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1、-扩散炉串级温度控制系统1 引言随着石油，煤炭等不可再生能源的大量使用，这些一次能源在不久的几十年至百年后会在地球上消失。能源是人类社会之所以能够飞速发展的原因，随着石油，煤炭等一次能源的日益枯竭，能源危机也不断的向人类敲响了警钟。人类急需一种替代能源，而且这种能源能够取之不竭，用之不尽。太阳能无疑成为了首选，它有着别的能源很多所不具有的优势，所以近几十年来太阳能电池从实验室到工厂的大规模流水线生产，都说明太阳能是未来人类所赖以生存和发展的新能源！随着国内太阳能产业的不断发展壮大，国内太阳能设备的生产也变得越来越成熟。整个电池片生产环节中扩散环节是形成PN结的过程，是整个电池片生产过程的核心环
2、节。对扩散过程的严格要求无疑是对扩散设备性能的严格要求。扩散工艺过程中温度控制系统能否按照工艺过程良好的控温直接关系到扩散整个反应过程的质量好坏。因此扩散设备的温度控制系统的优劣是衡量扩散设备性能的关键。而衡量扩散设备优劣的关键则是其温度控制的性能。2 扩散炉温度控制系统2.1 温度串级控制单元系统控制框图如下图Fig.1，Fig.2所示，工控机采用研华IPC610P计算机，显示器为工业一体化15触摸显示器，通讯接口为RS485，温度控制为SDC45A山武串级温控仪，触发器采用过零触发电路，功率部件由特种变压器，空气开关，交流接触器，熔断器，可控硅，等组合而成，加热炉为进口直径8mm电热线材绕
3、制而成。触摸显示器工控机加热炉功率部件温度控制触发器RS485Fig.1加热炉保护温控仪超温保护通讯接口功率部件触发部件温控仪工控机显示器控温热电偶保护热电偶管内热电偶Fig.22.2 控温原理炉腔中反应管内温度的稳定要靠调节炉管外炉丝的加热功率来控制。就扩散炉的控温方式而言，炉壁上的热电偶测得的温度不能实时反应出反应管内的温度变化。因此，相对于炉腔中温度的变化，温度调节系统的动作会有很大的滞后性。为了提高回温及温度稳定的速度和温区稳定性，设备温度控制环节选用了控温性能好，响应速度快的双回路串级温度调节系统。如图Fig.2所示，外热偶与炉腔垂直，五个温区分别用5支直径为0.5mm长130mm的
4、S型热电偶。内热偶与炉腔平行，由对应于外热偶位置的5支长短不一的S型热电偶组成。置于炉壁处的外热偶与一组PID调节系统及可控硅触发器，加热功率部件组成的内环副调节系统，用来控制炉丝加热电流的大小。而位置与外热偶对应，被放于炉腔中的内热偶则将测得的温度mV值与设定值比较后，与PID1，PID2及触发，加热系统组成外环主调节回路，来监控炉腔内恒温区的温度变化。当出现电网电压，环境温度变化等外来干扰时，外热偶最先检测到，并在对炉温造成影响之前通过调节环节将其校正。而炉腔内由于舟的移动，气流变化等引起温度变化时，内热偶即可立即检测出来，经比较，运算后迅速调节功率输出来克服扰动对温度的影响。由于某种原因
5、引起炉温低于设定值时，将会有下列变化（用于加热系统时，调节器为反作用）；内炉体温度降低，经内热偶检测到后，反馈到输入端与设定值相比较，这时调节器感受的是一个负偏差，经比较及PID1运算后的输出就会增加，这也就是说内环负调节器的设定值增加了。与此同时，由于外炉温降低，经外热偶检测到并反馈到输入端，这时副调节器感觉到的就是一个比较大的负偏差，经比较及PID2运算后，输出就要大幅增加，通过触发器使可控硅的导通角迅速增大，炉丝加热电流急剧增加，从而使炉子的温度很快恢复到设定值。同样的道理，由于电压升高或降低使炉温发生变化时，通过内环的调节作用，只需对输出稍作改变，即可该变化影响内炉温之前便使系统达到稳
6、定。由以上可见，串级调节系统中由于副回路的存在，改善了被控对象的特性，使调节过程加快，表现在不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主控对象的干扰也能加速克服过程。因此，副回路具有先调，粗调，快调的特点，而主回路则具有后调，细调，慢调的特点，并对副回路没有克服掉的干扰彻底加以克服。通过串级温度调节系统中主，副回路的共同作用，能有效的提高系统的反应速度，解决原单PID回路控温系统存在的回温时间长等问题。2.3 硬件电路和软件的实现1 双向可控硅晶闸管又叫可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。是一种非常重要的功率器件，可用来做高电压和大电流的控制可控硅
7、器件主要用在开关方面，使器件从关闭或阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然。现今的可控硅器件的额定电流可以从几毫安到5000A以上，额定电压可以超过10000V。在性能上,可控硅不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件(俗称死硅)更为可贵的可控性.它只有导通和关断两种状态. Fig.3晶闸管要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。双向可控硅Fig.42.4 可控硅过零触发电路 1 双向可控硅在单片机控制系统中可作为功率驱动部件，由于双向可控硅没有反向耐压问题
8、，控制电路简单，因此特别适合做交流无触点开关使用。双向可控硅接通的一般都是一些功率较大的用电器 ,且连接在强电网络中 ,其触发电路的抗干扰问题很重要 ,通常都是通过光电耦合器将单片机控制系统中的触发信号加载到可控硅的控制极。为减小驱动功率和可控硅触发时产生的干扰 ,交流电路双向可控硅的触发常采用过零触发电路。过零触发是指在电压为零或零附近的瞬间接通。由于采用过零触发 ,因此上述电路还需要正弦交流电过零检测电路。 2 过零检测电路Fig.5电路设计如图Fig5所示 ,为了提高效率 ,使触发脉冲与交流电压同步 ,要求每隔半个交流电的周期输出一个触发脉冲 ,且触发脉冲电压应大于 4V,脉冲宽度应大于
9、20us。图中BT为变压器 ,TPL521 - 2 为光电耦合器 ,起隔离作用。当正弦交流电压接近零时 ,光电耦合器的两个发光二极管截止 ,三极管 T1基极的偏置电阻电位使之导通 ,产生负脉冲信号 ,T1的输出端接到单片机80C51 的外部中断 0 的输入引脚以引起中断。在中断服务子程序中使用定INT0 ,时器累计移相时间然后发出双向可控硅的同步触发信号。过零检测电路 A、B 两点电压输出波形如图Fig6 所示。Fig.63过零触发电路电路如图Fig.7所示 ,图中MOC3061 为光电耦合双向可控硅驱动器 ,也属于光电耦合器的一种 ,用来驱动双向可控硅BCR并且起到隔离的作用 ,R6 为触发
10、限流电阻 ,R7 为BCR门极电阻 ,防止误触发 ,提高抗干扰能力。当单片机 80C51 的 P1.0 引脚输出负脉冲信号时 T2 导通 ,MOC3061 导通 ,触发 BCR 导通 ,接通交流负载。另外 ,若双向可控硅接感性交流负载时 ,由于电源电压超前负载电流一个相位角 ,因此 ,当负载电流为零时 ,电源电压为反向电压 ,加上感性负载自感电动势 el 作用 ,使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压。虽然双向可控硅反向导通 ,但容易击穿 ,故必须使双向可控硅能承受这种反向电压。一般在双向可控硅两极间并联一个 阻容吸收电路 ,实现双向可控硅过电压保护 ,图Fig.7中的 C2、R8 为 R
11、C阻容吸收电路。Fig.72.5 PID控温 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算
12、出控制量进行控制的。比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于
13、零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制
14、作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。扩散炉的两组PID整合在温控仪内部，控温过程中P参数就像汽车的油门，而D参数就像刹车。整个控温过程可简述为，通过工控机的IO界面输入设定温度值，工控机通过RS485通讯线把数据传送给温控仪，温控仪输出4-20mA的电流触发信号给触发板，触发板给双向可控硅门极触发脉冲使其导通加热。加热过程内外热偶时刻把测量温度毫伏值反馈给温控仪，温控仪对检测值进行分析，并进行PID调节，直至温度稳定在设定值。Fig.8 PID温度控制 故障问题举例：某管待机时温区三温度
15、设定值为600，经过一段时间升温到达此温度值，但还在不停加热，直到了900，并且在两三个小时左右才能稳定，但稳定值是900附近，这个过程中没有任何报警。从上面的故障现象，根据加热过程中没有任何报警可以排除以下硬件问题：A： 线路问题（如热偶的补偿导线接线，如果断线会出现断偶报警）B： 可控硅短路（如出现此现象会不停加热，一直加热到报警温度，保护系统启动，加热跳掉） 根据系统加热控制原理图，可看到加热主要是温控仪控制的，调出温控仪的PID参数，同别温控仪对比发现此温控仪的PID参数明显过大，特别是参数P，根据PID各个参数在控制中的作用，我们参照其他温控仪的相应参数和此温区在石英管内的位置特点对PID参数进行更改。更改后给炉温一个小的升温量（比如20），观察炉温的上升情况和最后稳定的情况，如果炉温能够在很短时间内稳定在最后的温度值，说明控温良好。在炉温实际温度为300时，设定炉温为800，观察炉温的上升情况。如果在合理的时间内炉温上升至800，观察炉温的过调情况。如果炉温超过800不太多，且在到两小时内稳定在8000.5区间，说明控温良好。