基于PLC的单晶炉的自动化控制系统的设计

基于PLC的单晶炉的自动化控制系统的设计

摘要

在单晶炉晶体的生长过程中，生产工艺的自动化水平和引晶、放肩、等径和收尾这四个生产阶段炉内温度的控制觉得这产品的质量，尤其是炉内温度的控制在单晶硅晶体形成的过程中起到了极为关键的作用。就我国而言，大部分的单晶硅生产企业的单晶炉无论是生产工艺还是自动化水平都较为落后，炉内温度的控制精度不高直接影响了生产的产品只能处于质量的低端，只能应用于光伏发电等领域，而无法进入芯片的高端领域。

本文首先对相关研究背景、课题需求、国内外研究现状及论文的研究目的与内容做以介绍，然后对本文涉及的系统建模、参数识别及非线性数学模型的线性化分析等基础理论进行分析，通过对本系统控制方案的设计以及控制与检测仪表的选型等内容引出，本文的重点分析部分，主要介绍基于模型预测算法的单晶炉温度控制的设计与实现过程，以等径阶段模型预测控制器设计及其仿真为切入点进行介绍，然后通过比较MPC和PID之间在系统控制效果得出单晶炉温度控制应以MPC控制器为首选，最后通过等径阶段模拟控制器在单晶炉其他三个重要阶段的使用得出，每个阶段都应该有一个符合自己系统的控制器，并要根据各个阶段生产工艺的实际对每阶段模型间的切换时间进行合理安排；

本文以系统建模、参数识别及非线性数字模型的线性化为理论基础，通过S7-300系列PLC和WINCC组态软件的控制系统，对基于模型预测算法在单晶炉温度控制的应用进行分析。在研究的顺序看，在对模型预测控制等相关内容介绍之后，以单晶炉晶体生产最为重要的等径阶段为研究切入点，通过对等径阶段模型预测控制器的设计与仿真的介绍，并在控制效果和抗干扰两个方面MPC和PID控制算法对单晶炉温度控制的比较，得出MPC更加适合单晶炉在温度方面的控制，然后把在等径阶段的MPC控制器运用到单晶炉晶体生产的其他三阶段，通过对温度控制参数的比较与仿真得出，在单晶炉晶体成长的四个重要阶段，需

要通过通过不同的MPC控制器来控制炉内的温度，并对每个阶段模型控制器间的切换进行合理优化。

通过对模型预测算法在单晶炉晶体成长四个重要阶段的研究，我们得出传统的PID调节已经无法满足现阶段工业企业对高品质单晶硅的质量要求，需要采用更加合理的模型建立与优化使得企业生产的自动化程度得以提升，同时，更为重要的是能够对单晶炉炉内的温度进行精确化的调节，满足生产工艺在各个阶段对炉内温度的要求，最终使得单晶炉生产出的单晶硅质量更高，能够符合高端芯片领域的需求。

关键字：单晶炉；PLC；模型预测算法

Abstract

During the growth of single-crystal furnace crystal, production process automation and seeding, shouldering, and other control path and ending the four stages of production furnace temperature feel the quality of this product, especially to control the temperature in the furnace single crystal silicon crystal formation process played a crucial role. In our case, most of the single-crystal silicon production enterprises furnace production process or whether it is the level of automation are lagging behind, furnace temperature control accuracy is not high direct impact on the quality of the products can only be in the low end, It can only be used in photovoltaic power generation, and can not enter the field of high-end chip.

Firstly, the need for relevant research background, topics, current research and research purposes and to introduce the contents of this paper to do, then the basic theory system modeling referred to herein, parameter identification of linear and nonlinear mathematical model analysis for analysis through this system, the control scheme design and control and instrumentation selection, and other content leads, focusing analysis section of this paper describes the design and implementation based on model predictive control algorithm of single crystal furnace temperature to equal-stage model prediction controller design and simulation introduced as a starting point, then obtain single-crystal furnace temperature control by comparison between the MPC and PID control system should be based on the effect of the MPC controller is preferred, the final stage through the Equal analog controller in a single crystal other three important stages of the draw furnace, each stage should have a system in line with its own controller, and to the actual handover time between each stage of the model will be based on reasonable arrangements for the various stages of the production process;

In this paper, linear systems modeling, parameter identification and nonlinear numerical model into the theoretical basis, by S7-300 series PLC and WINCC configuration software control system, the model prediction algorithms based on the analysis of the single crystal furnace temperature control applications . In order to see the study, after the model predictive control and other related content introduced to

the single crystal furnace crystal production the most important stage of research point equal diameter, through the design and simulation of model predictive controller Equal stage of introduction, and control and interference effect both MPC and PID control algorithms for controlling the temperature of the single crystal furnace, obtained MPC is more suitable for single crystal furnace control in terms of temperature, and then put in the Equal stage MPC controller to use the other three stages of the production of crystal single crystal furnace, by comparison with the simulation of the temperature control parameters derived in four important stages of crystal growth of the single crystal furnace, need to pass through different MPC controller to control the temperature of the furnace, and rational optimization model for each stage switching controllers.

Through the study of model predictive algorithm in crystal growth of single crystal furnace four important stages, we have come to the traditional PID controller has been unable to meet the quality requirements of the present stage of industrial enterprises of high-quality single-crystal silicon, the need to adopt a more rational model and optimization allows automation of production can be improved, while the more important to be able to single-crystal furnace temperature of the furnace for precise adjustment to meet the production process at all stages of the furnace temperature requirements, and ultimately makes the single crystal furnace produce higher quality single crystal silicon, can meet the needs of high-end chips.

Keywords: single crystal furnace; PLC; model predictive algorithm

第一章绪论

1.1概述

1.1.1 研究背景

硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。单晶硅可以用于二极管级、整流器件级、电路级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品集成电路和半导体分离器件已广泛应用于各个领域，在军事电子设备中也占有重要地位。在全球电子信息产业已经超过2000亿美元的今天，99%的集成电路都采用的是单晶硅，95%以上的半导体元件也是采用的单晶硅。单晶硅作为一种极具潜能，亟待开发利用的高科技资源，正引起越来越多的关注和重视，小到手机、PC机，汽车，太阳能的电路板，大至高铁、航天器材，卫星等等高端科技的制造产物都离不开单晶硅。

全球的单晶硅产量与消耗比例是1:0.7，目前全世界的单晶硅产量大约10000吨左右。我国在第十二个五年计划期间，光单晶硅的总产量就实现了30%比例上升。在2015年以前，在我国半导体大约单晶硅消耗的量为800吨，太阳能电池产业消耗单晶硅6000吨，而我国年生产单晶硅只有7200余吨。

单晶硅生产加工的主要设备是单晶炉，生产单晶硅的品质好坏取决于单晶炉在生产现场工作时对它的热场控制是否能达到预先设定的精确值。现今的材料市场对单晶硅的质量要求越来越严格，这也充侧面说明了单晶炉在工作时温度控制精确是非常有必要的。根据现场对数据的统计，单晶炉工作时的热场惯性非常之大，曲线呈现非线性以及热场内耦合性强的特性。再有一点，单晶炉很容易受到电源电压的波动从而产生一定的影响。综上所述，本文将针对单晶炉的热场温度，来具体分析研究如何控制热场的温度不受干扰，进而对设计出的单晶炉自动控制系统有着很强的指导性和理论研究的价值。

1.1.2 课题需求分析

随时社会不断你的先前发展，清洁能源已经越来越受到人们的关注。太阳能作为绿色能源革命的引导者，正走在行业前列。太阳能电池的制造离不开单晶硅的应用，正如它在其它领域所发挥的重要性一样，伴随光伏研究迈向成熟，单晶硅的需求量将是不可限量的。

在目前单晶硅的生产领域中，最广泛应用的悬浮区熔法(FZ)和直拉法(CZ)。

悬浮区熔法在生产的过程中不适用石英柑锅，处于高温的硅在混合的时候没有接触到其它的杂质，因而得到的单晶硅可以获得非常高的纯度。不在在于使用上述方法生产出的单晶硅中的氧的含量比较低，无法生长出具有很大直径的单晶硅。悬浮区熔法所生产出的单晶硅大部分在高压大功率的可控制流器件的领域内，期应用的范围包含了技能灯生产、电视机的制造、电力机车的制造，整流器、变频器和机电一体化的生产等。直拉法的生产过程是将原料放入钳锅中，在钳锅中的上方装有一个可以旋转、升降的籽晶杆，在籽晶杆的下方有一个端有一个夹头，在其上面捆绑着一根籽晶。待到原料完全融化之后，把籽晶直接的插进熔体中去，调整温度在合适的范围内，一边转动平台，一边提拉籽晶，以便得到需要的单晶体。此类方法是根据长晶体的差异化要求，利用高频以及中频感应来进行加热，或者利用电阻来进行加热。二极管的制造，外延片衬底的制造，太阳能电池的制造以及半导体集成电路的制造等都有广泛的应用。直拉法利用的主要生产设备就是单晶炉，对单晶炉的研究特别是控制系统的产生有着极其重要的影响。

最近一段时期，我国的集成电路业在一定程度上得到了快速的发展，可是与之相比半导体的制造行业并没有取得相同增长速度。我国的淡斑提发展业无论是技术水平、设备的稳定性，自动化的程度上与国际其他水平有着10~15年的差距，这也使得我国半导体设备市场占有率偏低，大部分的设备都是成套的从国外购买进来。

进入20世纪90年代以来，在中国IC制造产业的设备一般依赖进口；当进入21世纪，国内涌现出一批大的IC企业，华晶公司、华越公司的扩建、首钢NEC公司、合资的贝岭公司、上海先进半导体公司、美国摩托罗拉天津半导体工厂都使得IC专用设备在我国进一步扩大市场。虽然制造设备水平的飞速发展，但是大部分的设备制造生产线是从国外整套进口。而我国自行生产的设备只被用于一些科研机构，中、小型的国企单位，和一些零星的小规模的IC制造厂家使用。

要想使我国的电路产业和光伏产业迅猛的发展起来，就需要我们的研究团队和行业的从事者贡献出自己的力量，在研发高精端的方面和满足大众市场单晶硅设备要求方面做足文章。在国家的层面上，政策的倾斜和大量资金的注入也可以助力单晶硅的发展局面，彻底摆脱我国单晶硅设备全部依赖进口的现状。目前的形式，在我国半导体的专业制造正处于机会与挑战共存的大境下。本片课题以模型预测法控制器为研究对象，重点研究单晶炉的温度控制方面，来完成一个高质

量的PLC系统，以促进我国的单晶硅产业的快速先前发展。

1.2国内外研究现状

现今在人工单晶硅的研究发展方向都是追求大直径，高质量、产业化的目标，也就对与之配套的人工晶体生长所需要的配套设备向着大型化的方面发展，并有良好的稳定性、较高的质量要求，自动化程度高，操作简便等一系列的优点。按照这个趋势，在我国以及国际上各个厂家都已经在这个领小有建树。

国际上领先的单位有美国KAYEX公司和德国CGS公司，他们的主要产品是全自动硅单晶体生长炉。上述两家公司技术目前占据着世界硅单晶体生长炉制造的前两位，主要产品是直拉单晶炉，并且一直引领世界技术的潮流。两家公司的硅晶体生长炉从抽真空、检漏、熔料、引径、放肩、等径、收尾、关机等一套程序完全由PLC实施自动的控制。而且产品质量非常的好，品相完美，在等径生长时偏差仅为1毫米。

在我国，目前单晶炉温度控制部分中的电器性能可靠、稳定，一些主要的指标已经达到了20世纪初期同类产品的国际水平。但是我国的单晶生长设备在生产设计上较国际上一些先进国际例如美、德、日、丹麦等拥有先进技术的国家还存在着较大差距。在外国，系统中的控制部分几乎不含人工参与的部分，可实现自动化生长，每一个控制系统都是以模块的形式存在的，具有很好的可移植性，适用多种型号的单晶体和掺杂半导体的生长；最主要的优点是可控精度高，缺点就是价格普遍较高，国内很难实现普及。

在我国，具有代表性的企业是西安理工大学工厂与浙江大学机械厂。前者已经实现的研发自主性、产品普及性；绝大部分的产品是供给太阳能电池市场；后者是与美国KAYEX公司共同研发，美国企业控股，浙江大学机械厂装配与调试，核心技术材料均由美国引进。

晶体生长控制柜、加热功率部件、真空机组及液压升降继电控制单元、辅助控制部分组成了我国的单晶炉PLC的四大主要系统。晶体生长控制柜的组成包括了晶升控制的单元部分、锅升控制的单元部分、晶转控制的单元部分、锅转的控制单元部分、温度控制的单元部分以及继电控制的单元部分。上述单元控制部分可独立完成各自功效。到达引晶与放肩的阶段时采用手动操作，若进行等径阶段可将单片机控制器或者是工控机应用到系统里，依照设定完毕的生长曲线进行等径控制，继而手动完成最后的收尾工作。

就当下研究的阶段来说，我国的单晶生长设备有了长足的改进，它的电器系

统大部分是由进口驱动器组成的工控机来控制，一些关键的传动部分应为外国知名的电机，利用多楔带传动，在增加了转矩的同时，又让系统平稳工作，不产生震动，保证了晶体生长所需要的微宏观质量。双段式的加热系统一般普遍应用于温度控制，依据单晶产品工艺曲线，设定不同的加热温度值控制它的不同生长阶段。两段式加热不同于主功率。欧陆8185应用于主加热的主控制器，可闭环控制加热温度，精度可以达到士0.5℃，控径的精度达到士1mm。三相全桥可控电路组成了主控制回路，大幅度的减少电流脉动。单晶炉加热构成是以一个集成度很高的电源为基础。当今应用最为广泛的是脉动直流电源，把工频三相交流电转换频率连续的单相交流电来供给单晶炉加热，优点是消耗功率低，热效高。在一个标准控制柜内有电源的所有元器件，对应的指示灯控制按钮，通过调节，实现手动调节输出电压与电流的目的，可以方便的控制晶体生长时的炉温，在面板上还可以显示炉内电压、炉内电流及功率等参数。

1.3研究目的和内容

我们课题的最主要的目的在于应用可靠性能高的可编程控制器为核心进而形成单晶生长的控制系统，来满足使用方在晶体生长过程里的质量及精度还有可靠性方面的各种要求。利用PLC并结合上智能端子控制端，配以信号处理核心，采用触摸屏构建出人机友好界面，应用目前流行的CCD测量元件，加上液面测温的各种检测的环节，利用现场的总线加工和太网来完善系统控制。晶体生长的全自动系统的设计完成，实现了引径、等径和收尾段的自动控制过程，在国内单晶炉控制处于领先地位，在国际上可实现单晶炉控制的现有行业标准。

1.4本文章节安排

本文由五部分章节组成，从研究背景和国内外研究现状开启论文的研究与分析，然后对论文中设计的相关理论知识做以介绍并对控制设计方案及控制检测设备的选型进行介绍，最后通过对模拟预测算法在单晶炉温度控制中的应用做以全面的分析与介绍。具体安排如下：

第一章，绪论部分，主要介绍本文的研究背景、课题需求、国内外研究现状及论文的研究目的与内容；

第二章，相关理论分析部分，主要介绍在本文中涉及的系统建模、参数识别及非线性数学模型的线性化分析等基础理论；

第三章，控制设计方案介绍部分，主要介绍本系统控制方案的设计以及控制与检测仪表的选型等内容；

第四章，本文的重点分析部分，主要介绍基于模型预测算法的单晶炉温度控制的设计与实现过程，以等径阶段模型预测控制器设计及其仿真为切入点进行介绍，然后通过比较MPC和PID之间在系统控制效果得出单晶炉温度控制应以MPC控制器为首选，最后通过等径阶段模拟控制器在单晶炉其他三个重要阶段的使用得出，每个阶段都应该有一个符合自己系统的控制器；

第五章，结论部分，主要对本文得出的相关结论进行总结。

第二章模型参数辨识算法及线性化理论

2. 1系统建模及参数辨识原理

2.1.1系统建模

模型存在多种的样式。根据实际中研究的不同的问题来进行相应的选择，包括图表模型、物理模型、直观模型以及数学模型。数学模型依据不同的条件分为不同总类，包括线性与非线性模型、静态与动态模型和参数与非参数模型等等。依据系统输入和输出测量的数据构建出动态系统数学模型称之为系统建模。依据掌握过程先验知识的程度，可将系统建模划分为实验建模、机理建模和混杂建模方法。机理建模又被称作白箱建模。依据其系统的能量和动量守恒，质量和构造关系推算出所描述系统的数学模型。准确的了解对象内部的特性，加之研究对象需要的物理化学特性及相关的知识，区分不同对象的特性分析，所以机理建模有着巨大的工作强度。在理想化状态下，机理建模可以获得明确的模型变量间关系，将对象的研究精度变现出来。但是在工业领域使用这一建模方式十分的困难。即时市面上存在着一些机理建模的应用软件，可是它们只是针对一些特殊领域或者是某一特定的情况,适用性很差,成而且本很高。再者机理建模真实的反映了实物的各种特性，它得到的模型阶次很高, 结构相对复杂,基于上述几点，可能对模型分析及控制器的设计存在一定的影响。

实验建模:也被称作黑箱建模。不同于机理建模，在建模中不将对象的物理化学特性与实际结构纳入其中，利用实验中获得的对象输入及输出的数据,，配以相应的数学和实验方式来进行的模型数据训练、响应辨识以及数据拟合而得到的对象的最终模型。这种建模克服了机理建模时的大工作量和适应力较差的问题，所以被普遍应用。实验建模采用了实际的测量数据，所以无法对全工况开展测量和数据训练, 模型的实际应用会存在较很大偏差。

混杂建模：或者称之为灰箱建模，可以理解为机理建模和实验建模的融合。其对研究已知对象的结构部分，同时无法全部依靠机理建模方式来建立模型时的情况。这种建模已经考虑到了已知对象的大部分信息，例如对象的结构和实测的数据等等，将这些信息当中参数训练估计的约束与实验建模方法相对比,这种方式虽然增加了系统物理和化学关系的讨论与研究，加大了工作的负担，可是与机理建模时的工作量相比还是要小的很多，得出的效果针对模型结构等情况进一步的加深了解有着显著的作用，使得模型建立的精确性、可用性保证更高。因此，混杂建模在相对复杂的工业过程中的使用时有着良好的表现，更有利于实现更高

的效益，综上所述混杂建模很值得去深入的探索和研究。

2. 1.2参数辨识

虽然在不同时期，每个研究者对于系统辨识有着不一样的认知和定义，在表达上有一定的差距，可是意思是相近的。将各位研究学者的定义加以总结，得出的结论是系统辨识就是寻找或者拟合的过程。寻找指的是特定的利用系统模型，寻找出一个需要辨识的对象的理想状态下的真实模型最相近的一个：拟合指的是利用实测数据的基础，利用相应的函数约束，获得一个和实际对象的拟合度最为贴切的数学模型。系统辨识的四大基本要点通过对系统辨识可以得出：一、必须有辨识系统输入数据；二、辨识系统输出数据；三、已知模型结构或者模型的类型；四、等价准则和辨识算法。系统辨识在大的方向上来看，主要包含两个方面，第一，模型的辨识，解决的主要问题是在辨识对象的结构参数不能完整确定的时候，如何利用系统的输入数据和输出数据所显现出的系统特性、规律，来实现这一个规律即为利用数学模型来替代真实的系统。第二，模型参数辨识，主要针对明确了对象的数学模型形式或者是阶次等模型结构情况下，怎样利用现有信息来确定和优化既定模型中的未知参数。

图2-1系统辨识步骤示意图

参数辨识包含在系统辨识当中，可反映出模型参数确定是反映出的实测数

据。参数的辨识可以从系统辨识的示意图完成的实验测试的环境当中来进行的，

它表现出的系统辨识与参数辨识理论当中是完全迥异的两个过程，可是实际过程

中，他们一般是结合在一起同步发生的，就过程对辨识可大概分为以下几个步骤：

（1）系统辨识的实验设计，发掘利用现今已被熟知的过程信息，用以设计

采集数据环境和类型，尽可能的应用那些可以全面反映过程的数据；

（2）利用趋势校正、去均值等一些方法来处理采集的数据，规避由数据原

因导致的辨识结构的不准确性甚至是不能使用；

（3）模型结构辨识，它的辨识方法是靠先验知识以及辨识目的，从而获得

模型的阶次和时滞等一些必要的参数：四、参数辨识或叫做参数估计，也被人们

称为参数优化。在模型中找出那些不能确定的参数，依据实测的数据利用数学的方法来评估和拟合，确保最优化参数基础的模型与实测输出相近，也可是某一项指标达到最小，例如方差等等。估计数学方法往往选择很多，例如梯度下降和最小二乘等，在实际的操作过程中要依据不同问题来选择估计的算法；最终得到的所辨识的模型，利用模型的验证的方法啦考察模型的准确性，是否可是在控制中等到使用，离线的方式是用来验证其有效的方法之一，即为利用另一段已经实际测量的数据输入激励模型，来观察两者之间是否存在差别，而差别的大小是否在符合要求的范围之内，或者利用采取在线之方法，把辨识模型放置实际过程用以观察输出值状况。

2.2 非线性数学模型的线性化

所谓非线性化系统的线性化是原来的系统工作点的附件的有效区域的线性逼近。现实的系统中，所有的组成元件都存在非线性的性质，也就是绝对的线性元件是根本不可能存在的。就拿欧姆定律作为示例，阻力一定的时候，可以认为通过电阻的电压与电流成正比，实际来说，若是电压到达一定数值的时候，这种正比的线性关系就不复存在了，加之散热和环境的温度的不可控制，上述定理表现出来的正比线性关系可以认为是理想状态下的。

也就是说，元件组成的系统一样是不存在绝对的线性系统的。就像第一章表述，与分析方法以及分析理论都很成熟的线性系统的分析来比较，非线性系统更要困难和复杂。若将非线性问题用处理线性问题的方法来解决，亦或是采用与线性方程替换非线性方程，许多的问题就会得到完美的解决。例如前文提到的电阻比例的线性关系，一定要将电阻工作的环境控制在规定的电压以及电流值域之间。非线性系统相对来讲也是存在着一个亦或是多个工作区域或是工作点，在这里，使整个系统的非线性弱区，变量比工作点偏移小就能采用线性方程代替原非线性方程，也就是线性化得以实现。

3单晶炉自动控制系统方案设计

本章的主要内容是对单晶炉自动控制系统方案设计以及设备的选型方案设计做以详细的介绍，通过对这两个方面的，能够从控制的思路和控制设备两个方面对本系统的设计有更深刻的了解。

3.1 控制系统的设计方案

在单晶炉晶体的成长过程中，有两个方面的因素对产品的质量有直接的影响，他们分别为炉内温度和提升速度控制，其中炉内温度是否符合生产工艺的要求，决定在产品的质量，而提升速度却是企业生产效率的保障，在不影响产品质量的前提下，如果能够对提升速度进行提高，企业的生产效率将会大大提高，企业的产品数量也将大大提高。所以说，在生产过程自动化中，控制系统的好与坏，不仅决定在产品的质量还决定在产品的数量，对生产企业的效率和效益都有很大影响。

3.1.1 传统单晶炉控制系统介绍

传统单晶炉的控制，还处于半自动阶段，有的阶段由手动完成，比如引晶和放阶、和收尾这三个阶段的操作，而在等径阶段这是有单片机来完成控制动作，无论是操作的方便性还是精度，都无法得以保障。从传统单晶炉的控制系统组成看，主要有控制柜、加热部件、电控单元、辅助控制单元等几部分独立组成并独自实现其功能。

3.1.2传统控制方式存在的问题

传统单晶机的控制系统只在等径阶段使用，而且是有单片机实现控制动作的完成，由于单片机没有PLC 在程序编译方面的便捷性，如果需要进行控制程序方面的修改麻烦，最直接的影响就是对生产的连续性的影响。同时，在单晶炉完成晶体成长的过程中只有等径阶段是自动化操作，其他阶段均为手动，这样在晶体的形成初期，完全依靠的不是数据反馈的修正，而是工人们在长期积累中的经验，产品的质量无法得以保障。

3.1.3控制方案的设想

本系统采用西门子S7-300系列PLC 与WINCC相结合来完成控制系统的实现，同时在通讯方面采用ProfibusDP通讯协议，使得在高速的通讯网络中，各种数据能够迅速的输入与输出。

3.1.4控制方案设计

（1）控制的核心层

WINCC与PLC

（2）中间通讯层

智能端子与温控仪表

（3）执行与检测层

通过执行机构、信号采集器件等设备的工作对重量、压力、温度、位移等数据进行检测与执行。

3.2 选型

3.2.1 组态

本系统选用的组态画面时西门子公司的WINCC，型号为WINCC V7.3。

SIMATIC WinCC(Windows Control Center)--视窗控制中心，它是西门子最经典的过程监视系统，业已成为市场的领导者，乃至业界遵循的标准。WinCC能为工业领域提供完备的监控与数据采集（SCADA）功能，涵盖单用户系统直到支持冗余服务器和远程Web 服务器解决方案的多用户系统。SIMATIC WinCC 是公司垂直集成交换信息的基础，具有良好的开放性和灵活性，它采用了工厂智能，助力用户实现更大程度的生产过程透明化。

3.2.2直径检测系统

本系统直径测量系统采用的是莫迪康540型智能图像处理传感器。

直径测量系统采用“莫迪康”(DVT)540智能图像处理传感器。智能图像传感器的核心是CCD。CCD分为更小的元素称为象素,每一个象素测量照明强度并转换为电压。图像的分辨率由CCD的水平和垂直象素来决定。智能图像传感器使用640x480象素分辨率的CCD。该像素值可以通过前期的标定方便的转换成晶体直径实际值。

由于在拉晶过程中，引晶、放肩、等径阶段检测的直径有着巨大的差异，同时在判断熔料状况和籽晶位置判断上对传感器有着截然不同的要求，而“莫迪康”(DVT)540可以在同一个硬件传感器平台上,设置功能完全不相干的各种软传感器，或者也可以将不同的软传感器进行条件绑定。这样，不但可以方便的解决拉晶过程中测量问题,还能替代一些接触式传感器,同时也大大降低了成本。

3.2.3 PLC选型

本系统使用的PLC为西门子的S7-300型。

S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器(PLC)系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。

3.2.4信号处理、连接端子选型

本系统采用的是现阶段工程技术领域较为常见的现场总线协议，即ProfibusDP通讯协议。通过高速网络下对工业现场的实时监控来完成控制系统的给定与反馈。

在连接端子的端子上，本系统采用的是德国倍福电气的总线端子，该产品是一种开放式的并不依赖与现场总线技术的外围设备。该产品主要具有使用方便、经济、端子间信号不混合等特点。

3.2.5温控仪表选型

由于在单晶炉晶体生长的过程中，温度决定着产品的质量好坏，所以，温度的控制在单晶炉生产晶体的过程中起到了十分关键的作用，所以针对温度的测量机控制就成为关键。

本系统所采用的温度控制仪表是由英国欧陆公司生产的型号为3508的智能型温度控制仪表，该款智能型温度控制仪表采用液晶显示并结合微处理器，在温度控制的精度和准确率上都有很优秀的表现，该款智能型温度控制仪表的优点主要由以下几点：

（1）在控制精度上，我国针对单晶炉的温度控制精度一般为±0.5℃，而该款仪表的精度可达到0.1%，可以说，该款智能温度控制仪表完全能够满足国内单晶炉对温度控制的要求；

（2）在显示方面，该款仪表采用LED显示，用户可以通过在仪表正面的仪表盘清晰的得到显示的数据，这样就无论怎样恶劣的环境，工程技术人员都能很方便的记录相关数据；

（3）该款仪表还具备自动对控制器的程序进行生产和归档，同时，内部只带的SCADA功能可以对图形和曲线的生产以及生产工艺流程图的自动绘制有辅助作用；

（4）在通讯方面，该仪表可以通过红外线接口与控制器进行通信，通过无线的方式极大的方便了工程技术人员在现场的调试工作；

（5）从储存方面看，仪表自身能够完成多大50个的程序存储工作，极大的方便了工程技术人员的现场调试工作；

（6）从通讯方式看，该仪表提供了现在主流的通讯协议，使得仪表与控制器件的同学更为方便

（7）仪表自带的专用功能块可以满足工程技术人员在PID现场调节过程中

的调试需求。

3.2.6检测执行部件

本系统的检测任务主要包括对重量、压力、液位、位移量、动作就位等内容，根据需要完成的检测任务，本系统的检测部件主要有称重和压力传感器，液面和位移信号器，动作就位和机械限位检测等。

本系统的动作的执行主要有如下任务，电机的控制、各种阀门的控制、流量计的控制、加热器的控制，本系统的执行部件主要有异步电动机、蝶阀与球阀，质量流量计以及整流触发加热电路等关键执行部件。

第四章基于模型预测算法的单晶炉温度控制

4.1模型预测控制介绍

我国的单晶炉主流的控制算法是PID控制算法。温度传感器探测点在单晶炉炉内的测试，通过炉内实际温度与设计理论温度间的比较分析，并给予事先在PLC中对PID控制算法的设定，最终给出关于对拉棒直径和给定温度的修正值。从PID控制算法70年的发展历史看，由于其操作的便捷和适用范围较广，在工业领域得以广泛推广，并随着现代生产的需要而不断完善，逐渐成为工业控制领域应用范围最广、使用用户最多的控制算法，为工业企业的自动化生产提供了很大的帮助。

但由于现代工业生产与以往对控制精度有了更严格的要求，PID控制算法只能通过对反馈信号的反复调节来达到工艺要求的精度，这样在响应时间、系统稳定性和算法精度上都对正常的生产带来了不小的影响，尤其是在非线性、多耦合耦合的复杂系统中，不确定的参数为控制系统的调节带来了很大的麻烦，传统单一的PID调节已经不能满足现代工业生产的需求，急需与其他控制方式结合来补齐该控制算法的短板。

就本文的单晶炉温度控制而言，如果采用单一的PID控制，由于单晶炉的炉温控制是一个较为复杂的非线性、多耦合耦合系统，生产出的产品质量较差，处于单晶硅的低级水平，产品的用途也只能应用在光伏发电等对产品要求不高的领域，很难进入对单晶硅切片有较高要求的芯片类领域。现阶段，为了提高单晶炉温度控制的精度，使得生产出的产品质量更加可靠，最为主流的方法就是采用模型预测控制与PID控制算法相结合，解决在单晶炉生产过程中出现的非线性、多耦合、时间滞后等工业复杂生产问题。

本章内容是对采取滚动优化和反馈矫正的预测模型建立方法的介绍，其运算的主要方法就是通过对未来一段时间区域内控制动作最优化的判断来完成对整个系统控制步骤最优的给定，在整个模型运行的过程中，当给出第一个动作给定后，根据模型运行的规定，接下来每一步的给定动作都是根据系统之前的优化预判而执行的，保证了生产的顺利进行和工艺对控制精度的要求。

图4-1 炉内温度控制示意图

在现代单晶炉的工艺中，针对热场的控制主要采用功率调节和温度反馈控制相结合的方式，其中，功率调节主要是通过加热器的给定加热功率来完成对炉内温度的温度场控制，而温度的反馈调节主要是通过在炉内的温度探测器对炉内温度的反馈信号与给定信号间的比较来完成对炉内温度的实时调控，其控制原理如图4-1所示。值得说明的是，在图4-1中，所给定的控制量是设定值与实际值间的差值，在控制方式看，这种控制方式成为偏差控制，所以，本文采用的温度控制方法为偏差控制方法。

4.2 等径阶段模型预测控制器设计及其仿真

4.2.1单晶炉等径阶段模型预测控制器设计

单晶炉预测模型的设计是通过对晶体在炉内生长过程中一直数据的等径阶段来进行识别，其中输入和输出的数据分别为加热器功率计炉内的温度。在等径阶段设计中我们以

18000秒为时间横轴，在这个阶段分别通过对600个数据点输入和输出的采集，作为数据采集的标准，利用Matlab仿真工具箱Simulink的Simulink DesignOptimization工具进行参数辨识，得到的识别结果如图4-1所示。

表4-1 参数识别结果

图4-2 模拟后的拟合图

在图4-2中，坐标轴的横轴为时间轴、纵轴为温度，他们的单位在图中表示分别为秒和K，而图中的实线部分为在实际生产工测量的数据、虚线为通过参数识别拟合后的结果，可以看出拟合后的曲线更加符合生产的需求。图4-3为实际生产值与设定值之间形成的残差值，从两幅图中的比较可以看出来残差基本在±2左右，参数识别的拟合度较好。

由于上述的识别模型都是在非线性的情况中运行，在参数识别的起始点做线性化处理得出的阶跃响应图如图4-4所示

上述方辨识所得到的模型为非线性的,按照第二章中的讨论,采取微偏法对模型进行线性化。选参数辨识时使用的数据段起始点(功率46.9KW,场温133010做线性化可得图3-14阶跃响应图和状态空间模型。

图4-3 残差曲线

（3-1）

图4-4 线性化的阶跃响应图

本文的单晶炉晶体生长的等径阶段识别模型是

根据等径阶段辨识模型式(3-1),我们根据现场工艺的要求和实际的工程经验取预测时域长度P=400、控制食欲长度M=80、控制权系数R=0.1、输出权值为1.0、功率变化范围±10KW、

功率最大变化率±0.05。

图4-5 MPC 的跟踪阶跃信号

图4-5为等径阶段模型的预测控制器的阶跃响应结果图，图4-6为该控制器的斜坡响应结果图，从两个图的曲线走势中可以看出，无论是在阶跃信号还是在斜坡信号的激励小控制器的超调量小、运行稳定，符合实际生产的需求。

图4-6 MPC的跟踪斜坡信号

4. 2. 2在控制效果和抗干扰两个方面MPC和PID的比较