扩散炉串级温度控制系统

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扩散炉串级温度控制系统

1引言

随着石油，煤炭等不可再生能源的大量使用，这些一次能源在不久的几十年至百年后会在地球上消失。能源是人类社会之所以能够飞速发展的原因，随着石油，煤炭等一次能源的日益枯竭，能源危机也不断的向人类敲响了警钟。人类急需一种替代能源，而且这种能源能够取之不竭，用之不尽。太阳能无疑成为了首选，它有着别的能源好多所不具有的优势，所以近几十年来太阳能电池从试验室到工厂的大规模流水线生产，都说明太阳能是未来人类所赖以生存和发展的新能源！

随着国内太阳能产业的不断发展壮大，国内太阳能设备的生产也变得越来越成熟。整个电池片生产环节中扩散环节是形成P–N结的过程，是整个电池片生产过程的核心环节。对扩散过程的严格要求无疑是对扩散设备性能的严格要求。扩散工艺过程中温度控制系统能否依照工艺过程良好的控温直接关系到扩散整个反应过程的质量好坏。因此扩散设备的温度控制系统的优劣是衡量扩散设备性能的关键。而衡量扩散设备优劣的关键则是其温度控制的性能。2扩散炉温度控制系统2.1温度串级控制单元

系统控制框图如下图Fig.1，Fig.2所示，工控机采用研华

IPC610P计算机，显示器为工业一体化15〞触摸显示器，通讯接口为RS485，温度控制为SDC45A山武串级温控仪，触发器采用过零触发电路，功率部件由特种变压器，空气开关，交流接触器，熔断器，

可控硅，等组合而成，加热炉为进口直径8mm电热线材绕制而成。

触摸显示器工控机RS485温度控制加热炉功率部件触发器Fig.1

加热炉管内热电偶控温热电偶保护热电偶保护温控仪功率部件触发部件温控仪超温保护通讯接口工控机Fig.2显示器

2.2控温原理

炉腔中反应管内温度的稳定要靠调理炉管外炉丝的加热功率来控制。就扩散炉的控温方式而言，炉壁上的热电偶测得的温度不能实时反应出反应管内的温度变化。因此，相对于炉腔中温度的变化，温度调理系统的动作会有很大的滞后性。为了提高回温及温度稳定的速度和温区稳定性，设备温度控制环节选用了控温性能好，响应速度快的双回路串级温度调理系统。

如图Fig.2所示，外热偶与炉腔垂直，五个温区分别用5支直径为0.5mm长130mm的S型热电偶。内热偶与炉腔平行，由对应于外热偶位置的5支长短不一的S型热电偶组成。

置于炉壁处的外热偶与一组PID调理系统及可控硅触发器，加热功率部件组成的内环副调理系统，用来控制炉丝加热电流的大小。而位置与外热偶对应，被放于炉腔中的内热偶则将测得的温度mV值与设定值比较后，与PID1，PID2及触发，加热系统组成外环主调理回路，来监控炉腔内恒温区的温度变化。当出现电网电压，环境温度变化等外来干扰时，外热偶最先检测到，并在对炉温造成影响之前通过调理环节将其校正。而炉腔内由于舟的移动，气流变化等引起温度变化时，内热偶即可马上检测出来，经比较，运算后迅速调理功率输出来战胜扰动对温度的影响。由于某种原因引起炉温低于设定值时，将会有以下变化（用于加热系统时，调理器为反作用）；内炉体温度降低，经内热偶检测到后，反馈到输入端与设定值相比较，这时调理器感受的是一个负偏差，经比较及PID1运算后的输出

就会增加，这也就是说内环负调理器的设定值增加了。与此同时，由于外炉温降低，经外热偶检测到并反馈到输入端，这时副调理器感觉到的就是一个比较大的负偏差，经比较及PID2运算后，输出就要大幅增加，通过触发器使可控硅的导通角迅速增大，炉丝加热电流急剧增加，从而使炉子的温度很快恢复到设定值。同样的道理，由于电压升高或降低使炉温发生变化时，通过内环的调理作用，只需对输出稍作改变，即可该变化影响内炉温之前便使系统达到稳定。由以上可见，串级调理系统中由于副回路的存在，改善了被控对象的特性，使调理过程加快，表现在不仅能迅速战胜作用于副回路的干扰，而且对作用于主控对象的干扰也能加速战好过程。因此，副回路具有先调，粗调，快调的特点，而主回路则具有后调，细调，慢调的特点，并对副回路没有战胜掉的干扰完全加以战胜。通过串级温度调理系统中主，副回路的共同作用，能有效的提高系统的反应速度，解决原单PID回路控温系统存在的回温时间长等问题。

2.3硬件电路和软件的实现1双向可控硅

晶闸管又叫可控硅(SiliconControlledRectifier,SCR)。是一种十分重要的功率器件，可用来做高电压和大电流的控制可控硅器件主要用在开关方面，使器件从关闭或阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然