（机械电子工程专业论文）kdp晶体生长机电控制系统可靠性研究.pdf

摘要 在长期的人工晶体生长研究实践中，晶体生长控制系统的高可靠性，向来 是保证晶体生长质量的最基本前提。目前随着材料科学和现代科技的进步，人 们对晶体生长质量要求越来越严格，对晶体生长控制系统可靠性的要求也随之 提高。挪歼究在详细分析晶体生长控制系统运行机理的基础上，从该系统的硬 件构成和软件程序控制两个方面综合考虑，探讨如何提高系统的可靠性。 f 本研究首先根据系统硬件组成的特点，在软件程序开发中应用了容错技术。 针对部分组成元件可能出现故障的预见性，采用硬件冗余设计，实现了出现故 障时备用器件的自动切换，而不影响系统的正常运行。在实现硬件冗余设计的 基础上，本研究对系统自身的运行状况也进行了必要监控：程序中添加了故障 报警以及故障信息( 如电机意外停机、加热器断路等) 的输出等功能。同时， 本研究实现了电机正反转的动作控制要求，去除了系统中的换向器环节，进一 步提高了系统的可靠性。 软件程序设计则主要针对晶体溶液温度、饱和度的信号采样、溶解度与过 饱和度计算以及温度控制等。鉴于信号采样处理在整个系统运算中的重要地位， 本研究提出了多点同时采样、信号综合处理的采样方法。这一方法在实际软件 程序开发中予以运用，为下一步溶解度及过饱和度的计算输出，提供了较精确 的基本运算数据。针对温度控制中时间上的滞后现象，本研究改进了p i d 算法， 提出了时滞极点配置自校正p i d 控制算法，消除了p i d 算式特征方程中滞后项 造成的影响，较好地解决了时间滞后造成的不良影响。此外，采用“四点中心 差分法”对偏差计算数据进行了“平滑”处理，并在微分项引入了滤波环节， 从软件设计方面减小了外界噪声的干扰。、，一 关键词：晶体生长、可靠性、p l c 、控制系统、p i d _ _ 。 一 ! 銮奎兰堡主主垡鎏塞 a b s t r a c t t h e h i 【g hr e l i a b i l i t yf o r t h ec o n t r o ls y s t e mo f c r y s t a l g r o w t hh a sa l w a y sb e e nt h e m o s tb a s i cp r e c o n d i t i o nf o rt h eh i g hq u a l i t yo f c r y s t a ld u r i n gt h el o n g t e r ms t u d yo f t h ea r t i f i c i a l c r y s t a lg r o w t h w i t ht h ed e v e l o p i n go fm a t e r i a ls c i e n c ea n dm o d e m t e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to f t h eq u a l i t yo fc r y s t a li sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e s t r i c t ，s oi st h a to f t h er e l i a b i l i t yo f t h ec o n t r o ls y s t e mo f c r y s t a lg r o w t h t om e e tt h e n e e do f i t ，o n t h eb a s i so f a n a l y z i n g i nd e t a i lt h er u n m e c h a n i s mo ft h e m e c h a n i c a l - e l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m o f c r y s t a lg r o w t h ，f r o m b o t hh a r d w a r e c o m p o s i t i o na n d s o f t w a r e p r o g r a mc o n t r o l ，t h i s r e s e a r c ht r i e st o i m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo f t h e c o n t r o ls y s t e m o f c r y s t a lg r o w t h a c c o r d i n gt ot h ec o m p o s i t i o n a lf e a t u r ef o rt h eh a r d w a r eo f t h es y s t e m ，f a u l t - t o l e r a n c et e c h n i q u ei sa p p l i e di nt h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r ep r o g r a m ：f o rt h e m a l f u n c t i o n so fs o m e c o m p o n e n t s o ft h e s y s t e m a r e f o r e s e e a b l e ，h a r d w a r e r e d u n d a n c yh a sb e e nd e s i g n e d a n d ，i nt h i sr e s e a r c h , a u t o m a t i cs w i t c ho f t h es p a r e e l e m e n t si sr e a l i z e dw i t h o u ti n f l u e n c i n gt h er u no ft h es y s t e mw h e nm a l f u n c t i o n s o c c r r o nt h eb a s i so ft h eh a r d w a r er e d u n d a n c y , t h er u no ft h es y s t e mi sa l s o n e c e s s a r i l ym o n i t o r e di ns o f h t a l - ep r o g r a m , t h a ti s ，g i v i n ga l a r ma n dp r i n t i n gt h e m e s s a g eo fm a l f u n c t i o n s ( s u c ha si n c i d e n t a lo u to fp o w e r o ft h em o t o ra n dh e a t e r t u r n o 国a n d ，w h a ti st h em o s ti m p o r t a n t ，t h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v er o t a t i o n sf o rt h e m o t o rh a v eb e e nr e a l i z e da n dt h ec o m m u t a t o ri nt h es y s t e mb e e nr e m o v e dt o i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m t h ed e s i g no ft h es o f t w a r ep r o g r a m m a i n l yd e a l sw i t ht h es i g n a ls a m p l i n go f t h et e m p e r a t u r ea n dt h es a t u r a t i o no ft h ec r y s t a ls o l u t i o n ，t h ec a l c u l a t i o no ft h e s o l u b i l i t y a n ds u p e r s a t u r a t i o n ，a n dt h ec o n t r o lo ft h es o l u t i o nt e m p e r a t u r ee t c u ：! ! 奎奎耋堡! 兰堡堕塞= ：= = ： ： b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n c eo fd e a l i n gw i t ht h es a m p l e ds i g n a l ，t h en e ws a m p l i n g w a yo fm u l t i s i g n a lh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c ha p p l i e di nt h ep r o g r a mc a np r o v i d e a c c u r a t ed a t af o rt h ec a l c u l a t i o no ft h es o l u b i l i t ya n ds u p e r s a t u r a t i o no ft h ec r y s t a l s o l u t i o n a sf o rt h ep r o b l e mo fl a gi nt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，t h ep i da l g o r i t h mh a s b e e n i m p r o v e d ，b yr e p l a c i n g i tw i t ht h en e w a l g o r i t h m f o rt h e t i m e - l a g a c m e c o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n f o r e c a s tp i d c o n t r o la l g o r i t h ma n d e l i m i n a t i n gt h e l a ge x i s t i n gi nt h ec h a r a c t e r - e q u a t i o no fp i df o r m u l a ，t oa v o i dt h eb a di n f l u e n c e c a u s e db yt h el a g a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o do f “f o u rp o i n tc e n t e rd i f f e r e n c e h a sb e e nu s e dt o “s m o o t h ”t h ed a t ao ft h ee r r o rc a l c u l a t i o n ，a n dt h ef i l t e ri n 仃o d u c e d i n t 0t h ed i f f e r e n t i a li t e mt od e c r e a s eh a r m f u l i n f l u e n c e so f e x t e r i o rn o i s e s k e y w o r d s ：c r y s t a lg r o w t h ，m l i a b i l i t y , p l c ，c o n t r o ls y s t e m ，p i d 1 1 1 东大学硕士学位论文 溶质的摩尔分数 固体摩尔溶解热 绝对温度 气体常量 晶体的熔点 饱和曲线 溶解度 溶液的实际浓度 溶液平衡饱和浓度 浓度驱动力 采样温度 溶液平衡温度 溶液过冷度 过饱和比 过饱和度 比例项 积分项 微分项 积分和 设定值 过程变量值 符号说明 比例系数 积分系数 微分系数 积分时间 微分时间 采样周期 增益 纯滞后时间 滞后因子 滞后项 期望设定值 衰减率 自然振荡频率 采样时间 遗忘因子 标准化实数值 原值 刻度实数值 输出值 值域大小 增量值 符号中涉及到的主要单位，温度：摄氏度( 。c ) ，溶液浓度质量：克( g ) ， 时间：秒( s ) ，振荡频率：弧度秒( r a d s ) 。 i v 髟巧如l毛r k d一一”；i p k k 心跏瓣 。埘r r瓦口啪。缸，乇出。盯帔帆坳脚跟睨 1 绪论 1 1 概述 长期以来，如何有效控制晶体的生长，获得大尺寸、高质量的晶体材料一 直是倍受关注的焦点之一【lj ，鉴于提高晶体生长系统的可靠性是保证晶体生长 顺利进行的重要措施，本研究课题针对磷酸二氢钾k h 2 p 0 4 ( p o t a s s i u m d i h y d r o g e np h o s p h a t e ，k d p ) 晶体生长装置机电控制系统，综合考虑系统的硬 件构成和软件开发两个方面，对该系统的可靠性进行了分析研究，以提高长周 期晶体生长过程的可靠性为控制目标，保证晶体生长装置长出大尺寸、高质量 的晶体材料。 1 2 晶体生长控制系统运行机理 晶体生长机电控制系统装置主要由以下四部分组成j j ：育晶器、溶液槽l 、 溶液槽2 和溶液槽3 晶体生长机电控制系统的结构如图1 1 所示。温度是晶 体溶液的重要参数之一，由于溶液槽3 与溶液槽l 之间不具有温度可比性，所 以，四个槽之间的温度分两个部分进行比较：其一，溶液槽溶液槽1 育晶 器；其二，溶液檀溶液槽3 育晶器。 溶液槽i 中过剩的溶质原料在不断地搅拌下溶解，使溶液在高于育晶器温 度的条件下饱和，然后进入溶液槽2 。溶液槽2 的温度通常要求高于育晶器的 温度5 1 0 。c ，以便能够充分溶解从溶液槽1 流入的细小晶体颗粒，提高溶液 的稳定性。溶液槽2 中的溶液经过虑器环节由动力泵打入溶液槽3 ，溶液槽3 起着平衡缓冲的作用，使溶液在该槽中尽可能达到最佳的稳定状态，最后，溶 液由溶液槽3 进入育晶器，这时育晶器中的溶液处于过饱和状态，为晶体生长 提供驱动力。伴随着育晶器中晶体的生长，处于亚饱和状态的溶液流回到溶液 槽l 溶解原料，使溶液重新达到饱和，经进一步过热与平衡后，再次使育晶器 生圣奎耋堡圭耋堡垒塞 中的溶液达到过饱和，溶液如此循环流动，晶体不断生长。 图l - l 晶体生长机电控制系统结构示意图 四个溶液槽中溶液槽l 、溶液槽2 和溶液槽3 的溶液均处于饱和状态，只 有育晶器中的溶液过饱和。四个槽中除溶液槽3 外，其它三个槽均需要进行饱 和度以及温度的测量，同时，溶液槽l 与溶液槽2 还需要通过控制加热器对溶 液进行加热。 1 3 系统的控制要点 1 3 1 溶液过饱和度控制 由于k d p 晶体有较高的溶解度温度系数，因而降温法成为k d p 晶体生长 常用的重要方法之，通过这种方法可以获得较大尺寸的晶体。目前，美国的 l l n l 快速生长法即是采用降温法【3 j 。传统的降温法【4 l 通常依据晶体的截面积与 2 晶体生长溶液的体积比( 即体面比) 、生长温度等参数调节降温速率，以实现对 晶体生长过程的控制。然而，在溶液连续降温的过程中，晶体的生长最并不总 是能够与溶液温度降低应该产生的溶质析出量相匹配。当晶体的生长速率，低 于降温造成的过饱和度增加速率的时候，不可避免地形成溶液中过饱和度的逐 渐积累1 5 】，造成晶体的生长速率不一致，影响晶体的生长质量。 只有当降温速率较慢或生长速率较低时，过饱和度的波动较小，可以生长 出符合质量要求的晶体。当降温速率较快时，过饱和度的波动则较大，可能导 致不同生长层的形成，影响晶体的质量，严重时还会形成包藏，使晶体不能透 明生长。如果晶体生长溶液中出现杂晶，溶液的过饱和度以及晶体的生长速率 则更加难于控制。 从溶液中生长晶体，最关键的因素是控制溶液的过饱和度吼因此，要提 高晶体的生长质量和生长速率，需要对晶体生长溶液的浓度和过饱和度进行实 时的测量与控制。 1 3 2 溶液饱和度测量及计算 由于溶液的实际浓度是确定溶液过饱和度大小的重要参数之一，所以有必 要对溶液浓度进行实时测量。目前对晶体生长溶液浓度和过饱和度进行实时 测量，常用的方法是1 6 ：从晶体生长容器中提取溶液样本，用称重法直接测量： 或者采用光学方法( 纹影法) 测量溶液的饱和点，然后根据晶体溶液的溶解度 曲线确定其浓度和过饱和度。这两种方法，都存在时间上的滞后，而且在具体 操作时对晶体溶液有扰动，影响溶液的稳定性，会干扰晶体的生长。因而，必 须要实现溶液浓度的在线测量，保证晶体生长溶液的稳定性。 溶液浓度可以通过测量与浓度密切相关的物化性质，如密度、黏度、折射 率、电导率、声速等间接确定1 7 “，这些方法可在晶体生长容器中直接进行，避 免提取溶液样本。其中，通过测量溶液的电导率而获得溶液的过饱和度的方法 电导法具有突出的优点。这种方法能够提高量化水平，可以达到较高控制 精度，而且易于实现电信号的自动控制。为避免测量传感器装置与晶体溶液直 接接触，防止污染溶液，可利用根据电磁感应原理制作饱和度传感器，实现饱 和度的在线实时测量。由于通过公式计算得到的溶液饱和度，将与测量得到的 饱和度值起计算溶液过饱和度的大小，所以溶液温度溶解度曲线必须 被存储，实现任意时刻、任意温度条件下溶解度值的计算。 1 3 3 温度控制 整个系统以控制过饱和度为目标，以控制温度为手段。要控制溶液的过饱 和度，需要事先得到同一温度条件下溶液的饱和度值，该值是计算过饱和度值 公式中的变量。因为晶体溶液的溶解度值以及溶解度曲线概念，都是以确定的 温度值为前提条件，温度值与溶液的浓度值是_ 一对应关系，所以，要确定溶 液的浓度值，必须首先确定溶液的实际温度值。溶液温度的变化必将牵动溶液 溶解度与此时过饱和度的变化，所以，温度控制的好坏直接影响系统的控制目 标过饱和度。反过来说，过饱和度值是温度调节的依据。 饱和度、过饱和度、溶解度和溶解度曲线的定义说明将在第四章中给出。 1 4 课题研究的背景、目标及意义 1 4 1 研究背景1 1 4 9 - - h i 在长期的人工晶体生长研究实践中，提高晶体生长控制系统的可靠性，是 保证晶体生长质量的最基本前提，随着材料科学和现代科技的进步，人们对晶 体生长质量要求越来越严格的同时，对晶体生长控制系统可靠性的要求也随之 提高。同时，提高系统的可靠性也是降低晶体生长成本的关键因素之一。 作为惯性约束聚变( i c f ) 中倍频元件与开关器件的首选材料，k d p 晶体 生长技术发展迅速，与之相对应的k d p 晶体生长控制系统也要求具有较高的可 靠性。k d p 晶体的生长周期较长根据不同的制造工艺要求，通常为数十天 甚至数月，而且在每一个生长周期内，要求系统始终正常运行，中间不允许出 现灾难性间断，以保证生长晶体的质量。 显而易见，晶体生长的周期长与对控制系统可靠性的要求高是相互对立的， 晶体的生长周期越长，系统出现故障的概率则越大。在这种特定背景下，为了 4 解决这个矛盾，本研究针对长周期k d p 晶体生长机电控制系统的可靠性问题， 从系统的硬件和软件两个方面进行了深入细致的探索。 目前，激光晶体和非线性光学晶体材料( 如k d p 晶体) 生长装置主要以国 产设备为主，部分来自英国、法国等国家的进口设备所占比重较少。与国外的 设备相比，国内同类产品具有密封性好，操作维修简便的优点，但在设备的控 制精度以及系统运行的可靠性方面还存在一定的差距【i2 1 。另外，国内一些人工 晶体生产单位根据自己的工艺要求，研制开发了晶体生长设备，这类设备虽然 具有经济实用的特点，但在设备的配套应用方面存在定的不足，影响系统运 行的稳定性。同时，人工晶体材料不断向大尺寸、高质量、产业化方向发展， 这就要求与之相适应的人工晶体生长设备向大型化方向发展，具备稳定性好、 自动化程度高、操作使用方便等优点。因此，为适应这种发展趋势的需要，有 必要在生长设备的可靠性领域进行研究。 1 4 2 研究目标 本课题的研究工作，以提高晶体生长控制系统的可靠性为基本研究目标， 从系统的硬件构成和软件开发两个方面着手，详细分析系统的运行机理：以控 制晶体溶液的温度为控制手段、控制晶体溶液的过饱和度为调节输出，实现晶 体生长机电控制系统的正常运行：结合信号采样处理，引入容错技术【1 3 1 4 】，实 现硬件冗余设计，改善系统中的某些薄弱环节。 k d p 晶体生长设备是集光学、机械、电子等技术为一体的专用机电设备【”】， 本研究面向机电技术领域，采用先进的控制技术( 如程序控制) ，提高设备的自 动化程度，保证设备长期运行的可靠性、稳定性，提高晶体生长质量。 1 4 3 研究意义1 1 p 1 1 众多的晶体种类之中，k d p 晶体有着其它晶体材料不可替代的作用。k d p 晶体具有高的抗光伤阈值、大的非线性光学性质，而且在适当方法的控制之下， 可以从其水溶液中生长出大尺寸的晶体块。可用于i c f ( 惯性约束聚变) 工程 中制作p o c l d o s 盒以及二倍频和三倍频元件。 伴随着近年来i c f 技术的迅速发展，k d p 类晶体作为i c f 工程中关键技术 材料之一，美国等西方国家禁止出口相关的技术和制造原材料，导致国际上大 尺i r 、高质量的k d p 晶体供不应求。研究大尺寸、高质量的k d p 晶体己成为 独立自主发展我国i c f 关键材料的迫切任务。 国家“8 6 3 4 1 6 ”主题专家组，曾于1 9 9 7 年在中科院福建地质结构研究所 举行k d p 晶体工作研讨会，中科院院士贺贤土、胡仁宇、闵乃本以及工程院 院士范滇元等专程参加，主要讨论我国神光i i 、神光i i i 对k d p 倍频k d p 晶体 材料的技术要求，以加快发展我国i c f 事业。i c f 工程不仅要求k d p 晶体具有 较大尺寸，而且要求其有较高的光学性能要求k d p 晶体具有高的光学均匀 性，对1 0 6 l a n 及其二倍频和三倍频光都要有高的透过率及光伤阈值。 因为晶体生长控制系统的可靠性对其性能质量有直接影响，为获得商质量 的晶体，必须对l ( d p 晶体生长控制系统进行细致的研究，实现精确控制。显然， 提高大尺寸k d p 晶体的均匀性，发展高质量的k d p 晶体，达到i c f 对k d p 晶体的质量要求，都要以晶体生长控制系统的高可靠性为基本前提。 1 5 课题研究方法及主要研究内容 1 5 1 研究方法 综上所述，根据课题的实际需要，本研究采用适合工业控制领域、具有高 可靠性的s i m a t i cs 7 2 0 0 系列可编程控制器作为系统软件程序的载体及执行 元件，并选用相应的配套软件s i m a t i cs t e p7 - m i c r o w i n3 2v 3 1 2 2 2 进行 软件程序开发。系统开发主要采用容错设计方案，进行硬件( 如加热器、传感 器等) 的冗余设计，并通过软件程序完成硬件冗余设备的自动切换。在实现硬 件冗余的同时，辅以故障报警及信息打印输出，使楚个系统处于完全可监控状 态，确保系统的在需要的长时间段内正常运行。 6 1 5 2 主要研究内容 l系统硬件冗余 基于系统硬件组成的特点，本研究在软件程序开发中引入了容错技术，针 对部分组成元件可能出现故障的预见性，采用硬件冗余设计。当故障发生时， 可以实现备用元器件的自动切换，而不影响系统的正常运行。 2 系统报警及信息输出 通过引入容错技术，实现硬件冗余，在功能上保证了控制系统具有高可靠 性。同时，对系统自身运行状态也有必要进行监控，因此，在实现上述控制功 能的同时，本研究在程序中添加了故障报警以及故障信息( 如电机意外停机、 加热器断路等) 的打印输出功能，便于管理人员及时维护。 3 电机动作控制【1 6 l 即实现电机正反转的动作控制要求电机逆时针和顺时针转动要持续一 定的时间；在电机换向之前，也要有一定的时间间隔，以确保电机有足够的时 间刹车停转，为反向启动做好准备。同时去除系统中的换向器环节，提高系统 的可靠性。 4 溶解度及过饱和度计算1 4 1 7 t o 】 在本研究中，系统以调节温度为手段，以控制溶液的过饱和度为目标，使 溶液的过饱和度始终维持相对恒定的值。并通过在程序中存储溶液溶解度曲线， 来完成特定温度条件下溶解度值的计算输出，与经过采样处理的溶液饱和度一 起用于计算溶液的过饱和度值，经计算得到的过饱和度值则作为p i d 调节温度 的基本依据。 5 采样信号处理【2 i 】 信号采样处理是整个系统运算的重要部分，包括溶液温度和溶液饱和度两 种信号的处理。针对温度滞后以及饱和度信号采样失真的现象，本研究提出了 多点信号采样的方法，即对于溶液中不同区域同时进行信号采集，参与程序的 处理。经过处理的溶液温度值参与溶解度的计算，而溶液饱和度值则参与溶液 过饱和度的计算。 7 i i l 东大学硕十学位论文 6温度控制2 2 i 温度控制是整个系统的关键部分，它直接决定系统控制目标：过饱和度值 的输出。在本研究中，程序采用闭环p i d 控制，针对温度控制中的滞后现象， 改进了p i d 算法，提出了时变滞后极点配置优化预测自校正p i d 控制算法，消 除了特征方程中滞后项的影响，并将该算法应用于实际温度控制中。 1 6 论文内容结构介绍 本文的内容结构如下： 第二章主要从系统的硬件构成方面着手，讨论如何采用容错设计方案，进 行硬件冗余设计，并解释如何实现电机的动作控制；第三章针对系统的软件开 发要求，主要介绍软件编程系统的配置，为软件系统的开发提供条件；第四章 主要介绍控制系统的软件设计，具体存储了溶液的溶解度曲线，解释如何实现 晶体溶液过饱和度的计算、完成对温度及饱和度采样信号的处理，从而进一步 完善系统的可靠性：第五章主要进行p i d 控制算法的研究，针对温控的滞后现 象，提出了时变滞后极点配置优化预测自校正控制算法，并给出了算法的具体 推导过程；第六章介绍试验部分；第七章进行了总结。 8 2 系统可靠性硬件部分 本章主要描述晶体生长机电控制系统可靠性设计的硬件部分。关于系统可 靠性设计的讨论主要是针对系统的某一个方面、某一个层次或系统开发的某一 个阶段而言。一个系统通常包括逻辑方面、物理层次和时间阶段三个环节，这 三个环节以及它们之间的联系是系统可靠性的主要研究内容。结合实际的晶体 生长控制系统本课题主要从软件逻辑控制和硬件物理层次两个方面进行系统 可靠性的研究。 2 1 系统可靠性 2 1 1 系统可靠性描述 对于系统可靠性评价，一般可根据在特定环境下和一定时间内，系统是否 按照预定方式正常运行进行。在给定条件下，可将系统的性能视为一个随机事 件该事件引起的后果在其出现之前是不可知的。系统的可靠性同样也可以 被看作是一个未知参数：某一系统在规定的工作条件下和预定的时间内连续完 成既定任务的概率。本文中将用到可靠度概念f 1 3 4 1 ，在此对其在文中的含义给 予界定：系统可靠度r ( f ) 是时间的函数，对于给定系统在t = 0 时刻可正常运行 的条件下，系统在区间 o ，f 】上无故障的概率。 虽然按照最差情况设计、采用高质量元器件以及进行严格的系统组合质量 控制等方法，可以提高系统可靠性，但受硬件自身因素( 如使用期限) 的影响， 可靠度的提高有限。要实现系统具有较强的容错功能，系统中高质量的元器件 也是必不可少的，同时，必须在系统中引入“冗余”( 附加的软件或硬件资源) ， 以达到屏蔽放障的目的【2 3 l 。 根据本研究课题中所涉及的晶体生长机电控制系统的特点，可将其视为串 联系统，串联系统的运行具有如下特性：系统包含的每个子系统( 或组成部分) 都必须正常运行时才能维持整个系统的正常运行：另一方面，其中的任意一个 9 子系统( 或组成部分) 的失效都将导致整个系统的失效。串联系统逻辑结构模 型可由图2 一l 柬简单表示，考虑到系统的实际组成特点，可假设各个子系统( 或 组成部分) 是彼此独立的，则系统总的可靠度等于各个子系统可靠度的乘积， 即r = 兀r 。( f _ 1 , 2 ，人，h ) 。举例说明，如果系统的每个子系统在晶体的一个生长 周期后可靠度均变为9 9 ，系统包括1 0 个子系统，则该系统的可靠度将为 o 9 9 ”“0 9 。因此，对于具有串联特性的系统而言，只有当每个单独的子系统 都具有非常高的可靠度时，整个系统才可能具有高可靠度。 q 至) _ 虹pa 臣卜 图2 1 串联系统逻辑结构示意图 根据晶体生长系统运行机理可将其划分为如下五个子系统： 1 电源卜变压器卜整流设备卜换向器电动机擎晶器 2 电源啼动力泵啼过滤器 3 溶液槽l 卜溶液槽2 嵴液槽3 + 育晶器 溶液槽1 4 电源+ 电动机溶液槽l ( 溶液槽2 、溶液槽3 ) 5 加热器+ 一可编程控制器传感器( 温度、饱和度) 此外，系统还包括用于单向导通控制的可控硅环节。 2 1 2 系统可靠性分析 参照上述划分，同时考虑晶体生长系统整体的串联特性，对系统的可靠性 作进一步分析如下。 子系统一： 电源变压器卜整流设备换向器+ 电动机一擎晶器 在整个晶体生长机电控制系统中，为使育晶器中晶体溶液温度均匀，并使 处于生长状态晶体的各个晶面在过饱和溶液中能得到均匀的溶质供应，晶体要 对溶液做相对运动。这种运动可采用多种形式，如晃动法( 晶体固定不动，摇 晃育晶器) 和转晶法( 晶体自身在溶液中转动) 。本研究所涉及到的生长控制系 统采用转晶法。为了克服晶转所造成的某些晶面迎液而动，而另外一些晶面却 总是背液运动的缺点，转晶过程中，电机转动定时换向，即：正传一停一反转 l o 一停一正传。 生长过程中，晶体附着在育晶器中的擎晶器上。晶转通过电动机带动擎晶 器来实现，因此，需要控制电动机的正反转( 注：仅育晶器的电动机需要正反 转控制，其它各槽的电动机则不需要实现正反转动作。) ，以满足晶体生长的动 作控制要求。 根据k d p 晶体生长的工艺特点，系统控制要求如下： 1 电机启动，正向或反向均可； 2 电机正向旋转t 。分钟( 正向启动) 或电机反向旋转k 分钟( 反向启动) ； 3 电机停止f l f ，秒钟； 4 电机反向旋转“分钟( 反向启动) 或电机正向旋转气分钟( 正向启动) ； 5 重复2 4 步骤。 由第一章中图1 1 可以看出。图中虚线框部分为自动换向器。自动换向器的 作用为实现电动机的自动换向，但该环节的引入，也增加了系统的不可靠性因 素。鉴于此，结合硬件( 电动机) 选型。利用软件设计的方法，在满足实现电 动机自动换向的控制要求的同时，去除自动换向器的环节，以尽可能提高系统 的可靠性。 子系统二： 电源动力泵+ 过滤器 动力泵是唯一为晶体溶液在各槽之间的循环提供动力的装置，因此如果动 力泵出现故障，则整个系统的循环将会中断，直接导致晶体生长停滞。过滤器 的作用是防止溶液槽2 中残留的杂晶进入溶液槽3 ，进而进入育晶器，影响晶体 的生长质量。由于溶液结晶的自发性以及过滤器自身结构特点的原因，常会引 起过滤器被堵塞的现象。当过滤器被堵塞，而动力泵继续工作，则可能导致难 以预料的严重后果。考虑到动力泵和过滤器的工作特性以及系统的结构特点， 在本研究课题中采用单纯报警输出、管理人员及时维护的方法来保证系统的正 常运行，而未采用冗余设计。因为，如果采用冗余设计，势必在溶液槽2 和溶液 槽l 之间增设额外的管道，而在动力泵和过滤器各自的正常工作周期内，该管道 将处于闲置状态，有可能被自发结晶的晶体堵塞，因此，即使采用了冗余设计， 当故障发生时自动切换到备用元件，也起不到容错设计的作用，相反，还有可 能导致反面的误导作用，延误系统的维护。所以，不采用冗余设计。 子系统三： 溶液槽l 溶液槽2 溶液槽3 - - - 育晶器 溶液槽l 该子系统是整个系统的核- t l , 部分，晶体溶液在四个槽中封闭循环流动。影 响该子系统的因素主要来自溶液的测量元件：温度与饱和度传感器，以及溶液 的加热装置加热器。其中，由于溶液槽3 中溶液的稳定性较好，该槽中的溶 液不需要加热也不需要进行温度及饱和度的测量，因此，在设计过程中只考虑 其它三个槽即可。对于温度与饱和度传感器以及加热器可以采用冗余设计结合 报警输出的方法，来提高系统的可靠性。 子系统四： 电源 电动机卜溶液槽1 ( 溶液槽2 、溶液槽3 ) 因为溶液槽l 、溶液槽2 和溶液槽3 中的溶液处于饱和状态，晶体不在这三个 槽中生长，因此不需要电机正反转，只需带动搅拌器保持溶液浓度均匀即可。 对于这三台电机来说，可通过监控其工作状态，当检测到电路处于断开状态时， 报警输出，通知管理人员及时维护。 子系统五： 加热器+ 一可编程控制器- 传感器( 温度、饱和度) 温度与饱和度传感器以及加热器的冗余方案采用硬件冗余进行设计，通过 存储在可编程控制器中的软件程序来实现冗余元件的自动切换，同时，报警输 出。可编程控制器作为整个系统控制程序的唯一存储单元，因此首要前提必须 保证可编程控制器的可靠性，为此，选用西门子公司的s 7 - 2 0 0 系列c p u 2 2 4 可编 程控制器作为控制存储单元 另外，对于用来实现单向导通的可控硅装置，以及子系统一中的整流设备 的失效问题，两者具有类似的故障起因，可采用相同的解决方案：故障报警输 出，或者进行冗余设计。前者主要起提醒管理人员及时进行维修的作用，后者 则在此基础上还能够实现不问断系统的正常运行，但要额外附加硬件资源，成 本增大。本章主要从电机动作控制和加热器冗余设计两方面进行阐述，讨论如 何提高晶体生长系统的可靠性。 1 2 2 2 电机动作控制 2 2 1 顺序控制中继 从电动机动作控制要求来看，其实现比较简单。可结合西门子公司的可编 程控制器s i m a t i cs 7 - 2 0 0c p u2 2 4 自身的特点，在配套开发软件s i m a t i c s t e p 一7m i c r o w i n3 2v 3 1 2 2 2 ( 详见第三章) 的支持下，采用常用的逻辑控 制流类型之一顺序控制来实现控制目的【1 6 ，2 6 1 。 图2 - 2 顺序控制中继流程示意图 本研究中的控制要求具有明确的步骤顺序，易于使用s c 嗽进行模块化设 计，可在实际程序控制中采用顺序控制中继来实现控制要求。其结构如图2 2 所示。此图以一个有三个步骤的循环程序为例进行说明。 由上图可以看出，a 、b 、c 三个状态，在满足转换条件的前提下，依次顺 序执行，并且在第三个步骤完成后返回至第一个步骤，循环执行。 完成上例要求的s t l 代码必须包含下列内容： n e t w o r k1 l s c r ”s t a t e _ a ”状态a 的s c r 段开始 n e t w o r k2 1 i l 东大学硕士学位论文 s c r 段内执行代码 n e t w o r k3 l d1 0 0转换逻辑 s c r t ”s t a t eb ”启用状态b ，禁用状态a n e t w o r k4 s c r e状态a 的s c r 段结束 n e t w o r k5 l s c r ”s t a t eb ”状态b 的s c r 段开始 n e t w o r k6 s c r 段内执行代码 n e t w o r k7 l d1 0 1转换逻辑 s c r t ”s t a t ec ”启用状态c ，禁用状态b n e t w o r k8 s c r e状态b 的s c r 段结束 n e t w o r k9 l s c r ”s t a t ec ”状态c 的s c r 段开始 n e t w o r k1 0 ，s c r 段内执行代码 n e t w o r k 1 1 l di o 2转换逻辑 s c r t ”s t a t e a ” 启用状态a ，禁用状态c n e t w o r k1 2 s c r e 状态c 的s c r 段结束 顺序控制中继为应用程序提供协调机器操作或步序进入相同程序段的一项 技术。l s c r 和s c r e 指令之间的全部逻辑构成s c r 段，其执行取决于s 堆栈 的数值，s c r e 和下一个l s c r 指令之间的逻辑则不受限于s 堆栈的数值；s c r t 指令设定一个s 位，启用下一个s c r 段，并且重设被载入的s 位，启用当前 s c r 段。通过执行s c r t ，程序将按逻辑转换至下一个步骤。 l s c r ( s t l ) 或s c r ( l a d f b d ) 将通过指令引用的s 位数值载入s c r 段和逻辑堆栈，根据s c r 堆栈的结果数值对整个s c r 段起始输入信号或终j f 输入信号。l s c r 指令用来定义s c r 段的开始，s c r e 指令定义s c r 段的结束， s c r e 指令与下一个l s c r 指令之间的逻辑代码将不再属于前一个s c r 段的一 部分，但每次程序扫描均得到执行。 2 2 2 电机动作控制的程序实现 电机正常启动后，顺时针( 或逆时针) 方向转动“分钟，然后停止r l t ，秒， 接着电机反方向启动，逆时针( 或顺时针) 方向转动“分钟，之后再停止f ，： 秒，周而复始，实现电机的正反转动作。程序流程如图2 3 所示。 为保证电机的正常的启动，需要在程序的起始部分，激活互锁电路，以防 止电机的误启动，只有当所有的点动开关都没有动作，或者中间等待时间溢出， 互锁位才能够清零，允许电机启动。针对控制程序的继电器数字输出，也设定 相互问的锁定，即当有一个方向的输出保持通状态时，则锁定另一个方向的输 出信号，使之在此过程中始终处于断开状态，保证电机输出正确指令。 计时器指令作为本程序跳转与执行的判断条件。程序采用t o n 开延时计 时器，针对需要r f s 的计时输出，采用1 0 m s 分辨率的计时间隔。电源循环 第一次扫描以及计时器位关闭时t o n 当前值均为0 ，启用输入打开后，计时器 开始计时，到达设定的计时时间值，触发判断位，计时停止。 整个系统的程序部分，电机控制程序作为整个系统程序的主程序部分，在完成 动作控制的同时，必须正确调用各个子程序。通过主程序调用的子程序为一级 嵌套程序，部分一级嵌套子程序需要继续调用其它子程序，这部分子程序为二 级嵌套子程序。在嵌套子程序被调用的同时，通常也伴随着中断程序被触发， 执行特定的中断处理功能，因此，主程序的调用决定着嵌套子程序进一步调用 的成功与否，同时也是中断程序被成功触发的前提条件。电机控制程序的结构 化、条理化是保证整个系统程序顺利运行的一个重要因素。 另外，根据本设计，如果电机在工作过程中意外停机，则发出报警信号， 同时，输出错误指示信息为：撑m o t o re i 冰d r f ，以便及时通知管理人员进行 检查维护，尽可能避免对晶体生长产生影响。 些! 垄查兰堡主耋堡垒錾 图2 - 3 电机动作控制程序流程图 1 6 2 3 加热器冗余控制 2 3 1 控制系统容错技术 关于提高被控系统的可靠性，通常可以采用两种方法【2 m 4 1 ：其一是故障预 防( f a u l tp r e v e n t i o n ) ；另一种方法是容错( f a u l tt o l e r a n c e ) 。故障预防法依靠事先 消除所有故障来提高系统可靠性，但在实际运作过程中难于实现，所以此种方 法的目标只能是使系统的失效概率尽可能低，达到一个能够接受的数值。容错 法在实际应用过程中则允许有故障发生，但这些故障造成的负面影响借助冗余 技术可以自动消除，不影响系统的正常运行。可以采取的冗余措施包括额外附 加硬件、附加软件、附加时间以及它们的组合。冗余的含意即在于：当系统没 有故障发生时，取消所采取的冗余措施不会影响系统正常运行，而当系统出现 故障时，事先设定的冗余措施将保证系统继续正常运行。本课题根据设计系统 的特点，针对其中容易发生故障的环节( 如加热器) ，采用容错法，附加冗余措 施，以达到提高系统可靠性的目的。 系统中的加热器故障属于可预见型故障，印在系统运行过程中该故障能否 发生是可以预知的。根据这一特点，可采用静态冗余进行设计。静态冗余又叫 屏蔽冗余( m a s k i n gr e d u n d a n c y ) ，通过附加相应的元器件来屏蔽掉发生故障的元 器件起到容错的作用。而三模冗余( t r i p l e m o d u l a rr e d u n d a n c y ，简称t m r ) ， 是实现静态故障屏蔽最常用的方法。 图2 4 三模冗余原理结构图 三模冗余最初由冯诺曼提出，其基本原理如图2 4 所示，其中带m 标记的 方框表示完全相同“模块”，他们的输出接至一个表决器v ( 冯诺曼称之为 多数表决器) 。模块可以是一个微处理器，也可以是一个简单的处理单元。在本 1 7 研究中，每个模块代表。个加热器。表决器接收来自模块的输出，并将多数表 决的结果作为自身的输出。 由图2 - 4 可知，只要其中任意两个模块能j 下常工作，此冗余系统便可正常 运行。在晶体生长机电控制系统中，加热器发生故障这一事件是相互独立的， 即可认为三个模块发生故障的事件是独立的。这样三模冗余可靠度的计算公式 即为： r 。= 3 个模块均正常工作的可靠度+ 任意2 个模块正常工作的可靠度 5 r 矗+ 3 r 矗( 1 一r f ) 2 3 r 三一2 r 刍( 2 - 1 ) 2 3 2 加热器冗余控制的程序实现 由图2 - 4 可进一步得出，如果表决器出现故障，不论模块是否存在故障， 冗余系统都会失效。对于加热器输出信号的性质而言，表决器存在的意义并非 十分重要。因此，为实现提高系统可靠性，同时又简化系统结构设计的目的， 在实际应用中，控制系统去除了表决器环节，直接输出每个模块自身的信号。 其原理结构如图2 5 所示： 广母一一 l l 母一一 图2 - 5 冗余原理结构图( 不含表决环节) 同时冗余可靠度的计算公式变为： r ；。= 3 个模块均正常工作的可靠度+ 任意2 个模块正常工作的可靠度