【宇电应用73】AI仪表在人工晶体生长炉的应用

一、概述：

我国人工晶体材料工业经过半个多世纪的发展，在广大科技工作者的共同努力下，取得了巨大的成就，已具有较高的技术水平和较大的生产能力，而为之配套服务的晶体生长设备-单晶炉、控制仪表也随之得到了飞速的发展。在40多年的发展过程中，紧跟国际先进技术，使我国的晶体生长设备从无到有、从小到大、从单一品种到多品种系列化，一步一个脚印地发展壮大起来。
   我国的人工晶体事业经过半个多世纪的发展已经取得了举世瞩目的辉煌成绩：多种人工晶体生长技术居国际领先或先进水平；中国牌非线性光学晶体享誉全球；一些重要晶体满足了国内重大工程的需求；一批高技术晶体已出口国外等等。这些成绩的取得与我国人工晶体研究领域的科学工作者多年的辛勤工作紧密相关。

谈到晶体，我们自然会联想到水晶、钻石这些用作装饰的天然晶体。其实，在我们生活中发挥重要作用的远不止这些天然晶体，许多是自然界没有，而是用人工的方法制造出来的，这就是人工晶体。人工晶体是在严格控制的实验环境下所制备出的各类符合人们要求的晶体材料。人工晶体研究涉及晶体的生长、结构测定、特性评估、功能应用，以及按晶体微观结构与表观性能之间的联系规律，去探索新型功能晶体。从石英手表中的石英晶体振荡器到高密度信息存储、集成电路的制备等，人工晶体几乎渗透到人类生活的每个方面。
 

二、单晶炉温度控制设备：

晶体生长炉是晶体生长的基础.根据三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(β-BBO)等晶体生长的要求,来控制炉温要有高稳定性的温度/过程控制仪。要具有多种信号(如热电偶)自由输入，量程自由设定；软件调零调满度，冷端单独测温，显示精度高；时间过程加PID控制方式，控制速度平稳，先进的无超调自整定方式；多种信号输出(如模拟量、开关量)等功能。
   在单晶炉温控领域，宇电积累了相当丰富的经验。中科院半导体所、福建物构所、山东大学晶体材料研究所、上海光机所、上海硅酸盐研究所等国内知名的晶体科研院所都是宇电客户；终端客户福建福顺半导体、华润半导体、嘉兴中谷半导体、天津中环半导体、合肥科晶、福建福晶、中国电子集团第48所，都在大量使用宇电可控硅电炉控制柜。

中科院福州物构所下属的福建晶体公司（现已上市）95年起开始采用宇电仪表，当时有个生长晶体的温度控制技术要求每个生长周期6个月以上，程序降温控制从950度开始每天降低0.5度，控制精度要求为0.05度，仪表的温度漂移不能大于每度10PPM，这个指标当时世面上任何一款进口仪表都无法满足这个要求，不管是欧陆还是导电的，产品用到现在13年过去仍全部正常工作。

北京中国电子科技集团第十一研究所95年从乌克兰购买了一台碲镉汞单晶炉，碲镉汞晶体是红外器件所需材料，晶体生长过程大约为30天，最高控制温度820度。因原配的温控器由很多分立元件组成，线路复杂，故障多,98年该单位决定改造用标准仪表替代乌克兰仪表，当时在国内单晶炉设备普遍用的都是欧陆818表，但价格贵，参考了宇电在福晶的成功经验后，十一所最终选择了宇电，并以优良的控制表现获得了客户的肯定。2006年十一所的高级工程师罗有成还在《国内外机电一体化》杂志发表了专业论文《AI仪表在单晶炉设备改造中的应用》，对宇电给予了高度的评价。

2005年我司还为中科院半导体所提供了10多套电炉控制柜和监控软件，用以控制砷化钾晶体的生长，2006年底也为云南鑫源锗业提供成套的温度控制系统和配套的监控软件，通过软件的配合在现场大量的节省了人力资源（可以在上位机操作，监控、记录等），相对于国内其他生产晶体的同行配套的控制系统和监控系统，大量的节约了资金和人力资源。（目前国内的其他厂家都是使用欧陆和岛电仪表，价格高出我们一倍多，而且监控记录系统分散难管理）

   三、宇电电炉控制柜特点：

1、宇电专供晶体生长的温度控制柜，经过特别优化改良，配置的AI-808P高精度温控仪表使用温度范围为0-1100度（用S分度热电偶），控制精度+/-0.1度，温度漂移在环境温度变化小于+/-0.5度时，小于+/-0.2度，是目前精度及稳定性最高的温控器。从96年至今已售出10，000多套控制柜，可控硅或仪表累积少于千分之三的返修率。

2、柜体外壳采用冷扎板精密冲压成型，外表喷塑处理，具有美观、轻巧的优点。柜体合作厂家也是ABB公司常年指定供应商。

3、控制柜采用德国IXYS公司功率模块；交流接触器、空气开关、热继电器、指示灯、按钮开关等均采用施耐得（TE）公司产品

4、报警输出选用继电器开关，在超温报警时控制交流接触器切断加热器电源，即使万一可控硅被击穿也能保护电炉安全。

5、带RS485通讯接口，方便地与计算机联机工作。

6、配置的仪表具有最简单的线路及模块化结构，从维护到扩充功能都十分方便。

7、超强抗干扰设计，仪表电源及所有I/O端口均通过4KV群脉冲高频干扰测试，比CE标准2KV的要求提高一倍，领先国际标准。

8、精确测量与控制，节约电能消耗。宇电仪表采用严格的温漂管理手段，808P仪表对环境温度漂移小于50PPM/℃,低温漂为降低客户能源消耗带来可能。例如，当客户设备加热产品处于200℃-220℃范围内可以正常作业，采用低精度仪表设定为210℃，漂移为+/-10℃，虽然可以勉强生产要求，但由于温度设定值偏高而白白耗费电能，而宇电仪表可以将温度去区间稳定在201℃漂移+/-1℃，从而使平均加热温度由210℃降低为201℃，这个例子中可节约6-10%电能。

   四、控制柜应用：

1） AI智能温度调节器：

是控温系统的核心部分，AI仪表首创性地采用了平台概念，将非常专业化的数字调节仪表转为平台化设计的产品，能实现比以往封闭式设计产品更快的进步及更高的性能/价格比。它包含高通用性的硬件主板（包含I/O接口及模块插座、显示接口插座、A/D转换单元及电源单元），通过安装不同的软件及CPU、输入/输出模块及显示界面，即能适应多种不同功能的过程仪表控制要求，比如温控器、调节器、复杂回路调节器及双回路调节器。它主要由输入通道、输出通道、人机对话通道以及一些外围电路组成，      

采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。  具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。原理框图（图1）所示。

在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能，及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。

2）AI电炉控制柜电器回路：

具备优良的测量和控制性能，装配高性能的可控硅电炉温度控制柜，由于采用模块化结构，为电炉控制柜设计带来前所未有的方便。实现程序升降温控制；硅钼棒采用分段功率限制；多区温控外部控制同步启动/停止。其控制输出可选用具备“烧不坏”特性的可控硅触发模块。其具体的接线电路图如（图2）所示。

能直接用时间比例过零、移相触发各种单向、双向可控硅及功率模块或选配G模块控制固态继电器；配合AIJK系列三相移相/周波过零可控硅调功模块。AIJK系列是应用了单片机技术的智能化三相移相触发及周波过零两用触发器，功能强大且可靠性高，能适应各种电炉丝、硅碳棒及负载采用变压器降压的硅钼棒。钨丝等各种类型工业电炉。不仅降低成本，而且简化安装并提高可靠性。报警输出可选用继电器触点开关或可控硅无触点开关。

3）可控硅的选择：

根据负载接线方式的不同：星型三相四线制结构负载采用双向可控硅（只适合300A以下可控硅）或单相可控硅反并联电路（推荐采用MCC系列功率模块）；星型三相三线制或三角型三相三线制结构负载采用单相可控硅＋二极管电路（推荐采用MCD系列功率模块）；

根据加热元件的特性，合理选择可控硅功率的型号。功率的大小对保护可控硅有着很重要的作用。可控硅的电流简单计算方法：加热元件为电阻丝；三相功率18KW÷3＝每相6KW功率；每相6KW÷220V＝27A≈40A；加热元件为硅碳棒；安全过载电流要乘3倍 ；18KW÷3相＝6KW÷220V＝27A×3倍＝81A≈90A；对于大容量的负载建议乘3.5倍。

   五、晶体生长炉触摸屏控制：

晶体生长炉具有大量控制设备来确保晶体生长苛刻的环境要求，这样控制设备大体上可以分为加温设备、真空设备和运动设备。

1、主监控画面：动态监控图，炉门的开闭状态、坩埚杆的运动状态、真空机的启停状态、燃烧状态等可以在该画面上实时显示。通过画面右上角的燃烧状态百分比显示模拟实际输出量。
    加热设备：智能控制仪表、加温设备包括中频加热炉、中频电源、电流/电压传感器、可控硅和PID智能调节温控仪表等，温控仪表采集电流传感器的模拟量信号（此值与炉内温度成线性关系），根据电流值和设定值进行PID调节，输出给可控硅来调节中频电源的电压，进而保证炉内温度的稳定；通过模拟量输出控制可控硅，完成晶体生长炉的温度控制。

2、真空设备：包括变频器、真空计、真空泵，真空控制器和密封设备等，真空计采集炉腔内的真空度，真空控制器根据真空度变化调节变频器频率，进而改变真空泵的运行频率，以保证炉腔内的真空度稳定；

3、运动设备：包括步进电机、PLC、丝杠、导轨、编码器、限位开关等，闭环调节籽晶杆和坩埚杆的运动，调节坩埚自转； 

4、触摸屏操作设备：在触摸屏上可工艺过程描述，在触摸屏上COM1口连接温度控制仪表、COM2口可连接PLC，采用RS485的方式连接；在触摸屏上控制坩埚自转步进电机、坩埚杆平移快/慢档速度可分别设定，在触摸屏的流程图画面上显示当前温度、当前位置、当前状态、通过触摸按钮切换，点击启动按钮电机运行、坩埚上下平移、炉门开关。

在实现规模化生产，可实行集中监控。把现在单机系统连接，采用RS485通讯连接通过网络将数据传到监控中心，监控中心选用组态软件实现工艺工程监控、报警显示、历史数据的存储与检索等功能。实现数据的上传与集中显示。

六、结束语：

宇电可控硅电炉控制柜AI系列仪表具备优良的测量和控制性能，特别适合晶体生长炉，由于采用模块化结构，为晶体生长炉电炉控制柜设计带来前所未有的方便。例如其输出可配用具备“烧不坏”特性的可控硅触发模块，能直接用时间比例过零、周波过零或移相方式触发各种单向、双向可控硅及功率模块，不仅降低成本，而且简化安装并提高可靠性。
   近年随着电气控制技术的发展，晶体生长炉自动控制系统得到了快速的发展，数字无纸记录仪的功能不断提高，在晶体生长炉自动控制系统都得到了很好应用和发展。开发采用由数字通讯控制仪表＋人机界面触摸屏数字无纸记录仪的晶体生长炉自动控制系统，使晶体生长炉的控制技术更具有飞跃的提高。