Система автоматического управления термической установкой для выращивания монокристаллов
Название компании
ООО «Лаборатория оптических кристаллов» (ООО «ЛОК»), г. Томск
www.loc-ltd.com
Информация о компании
Научно-производственная фирма «ЛОК» специализируется в области разработки технологий и производства монокристаллических оптических и полупроводниковых материалов, а также функциональных элементов на их основе. Стратегическая задача ООО «ЛОК» заключается во внедрении на различных производствах лазеров высокой яркости, построенных на базе получаемых элементов и перестраиваемых в широких спектральных диапазонах.
Объект, на котором установлена система
Рис. 1. Многозонная термическая установка для выращивания монокристаллов методом Бриджмена
Объектом автоматизации являются многозонные термические установки для выращивания монокристаллов методом Бриджмена в вертикальном варианте. Установки представляют собой цилиндрические печи (r = 0,25 м, h = 1,5 м) собранные из унифицированных нагревательных модулей. Рабочий объем установок, в котором происходит рост кристалла, представляет собой цилиндр (r = 0,05 м, h ~ 1 м), ограниченный в радиальном направлении внутренними поверхностями кольцевых нагревательных модулей. В нем располагается ростовой контейнер с предварительно синтезированным рабочим веществом.
Для создания условий необходимых для выращивания кристаллов по высоте рабочего объема установки формируются три температурные зоны:
-
- высокотемпературная зона (~ 1100 °С);
- переходная (градиентная) зона (700...1100 °С);
- низкотемпературная зона (~ 700 °С).
При этом градиентную зону, в которой происходит рост кристалла, необходимо формировать с высокой точностью в условиях постоянно изменяющихся пропорций расплав-кристалл, конвективных движений в расплаве, выделений теплоты кристаллизации на границе расплав-кристалл при перемещении ростового контейнера из высокотемпературной зоны в низкотемпературную.
Название установленной системы
Система управления многозонной термической установкой для выращивания монокристаллов.
Описание проекта
Предназначение, функции
Для получения функциональных монокристаллов требуемых размеров и высокого оптического качества, необходимо строго выдерживать параметры технологического процесса, а именно:
-
- скорость изменения температуры в рабочем объеме установки не должна превышать 1 °С/мин;
-
- точность регулирования и поддержания температуры в градиентной зоне рабочего объема должна быть не менее 0,1 °С;
-
- требуемая форма фронта кристаллизации – плоская или выпуклая в сторону затравочного кристалла;
-
- осевая скорость роста кристалла не должна значительно отклоняться от скорости перемещения ростового контейнера и т. д.
Разработанная распределенная система автоматического управления термической установкой включает информационно-измерительную и управляющую компоненты.
Информационно-измерительная система предоставляет оператору-технологу данные о показаниях термопар (T, TК), выделяемой мощности нагревателей (Q) и положении ростового контейнера (h). В состав информационно-измерительной системы входят термопары, термостаты холодных спаев термопар и модули ввода аналоговых сигналов.
Управляющая компонента состоит из программируемого логического контроллера (ПЛК), модулей ввода/вывода аналоговых сигналов, исполнительных механизмов, резистивных нагревателей и системы управления механизмом перемещения ростового контейнера. В качестве исполнительных механизмов используются симисторные преобразователи, позволяющие плавно изменять мощность нагревательных элементов в зависимости от управляющих напряжений на входах систем управления СУСП. Число нагревателей (N) в термической установке составляет 30 шт. Количество входов многоканальной системы управления – N+M, где M – количество контрольных датчиков температуры.
Рис. 2. Функциональная схема. Обозначения: ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина; ЦАП и АЦП – цифроаналоговый и аналогоцифровой преобразователи; СУСП – схемы управления силовыми преобразователями; СУПр – система управления механизмом перемещения ростового контейнера; Т, ТК – датчики температуры; ТС, ТСК – термостаты; U У – управляющие сигналы ПЛК; U СУСП – управляющие сигналы СУСП; R – нагреватели; VS – симисторы; T АЦП – выходной сигнал АЦП; V – скорость перемещения ростового контейнера
Удаленность стационарного рабочего места от объекта управления составляет примерно 300 м. Связь с системой осуществляется по сети Ethernet. На рабочем месте оператора визуализируются следующие процессы: уставки температур регуляторов мощности нагревательных элементов, текущие показания термопар, состояния и режим работы регуляторов и значения тепловых мощностей нагревательных элементов.
Для управления системой используется программное обеспечение (ПО) собственной разработки. Среда разработки – Visual Studio 2010 (C#). ПО позволяет изменять алгоритмы управления технологическим процессом и обеспечивает архивацию данных. В процессе эксплуатации систему обслуживает один дежурный оператор.
Программа управления реализована в контроллере iEi UiBX-200W/Z510P. Программа последовательно опрашивает датчики температуры, сравнивает текущие показания с заданными, формирует сигналы управления на выходных каналах, используя ПИД (Пропорционально-Интегрально-Дифференциальный) закон управления.
Расширяемость/тиражируемость решения
Разработанная система автоматического управления применяется как на участке производства по выращиванию монокристаллов, так и на участках синтеза веществ и очистки материалов.
Система является открытой и может наращиваться. При дооснащении оборудованием способна выполнять другие функции, а после адаптации управляющего ПО под конкретные требования заказчика может быть использована на других подобных объектах. По мере изготовления новых термических установок планируется их оснащение разработанной системой автоматического управления.
Оборудование в составе системы
Контроллер iEi uIBX предназначен для управления температурными режимами функционирования термической установки путем формирования управляющих воздействий на систему управления симисторных преобразователей рассредоточенных нагревательных элементов и связи с ПЭВМ.
Корзина МОХА NA-4020, оснащенная аналоговыми двухканальными входными M-6201 и четырехканальными выходными модулями M-4410, предназначена для съема сигналов термопар, передачи их контроллеру по запросу, приема и реализации управляющих сигналов контроллера.
Преобразователь интерфейсов MOXA Transio A53 RS-232 to RS-422/485 Converter используется для обеспечения связи между контроллером и корзиной.
Преимущества оборудования MOXA
Промышленное исполнение функциональных блоков, надежность их работы позволяют обеспечить бесперебойную работу системы управления температурным полем в течение всего цикла выращивания кристалла (> 500 ч), что способствует получению монокристаллов высокого качества.
Выбранное оборудование, по нашему мнению, идеально подходит для создания систем управления многозонными термическими установками при формировании условий необходимых для выращивания качественных кристаллов. Нареканий к оборудованию нет.