毕业设计论文-扩散炉智能控制系统设计.doc

编号： 毕业设计说明书题 目： 扩散炉智能控制系统设计学院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016年06月02日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第II页摘 要随着科技的发展，现在的产品对生产工艺的控制精度要求越来越严格，对操作系统的要求是更简单更人性化。为满足市场的需要，扩散炉必须对原传统工艺进行突破创新。针对传统的扩散炉控制系统的温度控制精度、生产工艺控制能力等较低的状况，提出了一种以PLC可编程逻辑控制器为核心的扩散炉智能控制系统，并取得显著的成效，使系统对多位炉温度的自适应控制越来越精确。本课题系统的介绍了扩散炉智能控制系统设计的工作原理以及对日本三菱公司旗下的可编程控制器FX2N-64MR的性能特点作简要分析。同时根据设计实际需要对温度及压力检测器的选择进行了分析，并选用FX2N-4AD扩展模块对采集的信号进行转换。设计中选择组态软件作为人机交互的显示与参数设定界面，实现了与PLC的无差通信，成功模拟了实际工艺生产时的远程检测与控制，使操作者不再受地域约束，并能及时对突发的报警状况做出反应。归纳本课题的研究内容时，首先主要简析扩散炉的工作原理及发展前景，并对设计所需的设备分析再选择，整合出合理的设计方案；其次完成系统硬件设计，包括温度与压力检测的设计以及以PLC为控制核心的主接线设计；最后使用GX Developer、GX Simulation及组态王Kingview6.55计算机软件对系统进行程序编辑与模拟仿真，并结合实际调试对程序作了简要分析。关键词：扩散炉；PLC；温度检测；智能控制；组态王ABSTRACTWith the development of science and technology, Nowadays it is more and more stringent for the control accuracy requirements in the production process about the product. Meanwhile,the requirements of its operating system are simpler and more user-friendly. Diffusion furnace must break through the traditional process and obtain innovation in order to meet the needs of the market. There is a intelligent control system of Diffusion furnace which at the core of Programmable Logic Controller had already Achieved remarkable results,that had solved of the problem of low temperature control accuracy and production process control capability. What is more,the adaptive control mode of this system is more precisely to control the temperature of its furnace.This paper introduces the working principle of the intelligent control system design of the diffusion furnace and the performance characteristics of the programmable controller FX2N-64MR in the Mitsubishi Co of Japan. At the same time, there is a analysis according to the design of the actual needs of the temperature and pressure detector selection, and use FX2N-4AD expansion module to collect the signal to be converted. Design selection of configuration software as the interactive display and parameter setting interface, and PLC communication, and successfully simulate the actual production process of remote detection and control is realized, so that the operator is no longer subject to geographical constraints, and timely emergency alarm condition to respond.To sum up the research contents of this topic, the main analysis of the work principle and development prospects of the diffusion furnace, and the design of the required equipment analysis and then choose to integrate a reasonable design. Secondly, the hardware design of the system is completed, including the design of temperature and pressure detection and the main wiring design with PLC as the control core. Finally use GX developer, GX simulation and Kingview Kingview6.55 computer software program editing and Simulation of the system, and combined with the actual debugging of program is briefly analyzed in this paper.Keywords: diffusion furnace; PLC; temperature detection; intelligent control; Kingview桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 扩散炉的发展及前景11.2 扩散炉的基本结构及原理11.3 扩散炉的工作原理22 系统硬件电路设计42.1 扩散炉控制系统硬件结构42.2 PLC基础42.2.1中央处理模块（CPU）52.2.2输入输出模块（I/O）52.2.3储存模块62.2.4电源模块72.3 PLC工作原理72.4信号采集及PLC拓展模块82.4.1温度采集82.4.2压力采集及XGZP6847型压力变送模块：92.4.3模拟量输入模块FX2N-4AD102.4.4模拟量输出模块（FX2N-4DA）113. 系统软件设计143.1 PLC程序设计143.1.1GX Developer的使用143.1.2PLC程序的写入143.1.3软组件153.1.4各类PLC指令163.1.4程序简析213.2 人机交互界面的设计组态王kingview6.55243.2.1组态王基本介绍243.2.2组态王画面制作253.2.3报警的使用263.2.4曲线的使用263.2.5组态王通信274 系统安装与调试294.1 CAD接线说明294.2 调试步骤：305 结论32谢 辞33参考文献34附录35桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 43 页 共42页1 绪论1.1 扩散炉的发展及前景扩散炉主要用于在高温条件下对晶圆半导体进行掺杂，将参杂材料扩散入硅片，从而改变半导体杂质类型和在其内部分布的状况及浓度，起到对半导体电特性区重新编制的作用。扩散炉已然成为各类大规模集成电路、电力电子、光电器的氧化、扩散、合金等工艺的基础设备。从二十世纪七十年代，半导体的集成化和芯片生产的规模化促使了扩散炉的入世，并使其在至今的几十年间有了很大的发展，在微机的控制下，其自动化程度先进，并引入现今众多系统智能型PID参数自整定功能。对系统可能出现的故障报警搭配了多种保护和自诊断功能，其抗干扰的能力大大提升。其同时储存的数十条的工艺曲线能满足各类工艺需求。近年来，中国的集成电路产业结构迅速扩大，并有成为全球集成电路产业发展最快的地区之一的趋势。为了巨大的商业利益和满足现代生产的要求，集成电路的芯片制造技术更新换代也十分迅速，扩散炉为应对时代的潮流冲击相应的装设了电路系统、送片系统及净化装置，炉口管的直径也变得越来越大，可处理的硅片的尺寸也是在增大，芯片的集成度也随之提高。但我国集成电路技术发展水平于目前还处于较低的阶段，规模化生产的技术水平主要是4-6英寸硅片、3-0.5微米技术，虽有少数企业能达到8英寸、0.25微米的技术水平，但距离世界主流技术的8英寸、0.18微米甚至在12英寸、0.1微米的技术领域相距甚远1，可以说中国距离世界主流工艺水平有近十年的差距，这意味着中国本土企业还有巨大的空间可以发展。1.2 扩散炉的基本结构及原理扩散炉主要有中央控制模块、进出舟模块、炉加热模块、气体控制模块构成；扩散和氧化的中心是中央控制模块，系统控制部分由四个各自独立的计算机控制单元控制着每层炉管的炉温和炉管推舟及气路部分，温度传感器控制着炉体温度，并相应装配有控制显示器、报警及内部运行指示灯和各种控制开关。辅助控制系统包括推舟控制装置、保护电路、电路转接控制、三相电源指示灯、照明、净化及抽风开关等2。为提高实用性和可操作性，先进的微机技术已被逐渐加载到控制系统中，炉管的控制机与监控主机的通信也采用微机的通信协议与串口，控制系统日渐向计算机智能控制靠拢，并能实现日志记录、曲线记录、程序编辑、报警信息记录和远程控制诸多功能。中央控制模块是扩散炉运行的核心，与其配合作为显示与控制的工程控制计算机的工作面板上，设置了电源控制开关、信号指示灯、复位功能键、键盘输入键等，该计算机的机构框图大致如图1-1所示。图1-1 工程控制计算机结构的结构框图进出舟模块有两种方式沉放石英石及硅片，它们分别为：相较简单而颗粒较多的悬臂桨方式和较为先进且温度均匀性更好的软着陆方式。炉体各个升温系统被分配为六部分，水冷散热器及排热风扇根据设计被装配在顶层部分，通过水汽循环将扩散炉产生的部分热量疏导到其他地方，各层炉体间加热部分也搭配有水冷系统，并设有废气抽风口与负压管道连接。气体控制模块的气源柜分为五层。顶层加置排毒口以排出换源过程中散发的有害气体。有三路工艺加工生成的气体进气接口被加装于柜顶，同时搭配了一条通道导入压缩空气，接口下端加装了调节内部气压的减压阀和截止阀，能双向调节进气管道的压强。在气路部分，各层的电磁阀、气动阀、过滤器、单向阀、质流量控制器及DCE源瓶和冷阱等都起着各自不同的作用，同时，将一个质流量控制器电源装在气源柜的最底部，在这个转接板上还适配了数个控制开关机构、保险等电路，并连通着另一块转接板上的设备总电源。在温度控制一块，采用智能温控表控制，分别检测三只控温热电偶的电压值。温控表根据得出的测量值与设定值比较，并进行PID运算，给出各段炉丝电压的通断比来实现温度控制功能。除此之外，扩散炉可以通过设定仪表控制工艺时间、温度升降斜变以及气流量变换和阀门动作等。1.3 扩散炉的工作原理扩散炉的工作原理如图1-2所示，扩散炉的进出舟将物料推送至炉膛内，内部的温度传感器能分别实时监测炉内热电偶的温度值并经过各自信号处理输出数字量给工控机。再与初始温度设定值作差值计算后将偏差送给内部PID自整定的输入，运算之后得出扩散炉的各段炉丝电压的通断时间与比值，以此实现对参杂工艺不同的需求温度时的控制。图1-2 扩散炉的大致工作原理2 系统硬件电路设计2.1 扩散炉控制系统硬件结构经过总结经验与查找资料，发现若选用FX2N 64MT PLC来实现该控制系统的核心作用，其原理框图如图2-1示，这即满足了工程上对输入通道数的需要，对输出点数的需求也是能适用的，以此实现扩散炉对不同工艺阶段的温度曲线控制和调节工艺进程。FX2N-64MR PLC有着较高的运算速度及较大的存储容量多样化的扩展功能模块和单元使其使用领域更加广泛，同时具备强大的编辑功能和丰富的指令集合，其灵活的I/O点数配置可以提供16点到256点的多样式组合。除此之外，三菱FX2N系列的PLC有通的特点，即是FX2N-64MR亦可通过内置式通信模块扩展板进行RS-232C、RS-422等标准通信接口拓展，已实现控制器之间、控制器与计算机之间的互联，也可以通过网络主站与从站模块实现网络控制等功能。图2-1 控制系统原理框图2.2 PLC基础PLC的英文全单词是Programmable Logic Controller，即为可编程逻辑控制器，因其具备大部分的计算机功能从而被广泛用于先进的工业生产控制中3，其基本构成包中含央处理模块、输入/输出模组、储存器模组、电源模块及外部设备，它的电源线、控制线、地址线和数据线连将控制主机的各个部分有机连接在一起，根据配备的不同外部设备（编程器、写入器、打印机）可构建成不同的PLC系统，它们是通过连接通讯部分实现与PLC的数据传递的。可以通过电脑软件GX Developer编辑PLC系统程序梯形图并载入PLC系统。PLC的基本构成如图2-2。图2-2 PLC基本构成2.2.1中央处理模块（CPU）中央处理器（CPU）在一整套控制器中始终担任指挥官的作用，系统程序作为它的驱动媒介，对现场输入装置传递过来的可识别的临时数据按指定用户程序的方式进行解析，并将所得结果暂置于规定的寄存单元中，而后将数据以设定波形的信号形式对外部控件输出控制信号，从而驱动相关的电路完成用户所需的动作。CPU在PLC运行时，同时承担着医生的责任，在每一个扫描周期中都对控制器内部的电路进行检查，及时提醒并修正程序的不规范语法。CPU上电后，储存器中的用户指令被逐条读取，实时更新相关运行标志和输出影响贮存器，经I/O接口循环送给输出装置。近年来，某些PLC普遍采用多个CPU构成冗余表决系统，以此应对CPU的临时故障情况，大大提高了PLC的运行稳定性。2.2.2输入输出模块（I/O）输入/输出（I/O）模组是PLC连接和各类工业控制场信号的连接部分，起着PLC与输入/输出控制对象之间的信息传递。为了识别各类信号，PLC具有不同的输入输出 接口，主要分为开关量输入/输出、模拟的输入/输出。输入接口用来接收生产过程的各种各样参数并存入出入数据暂存器中，经过运行程序的计算后将控制信息刷新输出到输出数据暂存器，最后通过输出接口将控制信号输出到外部执行机构，以此完成工业现场的各类控制。我们还需要根据负载的特性的不同来选择合适的输出模块。对此，厂家设计了多种可编程控制器的接口单元（如表2-1）以保证接口的抗干扰能力和对工业现场的实用性：表2-1 PLC接口单元及作用接口作 用开关量输入接口将现场的开关信号变成可编程控制器内部处理的标准信号4，输入接口中都有滤波电路（起抗干扰作用）和耦合隔离电路（有抗干扰及产生标准信号的作用）。开关量输出接口将可编程控制器内部标准信号和现场执行机构所能识别的开关量信号进行转换，有继电器型、晶体管型和可控硅型，每个类型都须接有光电耦合电路。模拟量输入接口将现场连续变化的模拟量标准信号转换为适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号，模拟量信号输入后通常需要经过运算放大器放大后再进行A/D转换，在电路末尾经光电耦合输出对应位数的数字量信号。模拟量输出接口将可编程控制器运算处理好的若干位数字量信号转换为对应的模拟量信号输出，其通常的由光电隔离、数模转换和信号驱动等结构组成。智能输入输出接口供一些为适应复杂控制需要的智能控制单元使用，这类单元有单独的CPU，有专门的处理能力。2.2.3储存模块PLC 的储存器是可编程控制器寄存系统程序单元，同时用户所编辑的程序及运行时计算出的临时数据也被存储到储存器里面，储存器通常被被归类分为两类型，第一是系统只读储存器（ROM），第二类是用户随机读写储存器（RAM）。（1）系统只读储存器用于永久储存PLC厂商所编辑好的系统程序，并固化在只读储存器ROM中，用户不可以重新写入，一般为掩膜只读存储器和可编程电改写只读存储器5，当电源掉电时数据不会丢失。（2）用户随机读写储存器按用途区分可以划分为数据区和程序区。程序区用来存放可供用户任意改写或增删的用PLC规定语言编辑的应用程序；数据区的存储空间一般较小，同时，各类数据在数据区存放的位置也有严格的划分，一些根据需要而被命名的数据单元如输入继电器、计数器、时间继电器等都各自有着独立的地址编号。在该存储器内写入或擦除都比较容易，一般用来存放用户程序及系统运行时生成的临时数据，所以掉电情况会使得数据丢失。2.2.4电源模块PLC电源将交流电源变成直流电源作为个工作单元的开关电源。PLC的电源装置具有良好的调节措施，所以对外部电源的稳定性要求不大，一般允许外部电源的波动范围为额定电压值的10到-5，一些PLC电源模块还可以提供24V（DC）稳定电源给外部设备供电，以防止外部电源故障的情况下重要信息的损失，外部设备如表2-2所示。表2-2外部设备名称用途编程器具备专用编程或软件编程的功能，同时还具有一定的调试及监控功能，并能实现良好的人际交互打印机打印程序或制表盒式磁带机用以记录程序或信息EPROM写入器将程序写入到用户EPROM中高分辨率大屏幕彩色图形监控系统显示或监视有关部分的运行状态2.3 PLC工作原理可编程控制器的内部实现过程继承了计算机的工作原理，PLC在确定了工作任务并写入编写好的专用程序后，它就会循环扫描系统工作任务管理和执行应用程序，这种方式称为循环扫描工作方式。经过输入采样阶段，将输入口的信息存放在输入数据暂存区，供给执行程序调用（程序执行阶段），最后将寄存在输出暂存区的输出信号送到输出口并刷新（输出处理阶段）。PLC每执行一次任务都得按部就班依次进行以上三个阶段。图2-3是PLC开机后的系统内部处理、一个扫描周期的处理过程和系统自诊断出错处理的流程示意图。图2-3 程序运行全过程示意图PLC的中央处理器两种基本工作状态无非是运行（RUN）状态和停止（STOP）状态，运行状态指示灯亮时执行应用程序；停止状态指示灯亮时用于程序的编制与修改，或者是CPU运行时产生了致命错误导致停止运行。这两种工作状态可以通过PLC外部开关或者选定编辑软件中“运行/停止”指令控制。由图可知，在不同的运 行状态下，扫描过程所需要完成的动作也是不完全一样的。系统进入内部处理后PLC就进入循环扫描状态，在每个扫描期间内都会对程序的各类数据及运行状态进行处理。输入模块的RC滤波电路的滤波时间常数产生的滤波时间、输出模块的滞后时间和扫描与运行间隔产生的滞后时间通常会以ms级存在6，这时间称为系统响应时间，对于那些对响应时间有要求的控制系统，通常选择扫描速率较大的PLC或采用某种中断控制方式来解决，例如使输出与扫描周期脱离。2.4信号采集及PLC拓展模块2.4.1温度采集针对扩散炉对温度控制高精度需求，因而对温度检测的传感器灵敏度的要求也高。归纳一些实践经验之后，我选用S型铂铑热电偶作为检测精度偏差为0.2摄氏度之间的测温传感控件，其温度测量范围囊括了扩散炉工艺温度的上下限，高温状态下不易被空气中的氧化物氧化。同时，在微观视野下，它受热时的势垒极其稳定，电特性良好。由资料得出铂铑金属比例为9:1，其测温范围为0至1600摄氏度。在硬件电路中，热电偶作为温度传感器监控炉温并将被测温度信号转换成电压信号送至控制系统，经过与系统设定的温度对应电压值对比，给出相应的控制信号以调节炉温。同时，热电偶的实际使用受环境温度因素干扰明显，可采用查表法、仪表零点调零法、冷端恒零度法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法消除部分影响，我们可以选择补偿电桥法，这种方法使用了不对称的电桥接法，热电偶冷端因环境变化导致的误差可通过电桥的电势差来弥补。设计上我们使用三组热电阻模拟扩散炉的三个炉区温度，通过热电偶采集得到三组电流值并送至控制系统。SBWZpt100温度变送器模块：采用SBWZpt100热电偶温度变送器对模拟扩散炉的炉温热电阻进行温度采集。该变送器内置大功率稳压芯片，它的线路板亦经镀锡加厚，使其抗干扰性能大大提升。在对温度的测量实际量采集后并经内部芯片模拟化处理，输出一个420mA的直流电流信号作为可编程控制器A/D模块的输入。SBWZ型温度变送器通常可作为DDZ-S系列仪表的变送单元，其技术指标如表2-3，在接线中其采用二接线传送方式，即电源负极接线端也可作为信号的输出端。表2-3 SBWZ pt100温度变送器模块的技术指标输出4 2