專利名稱：基于工業總線的晶體生長智能控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于晶體生長控制領域，具體涉及一種基于工業總線的晶體生長智能控制系統。
背景技術：
材料科學是多學科交叉與結合的結晶，是一門與工程技術密不可分的應用科學。 材料科學作為現代文明的三大支柱(能源、信息、材料)之一，是人類文明的物質基礎。 晶體生長屬于材料科學領域，是其發展的前沿，一些高新科學技術的發展，無一不和晶體材料密切相關。晶體生長的成敗與生長過程中對溫度和運動的控制密切相關，需對溫度和運動進行精確控制。建立合適的溫度場是生長優質晶體的先決條件，而溫度控制的精確可靠是保證溫度場穩定的關鍵，溫度場溫度梯度過大或冷卻降溫速率過快等因素都會導致晶體生長不穩定，出現開裂或氣泡。晶體生長運動控制的穩定可靠是制備合格晶體的必要條件。在晶體生長過程中，需要在一定的溫度條件下進行籽晶的接種、旋轉、提拉等一系列操作，而且每個操作對運動控制的要求各不相同，運動參數設置的不合理或運動過程的不穩定都會導致晶體出現缺陷，產生空腔或氣泡。此外，晶體生長周期長，成本高，生長過程中出現的突發狀況如果未得到及時處理都會導致晶體生長失敗，造成巨大損失。當前許多業內廠家大多采用分立儀表或組態軟件的測量控制方案，系統包含有溫度儀表，電路電壓儀表，歐陸表，光柵表，電機控制器等多種儀器儀表，系統結構復雜，存在數據傳輸種類多、控制距離近、抗干擾能力差、可擴展性低、生產成品率低、能源消耗高等缺點，制約了能耗比和性價比的提高。此外，目前大部分的晶體生長系統都是采取人工操控的方式對晶體生長過程的進行控制，依靠經驗主導生產，缺少科學性和可靠性。由于缺少對晶體生長過程中控制參數和運行參數的自動記錄和分析，無法實現控制流程的優化，生產控制自動化和智能化程度也較低。據此，有必要對現有晶體生長控制系統進行改進，提高晶體生長的成品率，降低生產成本和能耗，以滿足當前社會生產發展對晶體材料的需求。

發明內容
本發明針對現有晶體生長控制系統結構復雜、自動化智能化程度較低等不足，提出了一種基于工業總線的智能化晶體生長控制系統，該系統完全以計算機為中心進行數據計算、控制信號輸出、運行參數分析和實時顯示，利用工業總線的數據傳輸實現儀表數據監測和狀態監控以及智能控制器的晶體生長流程控制，具有集成度高，抗干擾能力強，結構簡單，成本低，全計算機界面操作方便快捷的優點。本發明采用的技術方案如下
基于工業總線的晶體生長智能控制系統，包括計算機、顯示器、鍵盤鼠標、RS232/485轉換器、多路溫度采集儀表、溫度傳感器、電流電壓采集儀表、電壓電流傳感器、稱重儀表、重量傳感器、智能控制器、旋轉電機手動開關、提拉電機行程開關、光柵尺、伺服電機驅動器、旋轉伺服電機、提拉伺服電機和可調功率電源，其中，所述智能控制器由RS232/485轉換器、微處理器、狀態指示燈、蜂鳴器、光電耦合電路、光柵信號調理電路、旋轉控制信號驅動電路、提拉控制信號驅動電路、DA轉換和隔離緩沖電路、以及EEPROM組成；
所述溫度傳感器分別安裝于生產爐的大蓋、整桿、正極、負極、爐體和電源處，并共同連接至多路溫度采集儀表，該儀表將溫度傳感器獲取的信號轉換成數字信號，再通過 RS232/485轉換器傳送至計算機；
所述電壓電流傳感器分別安裝于可控功率電源輸出回路，并共同連接至電流電壓采集儀表，該儀表將電壓電流傳感器獲取的電壓電流信號轉換成數字信號，再通過RS232/485 轉換器傳送至計算機；
所述重量傳感器安裝于籽晶桿上，并連接至稱重儀表，所述稱重儀表將稱重傳感器獲得的信號轉換成數字信號，再通過RS232/485轉換器傳送至計算機；
所述旋轉電機手動開關通過光電耦合電路向智能控制器提供外部輸入信號，智能控制器查詢手動開關的輸入信號，并對旋轉電機做出相應的控制；
所述提拉電機行程開關通過光電耦合電路向智能控制器提供外部輸入信號，智能控制器查詢行程開關的輸入信號，并判斷提拉電機是否運動到極限，控制提拉電機的運行； 所述光柵尺的滑塊與提拉電機帶動的提拉桿固定在一起，光柵尺將滑塊在移動過程中產生的位移脈沖輸入智能控制器，智能控制器將經過光柵信號調理電路調理后的兩路脈沖信號輸入微處理器，微處理器通過對兩路脈沖信號電參量的分析獲取運動信息，并對晶體生長提拉的位置進行計算；
所述智能控制器輸出的電機控制信號分別經旋轉控制信號驅動電路和提拉控制信號驅動電路驅動后，通過線驅動輸出方式分別與伺服電機驅動器相連，控制提拉交流伺服電機和旋轉交流伺服電機的運行，在電機控制中設置S型加減速曲線，有效減少轉速突變對機械系統的沖擊；
所述智能控制器通過改變DA轉換和隔離緩沖電路輸出控制電壓來控制可調功率電源的輸出功率，從而實現爐溫的控制；
所述智能控制器的微處理器通過RS232/485轉換器與計算機相連，將外部輸入開關量信息、光柵尺位置信息和EEPROM信息傳送至計算機的同時，接收計算機的控制，輸出相應的交流伺服電機控制信號和功率控制電壓；所述智能控制器控制指示電源、提拉脈沖、提拉方向、旋轉脈沖、旋轉方向、光柵脈沖、串口通信和報警狀態的狀態指示燈，并控制蜂鳴器進行聲音提不;
所述晶體生長智能控制系統通過計算機晶體生長智能控制程序實現系統運行控制參數和控制功能的界面顯示，完成控制參數的實時運算和系統數據的傳輸控制，與生產操作者進行人機交互；通過對晶體生長流程控制參數和狀態參數的分析實現晶體生長流程的優化和標準化，實現晶體的自動生長控制來提高生長效率。本發明的系統由軟硬件兩部分組成，系統硬件部分集成了電機控制、光柵檢測、輸入輸出數字控制、高精度控制電壓輸出等多個功能模塊，與市面上現有的控制系統相比，簡化了系統結構，降低了成本。軟件部分為運行于計算機上的晶體生長智能控制程序，通過 485總線對晶體生長過程中的溫度、重量、電流、電壓和晶體位置和重量等參數進行實時監測，采用圖形化參數顯示實時顯示系統參數和運行情況，具有長時間參數存儲、定量分析和過程優化等功能；控制程序通過485工業總線實現轉速、控制電壓、光柵坐標和運行狀態等的參數傳輸，指揮控制器實現智能化的電機提拉旋轉速度的控制、高精度的功率和溫度控制、光柵脈沖檢測和位置坐標計算，以及報警信息的獲取和顯示；控制程序界面具有良好的人際交互功能，取代了按鍵輸入和聲光提示等傳統交互方式，通過程序實現計算機控制下的操作控制，方便快捷。硬件部分的智能控制器集成了電機控制、光柵檢測、輸入輸出數字控制、高精度控制電壓輸出等功能，簡化了系統結構，降低了成本；在電機控制中設置了 S 型加減速曲線，有效減少轉速突變對機械系統的沖擊；電源的功率控制模仿歐陸表的功能和控制方法，計算機根據設置的電源輸出目標功率和功率斜率，每隔Is將計算所得的輸出電壓參數發送給智能控制器，實現加熱功率的精確控制，其控制精確達到六萬分之一(16 位DA)，滿足晶體生長過程中對溫度控制的需求；通過晶體生長流程控制參數和狀態參數的分析實現晶體生長流程的優化和標準化，并能實現自動生長控制，提高生長效率。本發明的系統被應用來進行泡生法藍寶石的生長，取得了良好的生長效果，生產過程的能耗得到了明顯的降低，晶體生長的成品率得到了提高。


圖I是本發明基于工業總線的晶體生長智能控制系統結構框圖。圖2是本發明系統的計算機控制程序界面。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。圖I為本發明系統結構框圖。本實施方式的系統硬件包括計算機1-1、顯示器1-2、 鍵盤鼠標l_3、RS232/485轉換器1_4、1_7和1_10、多路溫度采集儀表1_5、多路電壓電流采集儀表1-8、溫度傳感器1-6、電壓電流傳感器1-9、稱重儀表1-11、重量傳感器1-12、智能控制器1-24、旋轉電機手動開關1-25、提拉電機行程開關1-26、光柵尺1-27、伺服電機驅動器1-28和1-30、旋轉伺服電機1-29、提拉伺服電機1-31、可調功率電源1-32。其中，智能控制器1-24由RS232/485轉換器1_13、微處理器1_14、狀態指示燈1_15、蜂鳴器1_16、光電耦合電路1-17和1-18、光柵信號調理電路1-19、旋轉控制信號驅動電路1-20、提拉控制信號驅動電路1-21、DA轉換和隔離緩沖電路l-22、EEPR0Ml-23組成。計算機1-1提供計算機控制程序的運行環境，在顯示器1-2上顯示實時參數，并提供輸入參數和控制按鈕，用戶通過鍵盤鼠標1-3對程序進行操作，控制外圍設備實現晶體生長的控制。多路溫度采集儀表1-5、多路電壓電流采集儀表1-8、稱重儀表1-11及智能控制器 1-14與計算機1-1之間通過RS232/485轉換器1_4、1-7,1-10,1-13進行互聯，進行控制指令與數據的傳輸。RS232/485轉換器與計算機之間使用RS485工業總線相連，RS485工業總線采用平衡發送和差分接收方式實現通信，具有極強的抗共模干擾能力，最大的通信距離約為1219m，能夠很好地滿足工業環境下通訊要求，有效的抑制晶體生長車間的電磁干擾， 提高通訊的可靠性。光柵尺1-27上電后，滑塊在運動的過程中會產生兩路相位相差90度的脈沖信號， 脈沖信號的頻率反映了光柵尺的運動速度，脈沖個數反映了光柵尺的位移距離，相位的先后反映不同的運動方向。兩路脈沖信號通過光柵信號調理電路1-19輸入智能控制器1-24。 智能控制器1-24通過對兩路脈沖信號電參量的判別獲取運動信息，計算當前的位置，并通過RS485工業總線以Is的時間間隔定時將位置數據傳送至計算機，控制程序經處理后實時動態顯示提拉桿位置。驅動器輸入信號由一對差分脈沖信號和一對差分方向/脈沖控制信號組成，分別用來控制電機的轉速和運行方向。伺服電機驅動器1-28和1-30采用全數字電機控制算法， 具備良好的魯棒性和自適應能力，能夠很好的滿足晶體生長過程中對提拉和旋轉運動的要求，同時使用S型加減速曲線對速度控制，能夠有效減少轉速突變時對機械系統的沖擊。智能控制器1-24根據計算機控制程序設定的目標功率和功率斜率，自動計算每一時刻的輸出電壓參數，智能控制器1-24通過DA轉換和隔離緩沖電路1-22輸出高精度控制電壓來控制可調功率電源1-32的輸出功率，控制爐溫，為晶體的生長提供合適的溫度。 本發明所采用的功率控制方式具有與歐陸表相同的控制方法和功能，輸出控制電壓精確穩定，功率控制精度可以達到總功率的六萬分之一。所采用的功率控制方式替代了目前業內所使用歐陸表的功能，既增強了系統的智能性，又簡化了系統設計，降低了系統的成本，同時還提高了系統的穩定性和可靠性，兼顧了生產操作者使用歐陸表的習慣，具有很強的操作兼容性。本發明通過控制程序實現晶體生長過程參數的數據采集、特征分析、圖形顯示、智能控制器參數計算和控制等功能，通過良好的人機交互界面實現晶體生長過程的實時控制。控制程序每次運行都會以當前日期和時間為名，在計算機指定路徑下生成一個數據記錄文件，并每隔Is寫入當前時間、晶體生長參數和系統運行參數等數據，能夠實現長時間、 海量數據的存儲，便于后期的優化分析。控制程序利用間隔Is的連續自動采集獲得的數據，在圖形界面上繪制溫度、電流、電壓、功率、晶體生長量的實時變化曲線，為生產操作者提供直觀的參考。控制程序具有實時運行參數顯示、運行時間顯示、狀態指示、晶體重量顯示、光柵位置顯示、圖形顯示、升降控制、旋轉控制、電源控制、自動存儲、自動加工等諸多功能，可以實時顯示運行狀態，對晶體生長過程運行時間進行管理，實時記錄系統運行控制參數文件， 滿足生產實際需要，方便對生產過程進行控制和管理。控制程序的具體功能說明如下
(I)實時運行參數顯示
顯示系統運行過程中各類運行參數，包爐體功率、爐體電流、電源電壓、大蓋溫度、整桿溫度、正極溫度、負極溫度、爐體水溫、電源溫度，晶體重量和生長變化率等。(2)運行時間顯示
顯示本次加工的啟動日期、啟動時間、當前時間和加工時間，供生產操作者參考，為工作安排提供時間進度。(3)狀態指示
以醒目的顏色指示旋轉電機的正轉、反轉，提拉電機的上升、下降行程狀態以及溫度報警情況，為生產操作者提供直觀的運行狀態指示。(4)晶體重量顯示
顯示從稱重傳感器獲得晶體生長重量(單位kg，精度0. I g)，同時提供實時重量曲線和重量變化曲線，當重量變化超出一定的范圍時，提供生產異常報警。
(5)光柵位置顯示
示從光柵尺測 獲得的當前相對位置艱標(中.位mm,精度取決于光柵尺的精度)，為提拉過程提供準確的位置信息。(6)閣形S示
程序界而通過菜中中參數曲線的選擇實現晶體屮Ii參數的閣形化i:時 示，包括溫度、電流、電)玉、功率、Sii等參數。界而中晶體的牛K厚度會隨著稱重傳感器的測得值按比例變化，同時提拉桿和晶體也會隨著光柵尺的測得數據按比例上升或者下降，為操作者提供直觀的晶體牛說大小和位置的 示。(7)升降控制
程序界而顯示提供捉拉電機運行方向和轉速(中.位 i/h )的設定，經過計算機處理后通過485接口給智能控制器發送運行指令和運行參數，智能控制器Π動向捉拉伺服電機控制器輸出脈沖和方向信號。(8)旋轉控制
程序界而 示提供旋轉電機轉速〔中位r/min)的設定,經過計算機處理后通過485接口給智能控制器發送運廳參數，智能控制器Π動向旋轉伺服電機輸出脈外信號.而旋轉脈沖的停lh、正轉、反轉均山手動開關決定。(9)電源控制
程序界而 示設計丫歐陸表的功率控制功能,提供電源參數、0標功率和功率斜率的設定，能實現對功率的鎖定、解鎖、復位操作，同時顯示當前功率、B標電1±；、電Ji變化斜率、 當前輸出電)玉、升/降溫、電壓鎖定以及到達0標功率的時間.no) Il動數據存儲
在程序界而啟動加工流程后，程序以Is的時間間隔小斷存儲控制參數和運廳參數,把控制電1玉、系統功率、旋轉捉拉參數、監控溫度、晶體重禎等信息以文件形式存儲在計算機中，供以后的分析和優化。(11)自動加工
程序界而通過菜中巾運行控制中的Π動加丄，調ffl牛產質M好效率高的參數文件，按照文件中的加丄過程η動加丄’實現同-條件下的晶體H動屮長,提供晶體牛L<的質 和效率。木發明系統運丨Τ_前首先對計算機程序中保存的密匙和智能控制器RRPROM巾存放的硬件密匙進行匹配.匹配成功后Π動設定系統參數并允許后續操作，從而能夠有效保護系統和'+:產數據。閣2為本發明系統的計算機控制程序界而,具體操作方法說明如下 Π )啟動
在電源控制欄的電源功率文本框2-1、電源電Ji文木框2-2巾輸入電源參數〔最大功率、最大電JiO后，點擊當前狀態欄巾紅色按鍵2-3進入“正在運丨Γ’狀態,此時按鍵2-3變為綠色。系統會Il動以當前H期和時間為名，在計算機指定路徑下建立晶體牛長參數illiS 文件， 現ls_ -次的參數C錄。(2)晶體重M、光柵坐標淸零
按下按鍵2-4.使晶體Sit變為零。按下按鍵2-5.使光柵坐標變為零。
(3)升降確認/修改
確認在提速框2-6中輸入速度參數、選擇上升/下降2-7后，按確認2-8按鍵,提拉電機開始丄作,此時按鍵2-8變為“修改”。修改如需修改提拉電機速度/方向，先按修改按鍵2-8,使提拉電機停Ih丄作.此時按鍵2-8變為“確認”。然后重新輸入速度參數或選擇方向，冉按確認按鍵.之后提拉電機將以新設定的速度/方向丄作,此時按鍵2-8變為“修改”。(4)旋轉確認/修改
確認在轉速框2-9巾輸入速度參數,按確認按鍵2-10,此時按鍵2-10變為“修改”。正轉/反轉/停轉山手動開關控制。修改如需修改旋轉電機速度，先按修改按鍵2-10.此時按鍵2-10變為“確認”.然后重新輸入速度參數,冉按確認按鍵2-10,此時按鍵2-10變為“修改”。(5)電源控制
①0標功率和功率斜率的確認/修改
確認在B標功率框2-11輸入0標功率、在功率斜率框2-12輸入功率斜率后,按確認按鍵2-13,此時按鍵2-13變為“修改”。電源控制開始丄作，0標電壓、電)玉斜率、當前功率、 當前電丨玉、升/降溫和到達B標時間開始 示。修改如需修改0標功率/功率斜率,按修改按鍵.此時按鍵2-13變為“確認”。電源控制部分暫停。當前功率、當前電Hi保持小變。S新輸入0標功率/斜率.冉按確認按鍵 2-13,即以新的0標功率/電Ji斜率丄作，重新計時,此時按鍵2-13變為“修改”。②鎖定/解鎖
鎖定按下鎖定按鍵2-14,此時按鍵2-14變為“解鎖”,當前功率和當前電丨玉保持小變。 顯示鎖定時間。解鎖按下解鎖按鍵2-14,此時按鍵2-14變為“鎖定”.對當前功率和當前電壓解鎖。繼續顯示ΤΙ_ /降溫時間，當前功率和當前電)玉按照原定斜率變化。③復位按下復位按鍵2-15。各參數淸零。時間 示小町見。電源控制部分停Ih 丄作。需重新設置0標功率和功率斜率才》丨繼續丄作。④電源控制操作示例
a.設置電源功率、電源電)玉分別為120000W, 10V。啟動系統。b.剛啟動系統，此時當前功率為0W。若想6小時升至30000W,則設置目標功率為 30000W,功率斜率為5000W/h,點擊確認按鍵。c.假設當前功率為30000W,若想兩小時升至30500W,即2小時升500W,則點擊電源控制框中的修改按鍵,設置0標功率為30500*’功率斜率為250W/h.冉點擊確認按鍵。d.假設當前功率為50000W,若想兩小時降至49980W,即兩小時降20W。則點擊電源控制框巾的修改按鍵,設置B標功率為49980W,功率斜率為-10W/h (注意降溫時，功率斜率為負值,需要輸入負號)，冉點擊確認按鍵。(6)停 Ih
在當前狀態欄巾，按綠色按鍵2-3進入系統“停lh”狀態，停Ih^次晶體牛:長參數iiliS 文件的數據寫入。(7)參數曲線在計算機控制軟件的菜中巾.提供/參數曲線的實時 示功能.通過下拉菜中選中需要 示的參數，就Uj以形成一個實時運丨T_的參數曲線1冬I.在系統的運行過程中Π動顯示。(8)數據導入
在計算機控制軟件的菜中巾.提供」'數據導入的參數調ffl功能.4以導入已有的晶體 Ii參數ΕΛ文件，實現Π動晶體屮K。木發明的系統以計算機為中心，利用工業總線進行數據通訊,通過儀表對運廳參數進廳實時監測，以智能控制器作為執廳器實現晶體牛說的Π動化和智能化控制。
權利要求
1.基于工業總線的晶體生長智能控制系統，包括計算機、顯示器、鍵盤鼠標、RS232/485 轉換器、多路溫度采集儀表、溫度傳感器、電流電壓采集儀表、電壓電流傳感器、稱重儀表、重量傳感器、智能控制器、旋轉電機手動開關、提拉電機行程開關、光柵尺、伺服電機驅動器、旋轉伺服電機、提拉伺服電機和可調功率電源，其特征在于，所述智能控制器由 RS232/485轉換器、微處理器、狀態指TjV燈、蜂鳴器、光電稱合電路、光柵信號調理電路、旋轉控制信號驅動電路、提拉控制信號驅動電路、DA轉換和隔離緩沖電路、以及EEPROM組成； 所述溫度傳感器分別安裝于生產爐的大蓋、整桿、正極、負極、爐體和電源處，并共同連接至多路溫度采集儀表，該儀表將溫度傳感器獲取的信號轉換成數字信號，再通過 RS232/485轉換器傳送至計算機；所述電壓電流傳感器分別安裝于可控功率電源輸出回路，并共同連接至電流電壓采集儀表，該儀表將電壓電流傳感器獲取的電壓電流信號轉換成數字信號，再通過RS232/485 轉換器傳送至計算機；所述重量傳感器安裝于籽晶桿上，并連接至稱重儀表，所述稱重儀表將稱重傳感器獲得的信號轉換成數字信號，再通過RS232/485轉換器傳送至計算機；所述旋轉電機手動開關通過光電耦合電路向智能控制器提供外部輸入信號，智能控制器查詢手動開關的輸入信號，并對旋轉電機做出相應的控制；所述提拉電機行程開關通過光電耦合電路向智能控制器提供外部輸入信號，智能控制器查詢行程開關的輸入信號，并判斷提拉電機是否運動到極限，控制提拉電機的運行； 所述光柵尺的滑塊與提拉電機帶動的提拉桿固定在一起，光柵尺將滑塊在移動過程中產生的位移脈沖輸入智能控制器，智能控制器將經過光柵信號調理電路調理后的兩路脈沖信號輸入微處理器，微處理器通過對兩路脈沖信號電參量的分析獲取運動信息，并對晶體生長提拉的位置進行計算；所述智能控制器輸出的電機控制信號分別經旋轉控制信號驅動電路和提拉控制信號驅動電路驅動后，通過線驅動輸出方式分別與伺服電機驅動器相連，控制提拉交流伺服電機和旋轉交流伺服電機的運行，在電機控制中設置S型加減速曲線，有效減少轉速突變對機械系統的沖擊；所述智能控制器通過改變DA轉換和隔離緩沖電路輸出控制電壓來控制可調功率電源的輸出功率，從而實現爐溫的控制；所述智能控制器的微處理器通過RS232/485轉換器與計算機相連，將外部輸入開關量信息、光柵尺位置信息和EEPROM信息傳送至計算機的同時，接收計算機的控制，輸出相應的交流伺服電機控制信號和功率控制電壓；所述智能控制器控制指示電源、提拉脈沖、提拉方向、旋轉脈沖、旋轉方向、光柵脈沖、串口通信和報警狀態的狀態指示燈，并控制蜂鳴器進行聲音提不;所述晶體生長智能控制系統通過計算機晶體生長智能控制程序實現系統運行控制參數和控制功能的界面顯示，完成控制參數的實時運算和系統數據的傳輸控制，與生產操作者進行人機交互。
全文摘要
本發明公開了一種基于工業總線的智能化晶體生長控制系統。以計算機為中心，利用工業總線的數據傳輸實現儀表數據監測和智能控制器的晶體生長流程控制，具有集成度高，抗干擾能力強的優點。計算機通過485總線對晶體生長過程進行監測，圖形化實時顯示運行參數，具有長時間數據存儲、定量分析和過程優化功能；智能控制器通過傳輸參數實現電機提拉旋轉的速度精確控制，高精度功率和溫度自動控制，光柵脈沖檢測和坐標計算，以及報警信息的獲取和指示；系統設置了S型加減速曲線有效減少轉速突變對機械系統的沖擊，模擬歐陸表精確輸出電壓控制電源功率，通過數據分析實現生長流程的優化和自動化，降低能耗比，提高晶體的生長質量和效率。
文檔編號C30B15/20GK102534757SQ20121000249
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者孫曉冬, 張鳳, 馬青玉 申請人:南京師范大學