MOCVD基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
| 1 引言 MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）（金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積）是一項(xiàng)制備高質(zhì)量半導(dǎo)體晶體的新技術(shù)。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于[1>:可制成各種薄膜結(jié)構(gòu)型的材料；可制成大面積、高均勻性的外延膜；可精確控制膜的厚度、組成及摻雜濃度；靈活的氣體源路控制技術(shù)、氣體源路的快速切換技術(shù)、生長(zhǎng)過(guò)程全自動(dòng)控制,使得人的隨機(jī)因素影響減至最小且重復(fù)性很好。要使MOCVD的這些特點(diǎn)能夠順利實(shí)現(xiàn)，就必須對(duì)工藝參數(shù)嚴(yán)格控制。而MOCVD的工藝參數(shù)特別多且復(fù)雜，這就對(duì)控制方法提出了越來(lái)越高的要求。因此，有必要采取計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。目前MOCVD控制系統(tǒng)大部分依靠國(guó)外進(jìn)口，成本高。研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MOCVD設(shè)備將是發(fā)展我國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，意義重大，特別是隨著“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”的啟動(dòng)，MOCVD的國(guó)產(chǎn)化已變得非常緊迫。 根據(jù)MOCVD控制系統(tǒng)的具體工藝要求，我們自主研發(fā)設(shè)計(jì)了基于PLC的MOCVD控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用上位機(jī)和可編程控制器實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，響應(yīng)快速。 2 系統(tǒng)的組成及實(shí)現(xiàn)原理 本系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、Siemens PLC S7-300（控制單元的核心），溫度控制系統(tǒng)、氣體處理系統(tǒng)、反應(yīng)室等組成。 2.1上位機(jī) 選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),利用WINCC 工控組態(tài)軟件通過(guò)MPI 和PLC 進(jìn)行通訊,從PLC 得到信息,同時(shí)向PLC 傳送命令，其負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警記錄、數(shù)據(jù)分析，參數(shù)配置。 2.2 PLC 選用PLC 作控制器,是因?yàn)槠渚哂锌煽啃愿?、抗干擾能力強(qiáng)、硬件配套齊全、維護(hù)方便、適合于惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境等特點(diǎn)。PLC作為系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，包括各種信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的處理以及各種輸出信號(hào)的控制。輸入信號(hào)采集包括各類儀表傳感器的流量、壓力、報(bào)警信號(hào)等。輸出信號(hào)涉及電磁閥、接觸器、電動(dòng)機(jī)、壓力控制器、流量控制器、RF感應(yīng)加熱器等控制量。 2.3 溫度控制系統(tǒng) 溫控器、感應(yīng)加熱器、上位機(jī)、PLC組成了系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)。這里的溫控系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫控器通過(guò)熱電偶實(shí)時(shí)地采集反應(yīng)室的溫度，由RS232串口反饋給上位機(jī)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)的控制算法處理后，計(jì)算出合適的控制量，傳送給PLC，由PLC運(yùn)行程序控制感應(yīng)加熱器來(lái)控制反應(yīng)室的溫度。 2.4 氣體處理系統(tǒng) 氣體處理系統(tǒng)其硬件主要有經(jīng)過(guò)化學(xué)拋光的不銹鋼管道、氣體純化器、流量控制器、壓力控制器、電磁閥和氣動(dòng)閥等組成。氣體控制系統(tǒng)的主要作用是通過(guò)控制壓力和流量控制器，調(diào)節(jié)氣路上各種閥門(mén)的開(kāi)度，從而達(dá)到控制各種氣源配比的目的，并通過(guò)管道向反應(yīng)室輸送反應(yīng)劑，為保證反應(yīng)劑的純度，要求管道的密封性要很好。 氣路上壓力與流量的控制均由壓力和流量控制器來(lái)完成。傳感器將采集來(lái)的實(shí)際測(cè)量值傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將采集的實(shí)際值，實(shí)時(shí)與設(shè)定值比較。如果用戶對(duì)控制效果不滿意，可以采用閉環(huán)回路控制，實(shí)時(shí)修改傳送的設(shè)定值。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的控制主要指通過(guò)PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱系統(tǒng)、氣體流量和氣體壓力、氣動(dòng)閥等的控制。我們?cè)O(shè)計(jì)的MOCVD控制系統(tǒng)有自動(dòng)控制程序和手動(dòng)控制程序兩種控制方式，自動(dòng)和手動(dòng)可以互相切換控制。其子程序主要包括步序控制，模擬量輸出控制，模擬量輸入控制，數(shù)字量輸出控制，數(shù)字量輸入控制。 3.1 步序控制 在MOCVD控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同的配方，所控制的步運(yùn)行時(shí)間不同，所要求的循環(huán)位置都不同。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，就是在編寫(xiě)程序的時(shí)候，無(wú)法預(yù)先確知循環(huán)體的開(kāi)始及停止位置，如何編寫(xiě)一個(gè)可以供多種不同配方使用的程序。 針對(duì)MOCVD 系統(tǒng)工藝的要求，結(jié)合本系統(tǒng)運(yùn)行流程，采用順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)控制不同步之間的動(dòng)作和命令，執(zhí)行不同步序循環(huán)控制策略。該方法靈活、準(zhǔn)確地采用一個(gè)循環(huán)控制程序，根據(jù)不同配方，在不同循環(huán)位置，實(shí)現(xiàn)不同功能。其最基本的思想是將系統(tǒng)的工作周期劃分為50 個(gè)順序相連的階段，這些階段稱為步（Step），然后用編程元件（存儲(chǔ)器位M）來(lái)代表各步，每步設(shè)定運(yùn)行開(kāi)始標(biāo)志位和結(jié)束標(biāo)志位，進(jìn)入循環(huán)標(biāo)志位和循環(huán)結(jié)束標(biāo)志位，步之間的轉(zhuǎn)換條件可以是外部中斷輸入“前跳”信號(hào)，或者是每步運(yùn)行的定時(shí)器提供的信號(hào)。 對(duì)于處理不確定的循環(huán)位置問(wèn)題，在每步結(jié)束時(shí),判斷該步循環(huán)結(jié)束標(biāo)志位是否為1，如果不為1，則直接跳到下一步運(yùn)行，如果為1 再讀取剩余循環(huán)次數(shù)是否為0，如果為0 則跳到下一步運(yùn)行，如果不為0 則剩余循環(huán)次數(shù)減1，跳到進(jìn)入循環(huán)的步序運(yùn)行。 3.2 模擬量輸出控制 模擬量輸出，主要包括8路壓力、20路流量以及溫度。在模擬量輸出中，防止沖擊是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。為了防止沖擊，輸出時(shí)采用爬行漸增的輸出控制策略，使模擬量的輸出在額定時(shí)間內(nèi)，準(zhǔn)時(shí)漸增到所需要的輸出值，每一次所遞增的量要盡量的小，以降低沖擊的可能性，保證生長(zhǎng)的進(jìn)行。 基本思想：每步運(yùn)行開(kāi)始時(shí)，讀取步序號(hào)并調(diào)用該步的模擬量的目標(biāo)設(shè)定值（IN2），前級(jí)步結(jié)束的輸出值（IN1）及要爬升的步數(shù)（D），求出步進(jìn)量S＝（IN2-IN1）/D,再判斷實(shí)際值和設(shè)定值的大小，決定實(shí)際值是加上或者減去步進(jìn)量，然后再判斷實(shí)際值是否達(dá)到設(shè)定值，如果滿足則結(jié)束本步爬升。分兩種情況考慮，步進(jìn)量為大于等于0或?yàn)樨?fù)。 模擬量輸出程序主要采用語(yǔ)句表（STL）的編程方法，它是一種類似于匯編的語(yǔ)言，執(zhí)行速度高于梯形圖，占用內(nèi)存空間小，能夠解決復(fù)雜的循環(huán)及跳步。針對(duì)于本系統(tǒng)多模擬量，步序復(fù)雜且循環(huán)不定，而CPU內(nèi)存有限，此方案能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。 3.3 模擬量輸入控制 MOCVD 控制系統(tǒng)有29 路模擬輸入量，如果全部用模擬量輸入模塊直接輸入，需要29 點(diǎn)的輸入。這樣設(shè)計(jì)成本較高，考慮到本系統(tǒng)對(duì)模擬量采集實(shí)時(shí)性要求不高，采用ADG408 譯碼選擇通道，分時(shí)輸入。每個(gè)ADG408 可以接入8 路模擬量信號(hào)，使用4 個(gè)模擬量通道，就可以輸入32 路模擬量，本方案中模擬量輸入子系統(tǒng)的成本可以大幅度降低。在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不高的情況下是一種較佳的選擇。 模擬量輸入子程序采用多路分時(shí)選擇輸入方案，通過(guò)譯碼器在某一時(shí)刻選擇其中的一路作為輸出傳送到模擬量輸入模塊上的一個(gè)通道。ADG408 芯片譯碼選通和PLC 模擬輸入量讀數(shù)處理，在時(shí)序上應(yīng)該嚴(yán)格區(qū)分，避免讀數(shù)混亂。保證在譯碼選通和PLC 讀數(shù)的任何時(shí)刻，僅有一路模擬輸入量處于選通及輸入讀數(shù)狀態(tài)。如圖4 所示，8 路模擬量AI1—AI8,接入ADG408 中，編寫(xiě)程序輸出數(shù)字量信號(hào)控制ADG408 的使能端EN,信號(hào)控制端A2、A1、A0，從而實(shí)現(xiàn)分時(shí)選擇多路模擬量中的一路，將其輸入到PLC 的模擬量輸入模塊中，數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)及處理。 3.4 數(shù)字量輸出控制 數(shù)字?jǐn)?shù)出量的控制對(duì)象主要由電磁閥、接觸器、電機(jī)、氣動(dòng)閥等。對(duì)于數(shù)字量輸出控制，其程序設(shè)計(jì)思想，在每步開(kāi)始的時(shí)候，從相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)中，調(diào)用本步對(duì)應(yīng)數(shù)字量的數(shù)據(jù)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)控制的功能，首先判斷上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是否實(shí)時(shí)修改某個(gè)數(shù)字量的輸出值，如果上位機(jī)修改了， 則數(shù)字量的有效輸出值以上位機(jī)修改值為準(zhǔn)，否則按配方表的配方設(shè)定的進(jìn)行輸出。 3.5 數(shù)字量輸入控制 數(shù)字量輸入控制主要指系統(tǒng)的報(bào)警及故障處理程序，報(bào)警程序設(shè)計(jì)包括自動(dòng)和手動(dòng)。報(bào)警信號(hào)由傳感器檢測(cè)，傳送給PLC，程序根據(jù)報(bào)警信號(hào)做出相應(yīng)的安全保護(hù)動(dòng)作，給出觸發(fā)信號(hào)使報(bào)警信號(hào)燈亮，蜂鳴器響，暫停系統(tǒng)運(yùn)行，切斷感應(yīng)加熱器、或者關(guān)閉相應(yīng)的流量壓力控制器。 4 結(jié)論 本文提出的控制系統(tǒng)應(yīng)用于西安電子科技大學(xué)第二代MOCVD系統(tǒng)，相對(duì)于第一代MOCVD控制系統(tǒng)，特別在步序子程序設(shè)計(jì)和模擬量輸出控制上有了很大的改進(jìn)，在步序控制上采用順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)控制不同步之間的動(dòng)作和命令，相對(duì)于第一代移位控制方法[2>，步序控制法對(duì)于解決復(fù)雜循環(huán)的問(wèn)題，更加靈活、可靠。在模擬量輸出控制上采用PLC語(yǔ)句表（STL）的編程方法，編寫(xiě)模擬量漸進(jìn)爬升子程序，解決了在第一代系統(tǒng)中，大量的模擬量輸出由上位機(jī)來(lái)計(jì)算處理再通過(guò)PLC進(jìn)行控制，造成上位機(jī)負(fù)載過(guò)大，控制延遲，響應(yīng)速度較慢的問(wèn)題。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定、快速、安全，完全滿足工藝的要求，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)本系統(tǒng)的研制成功將促進(jìn)國(guó)內(nèi)微電子行業(yè)的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先地位。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn):本文提出了一種基于PLC的MOCVD控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。特別是在軟件程序設(shè)計(jì)上運(yùn)用了先進(jìn)的控制思想，采用順序控制法解決了MOCVD系統(tǒng)中對(duì)于復(fù)雜步序的控制，在模擬量輸出控制上采用了PLC的語(yǔ)句表（STL）編程方法，來(lái)編寫(xiě)模擬量漸進(jìn)爬升子程序，其處理速度快于梯形圖，內(nèi)存占用少，解決了模擬量輸出防止沖擊的可能。本系統(tǒng)提出的控制方案，完全滿足了系統(tǒng)工藝的要求。 參考文獻(xiàn) 1. 尚溫勝，廖常俊,范廣涵等.現(xiàn)代MOCVD 技術(shù)的發(fā)展與展望.華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（3） 2. 謝寶輝. MOCVD 控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì). 西安電子科技大學(xué)論文,2005.3 3. 鄭晟,鞏建平,張學(xué). 現(xiàn)代可編程控制器原理與應(yīng)用. 第一版 北京：科學(xué)出版社，1999 4. 廖常初. S7-300/400PLC 應(yīng)用技術(shù). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.1 5. 王貴成，宋琳，徐心和. 一種基于PLC 的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息，2005 |
