s i m e n ss 7 3 0 0 可编程控制器作为核心控制器，选用 s i m e n sw i n c c 进行上位机监控界面开发。根据控制系统特点和材料生长工艺要求， 进行了下位机p l c 硬件配置组态和软件程序设计。分别设计了手动、自动控制程 序，设计了系统自动运行时的初始化、总体控制、步序控制、循环控制、模拟量 渐变输出、模拟量输入、数字量输入输出、报警及故障处理等子程序。设计了系 统上位机监控界面，新的监控界面直观、形象，操作方便。 m o c v d 设备已投入生产，目前该设备运行情况良好，材料生长正常。实际 运行情况表明，所设计的控制系统抗干扰性强、可靠性高，具有较好的控制精度， 满足m o c v d 设备控制系统要求，保证了材料生长的顺利进行。本文所开展的工 作，对于m o c v d 控制系统的设计和研究具有十分重要的意义，为生产型m o c v d 控制系统的研究和设计奠定了基础。 关键词：m o c v d 控制系统p l cw i n c c a b s t r a c t g a na n di t sa l l o y sh a v eaw i d ea p p l i c a t i o ni np h t o t o e l e c t r i c i t ya n dp o w e rd e v i c e s d u et ot h e i rs p e c i a lc a p a b i l i t y m o c v dh a sb e c o m eah i g h g u a l i t yt e c h n i q u eo fg a n a n di t sa l l o y s s of a r , p r o d u c t i v em o d e lm o c v ds y s t e me q u i p m e n ti si nt h eb l a n k sa t h o m e ，m o s t l ya r ee n t i r e l yi m p o r t e da b r o a d d e v e l o p i n gp r o d u c t i v em o c v ds y s t e m e q u i p m e n tw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t i n gh a sv e r yi m p o r t a n ts t r a t e g i c m e a n i n g s 。t h ep r o j e c to ft h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yc h i n e s e8 6 3s e m i c o n d u c t o r i l l u m i n a t i n ge n g i n e e r i n g s ，a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so fx i d i a n u n i v t h i r dp r o d u c t i v em o c v ds y s t e m ，r e s e a r c ha n dd e s i g no fm o c v d c o n t r o ls y s t e m a r ec a r r i e do u t m o c v dc o n t r o ls y s t e ms e l e c t ss i m e n ss 7 3 0 0p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rf o ru s e a s t h ek e yc o n t r o l l e ra n ds i m e n sw i n c cf o ru s ea ss c a d as y s t e m a c c o r d i n gt ot h e c o n t r o ls y s t e m c h a r a c t e r i s t i ca n dt h er e q u i r m e n to ft h em a t e r i a lg r o w t h ，p l ch a r d w a r e c o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r ep r o g r a mh a v e b e e nc o m p l e t e d t h e m a n u a la n da u t o p r o g r a m sa r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y ，t h e r ea r em a n ys u b p r o g r a m so fa u t op r o g r a m ，s u c ha s i n i t i a l , m a i n ，s t e p ，l o o p ，a l a r m ，m u l t i c h a n n e l t i m e s h a r i n ga n a l o gi n p u t ，a n a l o gr a m p ，a n a l o g o u t p u t ，d i g i t a lo u t p u t e t c t h em a l l m a c h i n el o c a t i o nm a c h i n ec o n t r o l si n t e r f a c e sh a s b e e nd e s i g n e d ，t h en e wc o n t r o li n t e r f a c ei si n t u i t i o n i s t i ca n dv i s u a l i z e ，i ti se a s yt o o p e r a t e m o c v de q u i p m e n th a sa l r e a d yb e e np u ti n t op r o d u c t i o n ，t h es y s t e mh a sb e e n w o r k i n gw e l la n dt h em a t e r i a lg r o w sn o r m a l l y p r a c t i c es h o w s t h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi s s t r o n gi na n t i i n t e r f e r e n c e ，d e p e n d a b i l i t yi s h i g h ，h a v et h eb e t t e rp r e c i s i o no fc o n t r o l ， w h i c hm e e t st h em o c v de q u i p m e n tc o n t r o ls y s t e mr e q u i r e m e n t s ，h a sg u a r a n t e e dt h e m a t e r i a lg r o w t h t h ew o r kl a u n c h e do ft h i st e x t ，h a v ev e r yi m p o r t a n tm e a n i n g st ot h e d e s i g na n ds t u d y i n go fm o c v d c o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rp v o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o r t h ef u r t h e rr e s e a r c ha n dd e s i g no fp r o d u c t i v em o c v ds y s t e m k e y w o r d ：m o c v d c o n t r o ls y s t e mp l cw i n c c 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：生垒塑日期垒畔厶乒 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 同期竺9 尸1 - f 同期坌竺1 2 ：! ：2 第一章引言 第一章引言 g a n 是继硅和砷化镓后的第三代半导体材料，由于具有宽带隙、高发光效率、 高热导率、耐高温、抗辐射和耐腐蚀等特性而成为当今世界的研究热点，用其制 备的蓝光l e d 可广泛应用于高密度信息存储和半导体照明。i i i 族氮化物带隙宽度 相差很大，覆盖从红光到紫外波段，是制作红、黄、绿光二极管，特别是蓝光、 紫外发光二极管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 的理想材料。目前金属有机物化学 气相沉积( m o c v d ，m e t a l l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 设备是能用于g a n 系外延材料生长并且能满足其大规模生产需求的唯一技术。在所有半导体材料制 备技术中，m o c v d 得到的g a n 器件、l e d 和l d 的质量都是最高的。m o c v d 技术在我国起步于2 0 世纪8 0 年代中期，1 9 9 8 年研制出我国第一台低压气动旋转 衬底座m o c v d 设备，目前国内的g a nm o c v d 设备尚处在研究阶段，在生产型 m o c v d 设备制造方面我国现在还是空白，作为材料生长用的m o c 、r d 系统大多 从国外成套进口，设备昂贵，因此研制具有自主知识产权的生产型m o c v d 系统 设备具有十分重要的意义。 1 1g a n 材料及生长技术 在半导体产业的发展中，一般将s i 、g e 称为第一代电子材料；而将g a a s 、i n p 、 g a p 、i n a s 及其合金称为第二代电子材料；宽禁带( e g 2 3 e v ) 半导体材料近年 来发展十分迅速，称为第三代电子材料，主要包括s i c 、z n s e 、金刚石和g a n 等。 同第一代、二代电子材料相比，宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、电子漂移饱 和速度高、介电常数小及导热性能好等特点，利用其特有的禁带宽度可以制作蓝 光、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件【。 进入9 0 年代之后由于材料生长技术和器件工业水平的不断发展和完善，g a n 基器件的发展十分迅速，成为宽禁带半导体材料中的一颗十分耀眼的新星。g a n 系材料非常坚硬，具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学性质非常 稳定和强的抗辐射能力，是研制微电子器件和光电子器件的新型半导体材料，在 蓝、绿光发光器件领域中有着广泛的应用。 g a n 系基材料常用的外延生长方法有气相外延、分子束外延、金属有机物化 学气相沉积3 种【2 1 。 1 氢化物气相外延 氢化物气相外延工作原理是用金属g a 与h c l 反应生成g a c l ，g a c i 再与n h 3 反应生成g a n 。其优点是生长速率快，不低于5 0 1 a m h ，有的高达1 0 0 1 a m h - 1 5 0 1 a m h 。 缺点是g a n 在h c i 中不稳定，且h c i 对设备产生腐蚀，h c i 与n h 3 的副反应生成 基- j - p l c 的第三代m o c v d 控制系统研究与设计 n h 4 c 1 固体颗粒混在膜中损害泵，特别是不能用于生长i n g a n 等三元膜和异质结。 2 气态源分子束外延 气态源分子束外延是将金属g a 加热蒸发形成分子束，用n h 3 做氮源，为了使 n h 3 离解而采用电子回旋共振枪( e c r ：e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e ) 。其优点是 低温( 小于7 0 0 ) 生长，避免了热扩散问题，生长的g a n 晶体质量好，生长后 也不需要热处理，缺点是生长速率慢、产量低、设备价格昂贵，需要超真空。 3 金属有机物化学气相沉积( m o c v d ：m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ) 金属有机物化学气相沉积是用三甲基镓( t m g a ) 或三乙基镓( t e g a ) 等m o 源与n h 3 在高温下反应生成g a n 。与气态源分子束外延相比，m o c v d 设备造价 低、生产效率高、更适合批量生产。因此，目前唯一能用于g a n 基材料外延生长， 特别是i n g a n 活性层制备的工艺仍然只有m o c v d 。 1 2m o c v d 技术特点 金属有机物化学气相沉积( m o c v d ：m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ) 。是用三甲基镓( t m g a ) 或三乙基镓( t e g a ) 等m o 源与n h 3 在高 温下反应生成g a n 。与气态源分子束外延相比，设备造价低、生产效率高、更适 合批量生产。m o c v d 技术日益受到人们的广泛重视，主要是由于它具有下列一 些显著的特点【3 j ： ( 1 ) 可以合成组分按任意比例组成的人工合成材料，形成厚度精确控制到原子 级的薄膜，从而又可以制成各种薄膜结构型材料。可以说，m o c v d 技术最终解 决了人类对无机功能材料或器件结构型材料的需求问题。这是因为，从理论上讲， 有机物能同元素周期表上的全部元素，包括金属和非金属元素化合形成有机化合 物，且在较低的温度下成为汽态，气体能以最快的速度均匀混合，而反应产物除 合成的材料外均为挥发性气体。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制 外延层的成分、导电类型、载流子浓度和厚度等特性。 ( 2 ) 可制成大面积均匀薄膜。这表明m o c v d 技术是典型的容易产业化的技 术。因为材料生长的速度是由生长材料表面上反应的分子密度或浓度决定的，在 一定温度下气体分子密度是由气体压强唯一地决定。由气体的基本性质知道，生 产材料表面的均匀压强及气体中快速的材料输运过程保证了m o c v d 技术同其他 任何外延技术相比，可制得更大面积、更均匀的薄膜。 ( 3 ) 纯净的材料生长技术。不使用液体容器及低温生长的气相反应，使得污染 来源减到了最少，而且有机源特有的提纯技术使得m o c v d 技术比其他半导体材 料生长技术生长的材料纯度提高了一个数量级。 第一章引言 h ) 灵活的气体源路控制技术。气体源路的快速切换技术、生长过程编程全自 动控制，使得人的随机因素影响减至最小且重复性很好，晶体的生长速率与i i i 族 源的供给量成正比，因而改变输运量，就可以大幅度地改变外延生长速度。 ( 5 ) 低气压外延生长是m o c v d 技术中报有特色的技术。低气压外延生长提高 了生长薄层的控制精度，能减少自掺杂，有希望在衬底上进行窄过渡层的外延生 长，能减少外延生长过程的存储效应和过渡效应，从而获得衬底外延层界面杂质 分布更陡的外延层。 1 3m o c v d 系统原理 金属有机物化学气相淀积技术中，“金属有机物”是指所用的生长源的材料为 金属有机化合物，“化学”是指发生化学反应，“气相”是指原材料以气柏的状态 进入反应室发生反应，“淀积”是指反应后生长的半导体材料分子沉积在村底表面 的过程。 m o c v d 生长系统结构如图l1 ”惭示，会属有机化合物被保存在一个有喷水 武戗水口的容器内，容器内的温度可以被精确控制。在生长过程中，首先通过拄 制m o 源容器的温度使化合物处于溶化状态，然后利用载气( 氦气或氢气) 通过 m o 源容器使其携带m o 1 5 i ，以低压气流方式进入高温反应室的环境中，m o 源和 反应气体在反应宅中分解并沉积在高温衬底表皿，形成1 1 1 v 族化台物半导体品体 外延层( 如a i g a a s 、l n g a a s p 、l n g a n 和类似的化合物) 。 幽1i m o c v d 系统结构幽 在g a n 材料生长中，一般是将三镓基t m g a 和氨气n h 3 同时引入反应室发生 反应，反应后生长的g a n 材料沉积到高温衬底上( 村底通常为筛宝石，衬底温度 4 基于p l c 的第三代m o c v d 控制系统研究与设计 通常为8 0 0 1 0 0 0 。c ) 。 m o c v d 系统的主要特性和参数 4 1 ： 生长用源材料： m o 源：t m g a ，t m a l ，t m i n n 源：n h 3 ， 杂质源：s i l l 4 ( n 型掺杂) ，m g 源( p 型掺杂) 生长温度：9 5 0 1 0 2 5 。c 加热源：r f 感应加热器，i r ( 红外) 灯 载气：h 2 或n 2 圆片尺寸：2 英寸，4 英寸等。 1 4m o c v d 设备发展现状 在半导体研究和丌发中，一代设备推出一代技术，一代技术推出一代产品。 m o c v d 技术的实现主要依赖于先进、昂贵的设备和仪器，而且m o c v d 设备是高 新技术密集型综合性产品，技术十分复杂，投资强度需求巨大。 目前国际上生产m o c v d 设备的厂家以德国a i x t r o n 公司和美国e m c o r e 两 家公司最为著名。他们生产的a i x 2 4 0 0 型、g s 3 2 0 0 型等系列m o c v d 设备已经成 功用于各类异质结、量子阱、超品格等优质外延片的生产，在光电材料l e d 方面， 高亮度红色、橙色、黄色、绿色、蓝色l e d 能进行大批量商业化生产。同本一直 处于m o c v d 技术、设备及器件的领先地位，但由于技术封锁、m o c v d 对环境的 污染、源材料配套等方面的原因，其生产型m o c v d 设备仅局限于同本国内实验室 研究和小规模生产，近年来有报到日本和韩国都在致力于进军m o c v d 设备国际供 应市场【5 j 1 6 j 。 我国的m o c v d 设备的研制起步于8 0 年代初，从事m o c v d 技术的研究仅有十 几年历史，少数院校，像中科院西安光机所，西安电子科技大学，长沙4 8 所等已 经自行设计和制造了m o c v d 设备，但是都属于科研性质的设备，大多数科研院校 和公司则采取引进国外先进的m o c v d 设备进行m o c v d 技术的研究和高质量外 延片的批量生产工作，生产型m o c v d 设备当前在我们国家来说还是空白，因此研 制具有自主知识产权的生产型m o c v d 设备有着非常重要的战略意义。 1 5 本文的主要工作 随着第三代半导体材料的发展和应用，g a n 系材料由于其独特的性能，在光电、 能量装置等方面有着良好的应用前景，g a n 基l e d 是一种耐高温、抗高频、抗辐射 及抗腐蚀的光电子器件，在国民经济的众多领域具有广泛的应用前景，成为半导 第一章引言 5 体领域新崛起的研究热点和经济成长点。m o c v d 设备是半导体材料研究和生产的 重要手段，作为微电子工业半导体结构材料批量化生产设备，其高质量、稳定性、 重复性及规模化是其他的半导体材料生长设备无法替代的。但是作为材料生长的 生产型m o c v d 设备系统大多从国外成套进口，研究领域和生长性能方面受到极大 的限制，研制具有自主知识产权的生产型m o c v d 设备系统具有十分重要的战略意 义。 本文研究的项目来源于国家8 6 3 半导体照明工程重点项目：g a n m o c v d 深紫 外l e d 材料生长设备。在第二代m o c v d 控制系统【7 】( 3 h l 型) 的基础上，针对于 第二代的控制系统的优点有了充分继承，对于第二代的不足有了很好的改进。根 据新的m o c v d 系统工艺要求，进行了控制系统的研究和设计。研究设计工作主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 根据m o c v d 控制系统的要求，对该系统的控制方案进行了研究和讨论。 详细研究了当前流行的集散控制系统、现场总线控制系统、p l c 可编程控制系统 的特点及应用，介绍了m o c v di 艺流程及控制系统特点，并确定可编程控制控 制系统为m o c v d 控制系统方案。 ( 2 ) 对m o c v d 控制系统的总体结构进行了具体详细的分析设计，主要包括 p l c 的选型分析和资源配置，p l c 硬件配置组态设计及p l c 输入输出模块设计， 反应室部分控制系统设计分析，并且对控制柜的仪表接线设计和系统抗干扰的设 计作了讨论和分析。 ( 3 ) 针对于控制系统的工艺要求，详细分析了系统的软件设计。系统设计有手 动、自动控制程序。手动控制时，支持设备调试及材料生长中一对一的控制需要。 自动控制时，m o c v d 主控制系统主要设计了系统的初始化、步序控制、循环控 制、模拟量输入输出控制、渐变爬升控制、数字量输入输出控制、报警故障处理 等子程序。设计中采用了顺序控制的方法来控制循环步序之间的转换，解决了 m o c v d 系统材料生长工艺多，循环复杂的问题；设计了模拟量渐变处理子程序， 有效的降低了仪器仪表冲击的可能性，并且还添加了保护程序；采用s 7 2 0 0 和 o p 7 7 b 进行反应室控制系统设计，来控制反应室的安全门和升降台的升降，使系 统更加安全可靠。 ( 4 ) 采用w i n c c 6 0 组态软件设计直观、形象、易操作的上位机监控界面系统， 包括主监控界面设计、数字阀和模拟量阀操作控制画面等。详细介绍了m o c v d 监控界面系统的功能，监控界面的设计实现，以及反应室控制o p 7 7 b 操作控制面 板的界面组态设计。 西安电子科技大学第三代生产型m o c v d 设备系统已投入生产，设备运行良 好，材料生长正常。所研制的m o c v d 控制系统具有高可靠性、抗干扰能力强、 操作方便、控制精度高等特点，满足m o c v d 控制要求，保证了材料生长的顺利 6 基于p l c 的第三代m o c v d 控制系统研究与设计 进行。 课题研究的目的就是能够研制出具有自主知识产权的生产型( 6 片型) g a n m o c v d 设备控制系统设计和制造技术。研究和开发具有自主知识产权的生产型 g a nm o c v d 设备能够大大的降低g a n 系外延材料的生产成本，并且有利于的设备 的维护和改进，打破国外技术垄断。对于促进国内半导体行业的发展，特别是第 三代半导体材料的迅速发展，尤其是g a n 系材料的发展应用，对于国内生产型 m o c v d 设备制造技术的提高都具有很大的推动作用，为生产型m o c v d 设备控制 系统的研究和设计奠定了坚实的基础。 第二章控制系统研究 7 第二章控制系统研究 本章首先介绍了集散控制系统、现场总线控制系统和p l c 控制系统的特点及 应用，介绍了m o c v d 系统的工艺流程和控制系统特点，然后根据m o c v d 控制 系统工艺的特点和要求，讨论确定具体的m o c v d 控制系统方案。 ， 2 1d c s 与f c s 计算机应用于工业过程控制有各种各样的结构和形式，实现各自不同的功能。 按其功能作用来分，可分为上位机、下位机。下位机包含各种开环控制和闭环控 制，上位机为监控组态界面。由上、下位机组成的分布式控制系统( d c s ) 或者 叫集散控制系统；由上、下位机和现场总线组成的现场总线控制系统( f c s ) ，现 场总线控制系统( f c s ) 是在集散控制系统( d c s ) 的基础上产生的，二者是继承 和发展的关系悼j 。 2 1 2d c s 计算机集散控制系统 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 计算机集散控制系统【8 】【9 】【10 1 ，又名分布式控 制系统，以下位机分散控制为主，上位机信息管理为辅，但由于其发展迅速，系 统庞大，逐渐加强上位信息管理，即分布控制、集中管理，故又改称集散控制系 统，集散控制系统结构如图2 1 所示。 分散过 图2 1 集散控制系统 集散控制系统从结构来看，是分阶梯的分布式结构，灵活易变，易扩展。它 具有较强的分散功能，各个局部系统都能独立工作，各个局部系统之间的信息通 过高速数据总线进行通信。从控制的功能来看，集散控制系统大部分表现出阶梯 8 基于p l c 的第三代m o c v d 控制系统研究与设计 控制的思想，即整个系统分为优化控制管理级( 上位机) 和过程控制管理级( 下 位机) 。下位机完成对象基本控制要求，达到平衡操作的目标。上位机完成各单位 之间协调管理或控制优化工作，还可以同更上一级的计算机系统( 网络) 实现通 信。集散控制系统的特点是： ( 1 ) 硬件积木化。d c s 采用积木化硬件组装式结构，如果要扩大或缩小系统的 规模，只需按要求在系统配置中增加或拆除部分单元，而系统不受影响。 ( 2 ) 软件模块化。d c s 为用户提供了丰富的功能软件，用户只需按要求选用即 可，大大减少了用户的开发工作量。 ( 3 ) 通信网络的应用。通信网络是d c s 的神经中枢，它将物理上分散的多台 计算机有机地连接起来，实现了相互协调、资源共享的集中管理。通过高速数据 通信线，将现场控制站、操作员站、工程师站、监控计算机、管理计算机连接起 来，构成多级控制。 ( 4 ) 可靠性高。d c s 的可靠性高，体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、 抗干扰措施和高性能的部件。 但由于集散控制系统的采集、控制是一对一的物理连接，且大多进行的是模 拟量通信传输，造成了物理电缆过多，模拟传送抗干扰能力差、可靠性低，因此 更先进的f c s 现场总线控制系统应运而生。 2 1 3f c s 现场总线控制系统 随着微电子技术、大规模集成电路技术的发展，计算机控制系统中信息交换 的范围已逐渐覆盖了从设备、工段、车间、工厂到企业集团乃至国内外市场。要 实现整个企业的信息集成，实施企业综合自动化，就必须设计出一种能在工业现 场环境运行且性能可靠、造价低廉、具有通信功能的测控设备，形成工厂底层网 络，完成现场自动化设备之间的数字通信，并实现底层现场设备之间，生产现场 与外部设备之间的信息交换。现场总线正是顺应这种形势的需要发展起来的新技 术，它是现场通信网络与控制系统的集成。 所谓现场总线，是指将现场设备( 如数字传感器、变送器、仪表与执行结构 等) 与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字话、 分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。f c s t 8 】【9 】 1 0 】 ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 现场总线控制系统技术是集当今计算机技术、网络技 术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术，适用于工业过程控制、制 造业及楼宇自动化等领域。现场总线技术提高了控制系统的信息处理能力和运行 可靠性，节省了系统的硬件和布线费用，方便了用户对系统的组态、管理和维护。 其结构框图如图2 2 所示。 第二章控制系统研究9 下 图2 2 现场总线控制系统 现场总线控制系统的特点： ( 1 ) 全数字化。在采用f c s 的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自 动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性 也能提高控制系统的可靠性。 ( 2 ) 全分布。在f c s 中各现场设备有足够的自主性，彼此之间相互通信，完 全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实 现真正的分布式控制。 ( 3 ) 自诊断。现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到 中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的仪表中是做不到的。 ( 4 ) 多功能仪表。数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功 能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量的变送器，甚至集 检测、运算、控制于一体的变送控制器。 ( 5 ) 智能化与自治性。现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信 息，具有很高的智能，能在部件甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整 个控制系统的可靠性和容错能力。 2 2p l c 可编程控制系统 随着微处理器、计算机和数字通信技术的的飞速发展，计算机控制已经广泛 地应用在几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应， 生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一需求， 生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制 器( p r o g r a m m a l b el o g i cc o n t r o l l e r ) 简称为p l c t l l 】，正是顺应这一需求出现的， 它是以微处理器为基础的通用工业控制装置，已经成为当代工业自动化的支柱之 一，在工业生产中得到了广泛的应用。 l o基于p l c 的第三代m o c v d 控制系统研究与设计 2 2 1 可编程控制器定义 可编程控制器，简称p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，是指以计算机技 术为基础的新型工业控制装置。在1 9 8 7 年国际电工委员会( i n t e m a t i o n a le l e c t r i c a l c o m m i t t e e ) 颁布的p l c 标准草案中对p l c 做了如下定义：“p l c 是一种专门为在 工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储 器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作 的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过 程。p l c 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于 扩展其功能的原则而设计”。 2 2 2p l c 的特点 可编程控制器p l c 的特点如下f 1 1 】【12 1 ： ( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技 术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的 可靠性。从p l c 的机外电路来说，使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电接 触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大 大降低。 p l c 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用 软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除p l c 以外的 电路及设备也获得故障自诊断保护。 ( 2 ) 硬件配套齐全，用户使用方便。 p l c 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于 各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代p l c 大多具有完善的数 据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来p l c 的功能单元大量涌现，用户 可以灵活方便的进行系统配置，组成不同功能不规模的系统，使p l c 渗透到了位 置控制、温度控制等各种工业控制中。加上p l c 通信能力的增强及人机监控界面 技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 ( 3 ) 易学易用，深受工程技术人员欢迎。 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易， 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器 电路图相当接近，只用p l c 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器 电路的功能。 ( 4 ) 系统的设计、安装、调试工作量小。 第二章控制系统研究 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设 备通过改变程序从而改变生产过程成为可能。 p l c 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间节电器、时间继电器和 计数器等器件，使控制柜的设计、安装、配线、维修的工作量大大减少。p l c 的 梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计，这种设计方法很有规律，很容易掌握。 可以在实验室模拟调试p l c 的用户程序，用小开关来模拟输入信号，通过个 输出点的发光二极管来观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现 场调试过程中，一般通过修改程序就可以解决发现的问题，系统的调试时间比继 电器系统要少得多。 ( 5 ) 体积小，重量轻，能耗低。 以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺寸小于1 0 0 m m ，重量小于1 5 0 9 ， 功耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制 设备。 2 2 3p l c 控制系统的应用 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳 为如下几类 1 3 】。 ( 1 ) 开关量的逻辑控制 这是p l c 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑 控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。 如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等 ( 2 ) 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和 速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量 之间的a d 转换及d a 转换。p l c 厂家都生产配套a d 和d a 转换模块，使可 编程控制器用于模拟量控制。 ( 3 ) 运动控制 p l c 使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运功的位置、速度 和加速度进行控制，可以实现单轴。双轴和多轴联动的位置控制，使运动控制与 顺序控制功能有机结合在一起。p l c 的运动控制功能广泛应用于各种机械，例如 金属切削机床、金属成型机械、装配机械、机器人、电梯等场合。 ( 4 ) 闭环过程控制 1 2基于p l c 的第三代m o c v d 控制系统研究与设计 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算 机，p l c 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。p t d 调节是一般闭环 控制系统中用得较多的调节方法。大中型p l c 都有p i d 模块，目前许多小型p l c 也具有此功能模块。 ( 5 ) 数据处理 现代p l c 具有数学运算( 含矩阵运算、函数运算、逻辑运算) 、数据传送、数 据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些 数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通 信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系 统，如无人控制的柔性制造系统。 ( 6 ) 通信及联网 p l c 通信含p l c 间的通信及p l c 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制 的发展，工厂自动化网络发展得很快，各p l c 厂商都十分重视p l c 的通信功能， 纷纷推出各自的网络系统。新近生产的p l c 都具有通信接口，通信非常方便。 2 3m o c v d 工艺流程与控制系统特点 金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 工艺属于化学制膜工艺，它是将源物质 加热使其挥发，形成一束含有薄膜组成成份的金属有机化合物气体，在衬底上发 生化学反应，形成固态薄膜。是经由气流传输反应物到材料基板上，以气阀控制 气流，通过气体管路系统的特殊设计，降低材料生长速率，精确控制材料实现超 晶格材料( 超薄且化合物材料组分可控) 成长的需求。 2 3 1m o c v d 工艺流程 ( 1 ) 样片生长的基本步骤l i 叫：衬底清洗；检查加热系统和冷却系统；反应室抽 真空；打开气体系统；流入h z 气；运行程序，用程序控制流速、设定时间、设定 压力和阀门系统。 ( 2 ) 生长后处理步骤【i q j ：关闭n h 3 和m o 源；排出反应室中的废气，然后用 n 2 将反应室填充到大气压以上，为了在取出样片的时候其它气体不会从外界进入 反应室；从反应室中取出样片，然后放入新的衬底，再次启动系统或者结束生长。 为了得到最高质量的g a n 薄膜，需要确定最优的生长条件组合，可以调整的 生长条件有：载气流速、缓冲层厚度( 缓冲层生长时间一般在4 0 到1 2 5 秒之间变 化) 和缓冲层生长温度( 一般在5 2 5 到5 4 5 之间变化) 。 ( 3 ) 工艺控制流程图：m o c v d 系统的工艺非常复杂，完成上面所述的每一生 长步骤，都对应着控制系统的大量的数据处理过程，电磁阀的开、关，流量、压 第二章控制系统研究1 3 力控制阀的开度控制，异常信号的处理以及数据的采集等【”】，这些操作都要在当 前生长步骤在材料生长工艺里规定的运行时间内完成。整个材料生长过程的总体 工艺流程图如图2 3 所示。 2 3 2m o c v d 控制系统特点 图2 3 工艺流程图 m o c v d 设备是集成了精密机械、电子、物理、光学、化学、计算机、自动化 等学科的大型综合设备，m o c v d 控制系统的特点为【1 6 】： ( 1 ) 控制对象复杂。包括电磁阀、反应室温度、气路气流压力、压差、流量、 反应室底座旋转、反应室的升降、温度检测和控制等。 ( 2 ) 控制量大。以本文中的m o c v d 控制系统为例：有数字量2 0 0 多点，模拟量 1 0 0 多点。 ( 3 ) 控制精度高。例如反应室基片温度、气路流量、反应室压力这些关键参数 的控制精度对外延片的均匀性、光学特性、结晶质量有着直接的影响。 ( 4 ) 自动化程度高。当工艺开始后，反应室的温度和压力、气路流量和压力的 1 4 基于p l c 的第三代m o c v d 控制系统研究与设计 渐变，电磁阀的开关等完全自动控制，同时每一步的工艺数据都要经过下位机p l c 采集并显示在上位机监控界面，由自动运行程序判断当前状态是否正常，并确定 下一步工艺是否继续。 2 4m o c v d 控制系统方案选型 m o c v d 控制系统的特点要求m o c v d 控制系统既要能完成控制系统的步序 运行，步序间的互锁和故障报警处理功能；又要能完成现场数据采集，实时的显 示工艺流程和工艺参数。综合考虑后最终确定在m o c v d 控制系统中选择p l c 控 制系统作为m o c v d 控制方案【17 1 ，这是基于以下目的考虑的。 ( 1 ) 集散控制系统( d c s ) 是由单回路仪表控制系统发展而来的，所以它在模 拟量处理、回路调节方面具有一定优势，但由于集散控制系统的采集和控制都是 一对一的物理连接，大多进行的是模拟量通信传输，这样会造成物理电缆过多、 模拟传送干扰能力差、可靠性降低等缺点，m o c v d 控制系统中数字量控制较多， 而且仅需单机控制，没有涉及到大型网络控制、多机互联等复杂控制，另外考虑 到d c s 的成本和d c s 系统的应用范围，放弃了集散控制系统。 ( 2 ) p l c 控制系统和f c s 系统都适合作为m o c v d 控制系统的要求，f c s 顺 应了工业自动化控制系统的发展潮流，f c s 是个很合适的选择。但是考虑到 m o c v d 控制系统的实际特点，需要控制的数字点和模拟点总共不到2 0 0 点，整 个系统不大而且要求开发成本很低，上位机监控界面系统、下位机p l c 控制系统 和实际控制现场设备、反应室在一起，距离很近。而且现在很多厂家的p l c 都自 带f c s 通讯系统，例如西门子的p r o f i b u s 现场总线通讯方式，如果需要，系统加 一些模块就可以升级为f c s 控制系统，所以最终还是选择p l c 控制系统方案实现 m o c v d 控制系统的控制，p l c 选择西门子s 7 3 0 0 、s 7 2 0 0 作为控制器。 2 5 本章小结 本章对于目前工业控制上比较流行的集散控制系统、现场总线控制系统、p l c 控制系统等的特点作了分析，主要对p l c 控制系统作了详细介绍。针对于m o c v d 系统的工艺流程特点和工业可靠性的考虑，最终选用p l c 控制系统作为