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1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AbstractDuringthegrowthofsingle-crystalfurnacecrystal,productionprocessautomationandseeding,shouldering,andothercontrolpathandendingthefourstagesofproductionfurnacetemperaturefeelthequalityofthisproduct,especiallytocontrolthetemperatureinthefurnacesinglecrystalsiliconcrystalformationprocessplayedacrucialrole.Inourcase,mostofthesingle-crystalsiliconproductionenterprisesfurnaceproductionprocessorwhetheritisthelevelofautomationarelaggingbehind,furnacetemperaturecontrolaccuracyisnothighdirectimpactonthequalityoftheproductscanonlybeinthelowend,Itcanonlybeusedinphotovoltaicpowergeneration,andcannotenterthefieldofhigh-endchip.Firstly,theneedforrelevantresearchbackground,topics,currentresearchandresearchpurposesandtointroducethecontentsofthispapertodo,thenthebasictheorysystemmodelingreferredtoherein,parameteridentificationoflinearandnonlinearmathematicalmodelanalysisforanalysisthroughthissystem,thecontrolschemedesignandcontrolandinstrumentationselection,andothercontentleads,focusinganalysissectionofthispaperdescribesthedesignandimplementationbasedonmodelpredictivecontrolalgorithmofsinglecrystalfurnacetemperaturetoequal-stagemodelpredictioncontrollerdesignandsimulationintroducedasastartingpoint,thenobtainsingle-crystalfurnacetemperaturecontrolbycomparisonbetweentheMPCandPIDcontrolsystemshouldbebasedontheeffectoftheMPCcontrollerispreferred,thefinalstagethroughtheEqualanalogcontrollerinasinglecrystalotherthreeimportantstagesofthedrawfurnace,eachstageshouldhaveasysteminlinewithitsowncontroller,andtotheactualhandovertimebetweeneachstageofthemodelwillbebasedonreasonablearrangementsforthevariousstagesoftheproductionprocess;Inthispaper,linearsystemsmodeling,parameteridentificationandnonlinearnumericalmodelintothetheoreticalbasis,byS7-300seriesPLCandWINCCconfigurationsoftwarecontrolsystem,themodelpredictionalgorithmsbasedontheanalysisofthesinglecrystalfurnacetemperaturecontrolapplications.Inordertoseethestudy,afterthemodelpredictivecontrolandotherrelatedcontentintroducedto1thesinglecrystalfurnacecrystalproductionthemostimportantstageofresearchpointequaldiameter,throughthedesignandsimulationofmodelpredictivecontrollerEqualstageofintroduction,andcontrolandinterferenceeffectbothMPCandPIDcontrolalgorithmsforcontrollingthetemperatureofthesinglecrystalfurnace,obtainedMPCismoresuitableforsinglecrystalfurnacecontrolintermsoftemperature,andthenputintheEqualstageMPCcontrollertousetheotherthreestagesoftheproductionofcrystalsinglecrystalfurnace,bycomparisonwiththesimulationofthetemperaturecontrolparametersderivedinfourimportantstagesofcrystalgrowthofthesinglecrystalfurnace,needtopassthroughdifferentMPCcontrollertocontrolthetemperatureofthefurnace,andrationaloptimizationmodelforeachstageswitchingcontrollers.Throughthestudyofmodelpredictivealgorithmincrystalgrowthofsinglecrystalfurnacefourimportantstages,wehavecometothetraditionalPIDcontrollerhasbeenunabletomeetthequalityrequirementsofthepresentstageofindustrialenterprisesofhigh-qualitysingle-crystalsilicon,theneedtoadoptamorerationalmodelandoptimizationallowsautomationofproductioncanbeimproved,whilethemoreimportanttobeabletosingle-crystalfurnacetemperatureofthefurnaceforpreciseadjustmenttomeettheproductionprocessatallstagesofthefurnacetemperaturerequirements,andultimatelymakesthesinglecrystalfurnaceproducehigherqualitysinglecrystalsilicon,canmeettheneedsofhigh-endchips.Keywords:singlecrystalfurnace;PLC;modelpredictivealgorithm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