基于PLC的石英晶體真空退火爐控制系統設計
根據石英晶體真空退火爐的工藝過(guò)程和控制要求，設計了以SIMATIC$7-300 PLC為核心，以工業(yè)觸摸屏為人機界面的電氣控制系統。采用具有智能積分環(huán)節的模糊控制算法實(shí)現多工作區溫度控制，討論了積分引入的條件。實(shí)踐表明：該控制系統運行穩定可靠，各項性能指標均滿(mǎn)足工藝要求。
石英晶體諧振器是數字化設備中不可缺少的關(guān)鍵器件之一，其主要作用是產(chǎn)生基準時(shí)鐘信號，協(xié)調整體電路的工作，廣泛用于計算機、通信設備、智能化儀器儀表及家用電器等產(chǎn)品上。晶體真空退火爐是石英晶體元器件生產(chǎn)過(guò)程中的專(zhuān)用設備，用于石英晶體的退火處理，以消除晶體產(chǎn)品在加工過(guò)程中產(chǎn)生的應力及輕微表面缺陷。目前在國內石英晶體元件生產(chǎn)線(xiàn)上使用的真空退火爐絕大部分都從日本或韓國進(jìn)口，價(jià)格昂貴，同時(shí)維護非常不便。2005年，筆者與其他單位合作研制成功了國產(chǎn)的石英晶體真空退火爐，各項性能指標達到或超過(guò)了國外同類(lèi)產(chǎn)品。
可編程控制器(PLC)是一種結構簡(jiǎn)單、通用性好、功能較完備的新型控制元件，其主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強，可以提高系統的可靠性和穩定性，提高生產(chǎn)效率，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為所以特別適用于工業(yè)控制。因此，在石英晶體真空退火爐研制過(guò)程中，設計了以PLC為核心的電氣控制系統。
1、真空退火爐的工藝過(guò)程
該退火爐主要由左右2個(gè)真空室、真空機組、冷卻水系統、氣路系統和電氣控制系統等組成。2個(gè)真空室可分別獨立工作�？紤]到石英晶體元件體積較小，為充分利用真空室內工作空間，將每個(gè)真空室分割成4個(gè)工作區，如圖l所示，每區裝有熱電偶和電阻加熱管，可單獨控制該區的溫度。這樣，每個(gè)真空室的真空度一致，但各工作區的溫度可以是不同的，使用起來(lái)更加方便。
設備的工藝過(guò)程主要分為3步。
第l步，抽真空。真空機組將真空室由大氣壓抽到低真空(10 Pa左右)，再抽到高真空(5×10_3Pa左右)。
第2步，溫度控制。由加熱管對工作區加熱，使工作區的溫度跟隨設定曲線(xiàn)變化，對晶體元件進(jìn)行退火處理。
第3步，真空釋放。退火時(shí)間到后，依次打開(kāi)放氣閥和排氣閥將真空釋放，恢復到大氣壓力后可打開(kāi)爐門(mén)取出晶體元件，完成真空退火處理。
2、控制系統硬件設計
西門(mén)子PLC具有豐富的指令和多種功能的控制模塊，能滿(mǎn)足各種不同場(chǎng)合的控制需求，在中國工控市場(chǎng)具有較高的占有率。根據設備工藝過(guò)程及控制要求，考慮系統可靠性和性?xún)r(jià)比等因素，決定采用以西門(mén)子87-300 PLC為控制核心，以工業(yè)觸摸屏為人機界面的控制方案。
根據外圍元件需要的控制點(diǎn)的種類(lèi)和數量來(lái)選取PLC各擴展模塊。選擇1個(gè)數字量輸入模塊SM321(DC 24 V，32入)用于接收各主令電器、閥門(mén)位置檢測開(kāi)關(guān)、真空測試儀等元器件的輸入信號;選擇1個(gè)數字量輸出模塊SM322(DC 24 V，32出)用于控制真空泵和閥門(mén)等執行元件。
左右真空室各有4個(gè)工作區，每區都獨立控溫，因此，每區構成1個(gè)閉環(huán)控制回路，總共需要8個(gè)溫度閉環(huán)控制回路。選擇1個(gè)模擬量輸入模塊SM331(熱電偶型，8人)接收各工作區熱電偶的測量信號;選擇1個(gè)模擬量輸出模塊SM332(12位，8出)用于控制調壓器的輸出電壓，從而調節加熱管的加熱功率。
根據擴展模塊的數量和程序的復雜程度選擇CPU314作為中央處理單元;直流電源選用PS307(DC 24 V，5 A)�？紤]與PLC的兼容性，選擇西門(mén)子TPl70B彩色觸摸屏作為人機界面�？刂葡到y硬件結構如圖2所示。
3、控制系統軟件設計
3.1、真空系統控制
真空系統負責對機械泵、分子泵和各閥門(mén)進(jìn)行順序控制，以保證真空室內的真空度。根據工藝要求和各閥門(mén)之間的連鎖關(guān)系，確定程序流程見(jiàn)圖3。
3.2、溫度控制
3.2.1、算法選擇
退火爐采用電阻加熱管加熱，其溫度控制過(guò)程具有熱慣性大、滯后大、參數時(shí)變和非線(xiàn)性的特點(diǎn)。常規的PID控制雖然穩態(tài)精度較高，但對于爐溫這種非線(xiàn)性被控對象，其參數調整非常困難，控制效果往往并不理想。
模糊控制是智能控制的一種，對于非線(xiàn)性、時(shí)變性和大滯后對象具有較好的控制作用。但常規模糊控制器的主要缺點(diǎn)是存在穩態(tài)誤差，通過(guò)調整量化因子或比例因子只能減小誤差，并不能徹底消除，并且過(guò)大的量化因子或比例因子還會(huì )引起系統在目標值附近振蕩。因此，綜合考慮模糊控制和PID控制的特點(diǎn)，各取所長(cháng)，設計了一種具有智能積分環(huán)節的模糊控制器，如圖4所示。
3.2.2、積分環(huán)節引入時(shí)機的推導
PID控制中的積分環(huán)節能夠消除穩態(tài)誤差，因此在常規模糊控制器引入積分環(huán)節能直接提高穩態(tài)精度。但由于積分控制對系統的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不利，容易產(chǎn)生超調甚至使系統振蕩，因此如何充分發(fā)揮積分環(huán)節的優(yōu)點(diǎn)，抑制其缺點(diǎn)，是控制性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。
1)從避免超調的角度考慮
積分環(huán)節的本質(zhì)是對過(guò)去一個(gè)時(shí)間段內的偏差e的積累，具有落后性。因此在何時(shí)引入積分環(huán)節需要對被控變量的響應過(guò)程進(jìn)行分析。圖5所示的響應曲線(xiàn)中，在oA段和BC段，尤其是靠近A和C時(shí)不能引入積分環(huán)節，否則會(huì )引起過(guò)大的超調;在A(yíng)B段和CD段需要引入積分環(huán)節以使被控變量盡快返回到目標值。結合各段偏差P和偏差變化率ec的正負號可知：e·ec>O時(shí)可引入積分環(huán)節，e·ec
2)從消除穩態(tài)誤差的角度考慮
常規模糊控制器以離散論域為基礎，在數據離散化過(guò)程中必然存在誤差，例如0~0.49均被四舍五人作為0，此時(shí)控制器“錯誤”地認為現在偏差和偏差變化率已經(jīng)是零，無(wú)需調節了。但實(shí)際上此時(shí)偏差并不為零。偏差量化公式為
式中E為偏差的離散論域，round為取整到最近的整數。
令E=0可得
整理得到
同樣對于偏差變化率也有
同時(shí)滿(mǎn)足式(3)和式(4)時(shí)模糊控制器停止調節，此時(shí)需要引入積分環(huán)節來(lái)消除這一偏差。通過(guò)以上分析，可以把引進(jìn)積分的條件綜合如下：
式中and表示邏輯“與”，or表示邏輯“或”。
3.2.3、溫度控制算法的程序實(shí)現
在本系統中，偏差E和偏差變化率EC的隸屬函數曲線(xiàn)均為三角形，離散論域均取[一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6]，根據模糊規則。經(jīng)離線(xiàn)推理得到13行13列的查詢(xún)表。在PLC中實(shí)現查詢(xún)表的方法如下：將控制量U1的數據存儲在以VBl00為中心的169個(gè)變量存儲區中，即VBl6一VBl84。查詢(xún)時(shí)Ul的存儲地址VBU’可根據式(6)計算得到。
在PLC中積分根據下面數字積分公式計算。
式中：MI。，MI。一。分別為第咒個(gè)和第竹一1個(gè)采樣時(shí)刻的積分值;Ts為采樣時(shí)間;Tl為積分時(shí)間;Kc為增益系數。
3.3、觸摸屏界面設計
采用西門(mén)子winCC flexible 2005軟件來(lái)組態(tài)TPl70B觸摸屏界面，共開(kāi)發(fā)了12幅畫(huà)面。包括畫(huà)面選擇、工作主界面、溫度設定、真空設定、報警信息和溫度曲線(xiàn)等。圖6為其工作主界面。
4、應用效果
控制系統設計完成后，經(jīng)幾次實(shí)驗調整確定了模糊查詢(xún)表和積分時(shí)間，運行后系統性能參數如下。
1)加熱溫度：加熱最高溫度為500℃，工作溫度為150--300℃;
2)爐溫均勻度：≤±5℃;
3)控溫精度：士1℃;
4)溫升超調量：≤10%;
5)調整時(shí)間：≤240 S。
數據表明采用具有智能積分環(huán)節的模糊控制算法可使真空退火爐具有較高的控溫精度和較短的調整時(shí)間，同時(shí)超調量也不大，能夠較好地滿(mǎn)足真空退火工藝要求。設備在2年多的使用過(guò)程中，沒(méi)有出現電氣故障，操作安全方便，系統穩定可靠，各項性能指標均滿(mǎn)足工藝要求。
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