擴(kuò)散爐智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開題報(bào)告+外文翻譯】,擴(kuò)散,分散,散布,智能,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),獨(dú)家,畢業(yè),課程設(shè)計(jì),任務(wù)書,開題,報(bào)告,講演,呈文,外文,翻譯 第 摘 要 隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在的產(chǎn)品對生產(chǎn)工藝的控制精度要求越來越嚴(yán)格，對操作系統(tǒng)的要求是更簡單更人性化。為滿足市場的需要，擴(kuò)散爐必須對原傳統(tǒng)工藝進(jìn)行突破創(chuàng)新。針對傳統(tǒng)的擴(kuò)散爐控制系統(tǒng)的溫度控制精度、生產(chǎn)工藝控制能力等較低的狀況，提出了一種以 取得顯著的成效，使系統(tǒng)對多位爐溫度的自適應(yīng)控制越來越精確。 本課題系統(tǒng)的介紹了擴(kuò)散爐智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作原理以及對日本三菱公司旗下的可編程控制器 性能特點(diǎn)作簡要分析。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際需要對溫度及壓力 檢測器的選擇進(jìn)行了分析，并選用 計(jì)中選擇組態(tài)軟件作為人機(jī)交互的顯示與參數(shù)設(shè)定界面，實(shí)現(xiàn)了與 功模擬了實(shí)際工藝生產(chǎn)時(shí)的遠(yuǎn)程檢測與控制，使操作者不再受地域約束，并能及時(shí)對突發(fā)的報(bào)警狀況做出反應(yīng)。 歸納本課題的研究內(nèi)容時(shí)，首先主要簡析擴(kuò)散爐的工作原理及發(fā)展前景，并對設(shè)計(jì)所需的設(shè)備分析再選擇，整合出合理的設(shè)計(jì)方案；其次完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括溫度與壓力檢測的設(shè)計(jì)以及以 控制核心的主接線設(shè)計(jì)；最后使用 算機(jī)軟件對系統(tǒng)進(jìn)行程序編輯與模擬仿真，并結(jié)合實(shí)際調(diào)試對程序作了簡要分析。 關(guān)鍵詞 ：擴(kuò)散爐； 度檢測；智能控制；組態(tài)王 第 of it is in of in to of is a at of of is of is to of of of of in o At is a to of of to to be of as LC of is so is no to to To up of of of of to a of is of LC as X GX of of is in 第 1 頁 共 42頁 目錄 摘 要 ......................................................... I .................................................. 緒論 ........................................................ 3 散爐的發(fā)展及前景 ................................................... 3 散爐的基本結(jié)構(gòu)及原理 ............................................... 3 散爐的工作原理 ..................................................... 4 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ............................................ 6 散爐控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ............................................... 6 礎(chǔ) ............................................................. 6 ................................................................................................ 7 I/O） .................................................................................................. 7 ....................................................................................................................... 8 ....................................................................................................................... 9 作原理 ......................................................... 9 號采集及 展模塊 .............................................. 10 ..................................................................................................................... 10 壓力變送模塊： .............................................................. 11 ...................................................................................... 12 ................................................................................ 13 3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .............................................. 16 序設(shè)計(jì) ........................................................ 16 ................................................................................................... 16 ........................................................................................................... 16 ......................................................................................................................... 17 ............................................................................................................. 18 ..................................................................................................................... 23 機(jī)交互界面的設(shè)計(jì) —— 組態(tài)王 .......................... 26 ......................................................................................................... 26 面制作 ......................................................................................................... 27 ................................................................................................................. 28 ................................................................................................................. 28 ................................................................................................................. 29 4 系統(tǒng)安裝與調(diào)試 ............................................. 31 線說明 ........................................................ 31 第 2 頁 共 42頁 試步驟： .......................................................... 32 5 結(jié)論 ....................................................... 34 謝 辭 ........................................................ 35 參考文獻(xiàn) ...................................................... 36 附錄 .......................................................... 37 第 3 頁 共 42頁 1 緒論 散爐的發(fā)展及前景 擴(kuò)散爐主要用于在高溫條件下對晶圓半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜，將參雜材料擴(kuò)散入硅片，從而改變半導(dǎo)體雜質(zhì)類型和在其內(nèi)部分布的狀況及濃度，起到對半導(dǎo)體電特性區(qū)重新編制的作用。擴(kuò)散爐已然成為各類大規(guī)模集成電路、電力電子、光電器的氧化、擴(kuò)散、合金等工藝的基礎(chǔ)設(shè)備。從二十世紀(jì)七十年代，半導(dǎo)體的集成化和芯片生產(chǎn)的規(guī)模化促使了擴(kuò)散爐的入世，并使其在至今的幾十年間有了很大的發(fā)展，在微機(jī)的控制下，其自動(dòng)化程度先進(jìn)，并引入現(xiàn)今眾多 系統(tǒng)智能型 系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障報(bào)警搭配了多種保護(hù)和自診斷功能，其抗干擾的能力大大提升。其同時(shí)儲存的數(shù)十條的工藝曲線能滿足各類工藝需求。近年來，中國的集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)迅速擴(kuò)大，并有成為全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)之一的趨勢。為了巨大的商業(yè)利益和滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求，集成電路的芯片制造技術(shù)更新?lián)Q代也十分迅速，擴(kuò)散爐為應(yīng)對時(shí)代的潮流沖擊相應(yīng)的裝設(shè)了電路系統(tǒng)、送片系統(tǒng)及凈化裝置，爐口管的直徑也變得越來越大，可處理的硅片的尺寸也是在增大，芯片的集成度也隨之提高。但我國集成電路技術(shù)發(fā)展水平于目前還 處于較低的階段，規(guī)?；a(chǎn)的技術(shù)水平主要是 4有少數(shù)企業(yè)能達(dá)到 8英寸、 距離世界主流技術(shù)的 8英寸、 2 英寸、 1]，可以說中國距離世界主流工藝水平平有近十年的差距，這意味著中國本土企業(yè)還有巨大的空間可以發(fā)展。 散爐的基本結(jié)構(gòu)及原理 擴(kuò)散爐主要有中央控制模塊、進(jìn)出舟模塊、爐加熱模塊、氣體控制模塊構(gòu)成；擴(kuò)散和氧化的 中心是中央控制模塊，系統(tǒng)控制部分由四個(gè)各自獨(dú)立的計(jì)算機(jī)控制單元控制著每層爐管的爐溫和爐管推舟及氣路部分，溫度傳感器控制著爐體溫度，并相應(yīng)裝配有控制顯示器、報(bào)警及內(nèi)部運(yùn)行指示燈和各種控制開關(guān)。輔助控制系統(tǒng)包括推舟控制裝置、保護(hù)電路、電路轉(zhuǎn)接控制、三相電源指示燈、照明、凈化及抽風(fēng)開關(guān)等 [2]。為提高實(shí)用用性和可操作性，先進(jìn)的微機(jī)技術(shù)已被逐漸加載到控制系統(tǒng)中，爐管的控制機(jī)與監(jiān)控主機(jī)的通信也采用微機(jī)的通信協(xié)議與串口，控制系統(tǒng)日漸向 計(jì)算機(jī)智能控制靠攏，并能實(shí)現(xiàn)日志記錄、曲線記錄、程序編輯、報(bào)警信息記錄和遠(yuǎn)程控制諸多功能。中央控制模塊是擴(kuò)散爐運(yùn)行的核心，與其配合作為顯示與控制的工程控制計(jì)算機(jī)的工作面板上，設(shè)置了電源控制開關(guān)、信號指示燈、復(fù)位功能鍵、鍵盤輸入鍵等，該計(jì)算機(jī)的機(jī)構(gòu)框圖大致如圖 1 第 4 頁 共 42頁 溫度控制觸發(fā)器功率部分加熱爐238 / 485 工控計(jì)算 恒溫層制總線顯示器P C L - 726 P C L - 812斷水報(bào)警質(zhì)量檢測源瓶壓力檢測步進(jìn)電機(jī) 電機(jī)限位步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電磁閥固態(tài)繼電器圖 1程控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)框圖 進(jìn)出舟模塊有兩種方式沉放石英石及硅片，它們分別為：相較簡單而顆粒較多的懸臂槳方式和較為先進(jìn)且溫度均勻性更好的軟著陸方式。爐體各個(gè)升溫系統(tǒng)被分配 為六部分，水冷散熱器及排熱風(fēng)扇根據(jù)設(shè)計(jì)被裝配在頂層部分，通過水汽循環(huán)將擴(kuò)散爐產(chǎn)生的部分熱量疏導(dǎo)到其他地方，各層爐體間加熱部分也搭配有水冷系統(tǒng)，并設(shè)有廢氣抽風(fēng)口與負(fù)壓管道連接。 氣體控制模塊的氣源柜分為五層。頂層加置排毒口以排出換源過程中散發(fā)的有害氣體。有三路工藝加工生成的氣體進(jìn)氣接口被加裝于柜頂，同時(shí)搭配了一條通道導(dǎo)入壓縮空氣，接口下端加裝了調(diào)節(jié)內(nèi)部氣壓的減壓閥和截止閥，能雙向調(diào)節(jié)進(jìn)氣管道的壓強(qiáng)。在氣路部分，各層的電磁閥、氣動(dòng)閥、過濾器、單向閥、質(zhì)流量控制器及 時(shí)，將 一個(gè)質(zhì)流量控制器電源裝在氣源柜的最底部，在這個(gè)轉(zhuǎn)接板上還適配了數(shù)個(gè)控制開關(guān)機(jī)構(gòu)、保險(xiǎn)等電路，并連通著另一塊轉(zhuǎn)接板上的設(shè)備總電源。 在溫度控制一塊，采用智能溫控表控制，分別檢測三只控溫?zé)犭娕嫉碾妷褐?。溫控表根?jù)得出的測量值與設(shè)定值比較，并進(jìn)行 算，給出各段爐絲電壓的通斷比來實(shí)現(xiàn)溫度控制功能。除此之外，擴(kuò)散爐可以通過設(shè)定儀表控制工藝時(shí)間、溫度升降斜變以及氣流量變換和閥門動(dòng)作等。 散爐的工作原理 擴(kuò)散爐的工作原理如圖 1散爐的進(jìn)出舟將物料推送至爐膛內(nèi)，內(nèi)部的溫度傳感器能分別實(shí)時(shí)監(jiān)測爐內(nèi)熱 電偶的溫度值并經(jīng)過各自信號處理輸出數(shù)字量給工控機(jī)。再與初始溫度設(shè)定值作差值計(jì)算后將偏差送給內(nèi)部 算之后得出擴(kuò)散爐的各段爐絲電壓的通斷時(shí)間與比值，以此實(shí)現(xiàn)對參雜工藝不同的需求溫度時(shí)的 第 5 頁 共 42頁 控制。 加熱爐功率組件觸發(fā)部分通訊接口溫度控制器斷水報(bào)警進(jìn)出舟氣路部分控制機(jī)I / O 接口恒溫槽A / 散爐的大致工作原理 第 6 頁 共 42頁 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 散爐控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 經(jīng)過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與查找資料，發(fā)現(xiàn)若選用 4原理框圖如圖 2即滿足 了工程上對輸入通道數(shù)的需要，對輸出點(diǎn)數(shù)的需求也是能適用的，以此實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散爐對不同工藝階段的溫度曲線控制和調(diào)節(jié)工藝進(jìn)程。時(shí)具備強(qiáng)大的編輯功能和豐富的指令集合，其靈活的 I/6點(diǎn)到 256點(diǎn)的多樣式組合。除此之外，三菱 是 實(shí)現(xiàn)控制器之間、控制器與計(jì)算機(jī)之間的互 聯(lián)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)主站與從站模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制等功能。 P L N 64 X 4 - 塊 - 塊組態(tài)王圖 2制系統(tǒng)原理框圖 礎(chǔ) 為可編程邏輯控制器，因其具備大部分的計(jì)算機(jī)功能從而被廣泛用于先進(jìn)的工業(yè)生產(chǎn)控制中 [3]，其基本構(gòu)成包中含含央處理模塊、輸入 /輸出模組、儲存器模組、電源模塊及外部設(shè)備，它的電源線、控制線 、地址線和數(shù)據(jù)線連將控制主機(jī)的各個(gè)部分有機(jī)連接在一起，根據(jù)配備的不同外部設(shè)備（編程器、寫入器、打印機(jī)）可構(gòu)建成不同的 們是通過連接通訊部分實(shí)現(xiàn)與 以通過電腦軟件 第 7 頁 共 42頁 圖 2 中央處理器（ 一整套控制器中始終擔(dān)任指揮官的作用，系統(tǒng)程序作為它的驅(qū)動(dòng)媒介，對現(xiàn)場輸入裝置傳遞過來的可識別的臨時(shí)數(shù)據(jù)按指定用戶程序的方式進(jìn)行解析，并將所 得結(jié)果暫置于規(guī)定的寄存單元中，而后將數(shù)據(jù)以設(shè)定波形的信號形式對外部控件輸出控制信號，從而驅(qū)動(dòng)相關(guān)的電路完成用戶所需的動(dòng)作。 時(shí)承擔(dān)著醫(yī)生的責(zé)任，在每一個(gè)掃描周期中都對控制器內(nèi)部的電路進(jìn)行檢查，及時(shí)提醒并修正程序的不規(guī)范語法。 存器中的用戶指令被逐條讀取，實(shí)時(shí)更新相關(guān)運(yùn)行標(biāo)志和輸出影響貯存器，經(jīng) I/O 接口循環(huán)送給輸出裝置。近年來，某些 遍采用多個(gè) 成冗余表決系統(tǒng)，以此應(yīng)對 臨時(shí)故障情況，大大提高了 運(yùn)行穩(wěn)定性。 I/O） 輸入 /輸出（ I/O）模組是 接和各類工業(yè)控制場信號的連接部分，起著 輸入 /輸出控制對象之間的信息傳遞。為了識別各類信號， 有不同的輸入輸出 接口，主要分為開關(guān)量輸入 /輸出、模擬的輸入 /輸出。輸入接口用來接收生產(chǎn)過程的各種各樣參數(shù)并存入出入數(shù)據(jù)暫存器中，經(jīng)過運(yùn)行程序的計(jì)算后將控制信息刷新輸出到輸出數(shù)據(jù)暫存器，最后通過輸出接口將控制信號輸出到外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以此完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。我們還需要根據(jù)負(fù)載的特性的不同來選擇合適的輸出模塊。對此，廠家設(shè)計(jì)了多種可編程控制器的接口單元（如表 2保證接 口的抗干擾能力和對工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)用性： 第 8 頁 共 42頁 表 2接口 作 用 開關(guān)量輸入接口 將現(xiàn)場的開關(guān)信號變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號 [4]，，輸入接口中都有濾波電路（起抗干擾作用）和耦合隔離電路（有抗干擾及產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號的作用）。 開關(guān)量輸出接口 將可編程控制器內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)信號和現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能識別的開關(guān)量信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有繼電器型、晶體管型和可控硅型，每個(gè)類型都須接有光電耦合電路。 模擬量輸入接口 將 現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換為適合可編程控制器內(nèi)部處理的二進(jìn)制數(shù)字信號，模擬量信號輸入后通常需要經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后再進(jìn)行 A/電路末尾經(jīng)光電耦合輸出對應(yīng)位數(shù)的數(shù)字量信號。 模擬量輸出接口 將可編程控制器運(yùn)算處理好的若干位數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬量信號輸出，其通常的由光電隔離、數(shù)模轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動(dòng)等結(jié)構(gòu)組成。 智能輸入輸出接口 供一些為適應(yīng)復(fù)雜控制需要的智能控制單元使用，這類單元有單獨(dú)的 專門的處理能力。 儲存器是可編程控制器寄存系統(tǒng)程序單元，同時(shí)用戶 所編輯的程序及運(yùn)行時(shí)計(jì)算出的臨時(shí)數(shù)據(jù)也被存儲到儲存器里面，儲存器通常被被歸類分為兩類型，第一是系統(tǒng)只讀儲存器（ 第二類是用戶隨機(jī)讀寫儲存器（ （ 1）系統(tǒng)只讀儲存器用于永久儲存 商所編輯好的系統(tǒng)程序，并固化在只讀儲存器 ，用戶不可以重新寫入，一般為掩膜只讀存儲器和可編程電改寫只讀存儲器 [5]，當(dāng)電源掉電時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。 （ 2）用戶隨機(jī)讀寫儲存器按用途區(qū)分可以劃分為數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)。程序區(qū)用來存放 可供用戶任意改寫或增刪的用 據(jù)區(qū)的存儲空間一般較小，同時(shí)，各類數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)存放的位置也有嚴(yán)格的劃分，一些根據(jù)需要而被命名的數(shù)據(jù)單元如輸入繼電器、計(jì)數(shù)器、時(shí)間繼電器等都各自有著獨(dú)立的地址編號。在該存儲器內(nèi)寫入或擦除都比較容易，一般用來存放用戶程序及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)生成的臨時(shí)數(shù)據(jù)，所以掉電情況會(huì)使得數(shù)據(jù)丟失。 第 9 頁 共 42頁 源將交流電源變成直流電源作為個(gè)工作單元的開關(guān)電源。 電源裝置具有良好的調(diào)節(jié)措施，所以對外部電源的穩(wěn)定性要求不大，一般允許外部電源的波動(dòng)范圍為額定電 壓值的﹢ 10％到 一些 源模塊還可以提供 24V（ 定電源給外部設(shè)備供電，以防止外部電源故障的情況下重要信息的損失，外部設(shè)備如表 2 表 2名稱 用途 編程器 具備專用編程或軟件編程的功能，同時(shí)還具有一定的調(diào)試及監(jiān)控功能，并能實(shí)現(xiàn)良好的人際交互 打印機(jī) 打印程序或制表 盒式磁帶機(jī) 用以記錄程序或信息 將程序?qū)懭氲接脩?高分辨率大屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng) 顯示或監(jiān)視有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài) 作原理 可編程控制器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)過程 繼承了計(jì)算機(jī)的工作原理， 確定了工作任務(wù)并寫入編寫好的專用程序后，它就會(huì)循環(huán)掃描系統(tǒng)工作任務(wù)管理和執(zhí)行應(yīng)用程序，這種方式稱為循環(huán)掃描工作方式。經(jīng)過輸入采樣階段，將輸入口的信息存放在輸入數(shù)據(jù)暫存區(qū)，供給執(zhí)行程序調(diào)用（程序執(zhí)行階段），最后將寄存在輸出暫存區(qū)的輸出信號送到輸出口并刷新（輸出處理階段）。 2 機(jī)后的系統(tǒng)內(nèi)部處理、一個(gè)掃描周期的處理過程和系統(tǒng)自診斷出錯(cuò)處理的流程示意圖。 第 10 頁 共 42頁 圖 2序運(yùn)行全過程示意圖 工作狀態(tài)無非是運(yùn)行（ 態(tài)和停止（ 態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)指示燈亮?xí)r執(zhí)行應(yīng)用程序；停止?fàn)顟B(tài)指示燈亮?xí)r用于程序的編制與修改，或者是 兩種工作狀態(tài)可以通過 行 /停止”指令控制。由圖可知，在不同的運(yùn) 行狀態(tài)下，掃描過程所需要完成的動(dòng)作也是不完全一樣的。系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)部處理后 每個(gè)掃描期間內(nèi)都會(huì)對程序的各類數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行處理。輸入模塊的 波電路的濾波時(shí)間常數(shù)產(chǎn)生的濾波時(shí)間、輸出模塊的滯后時(shí)間和掃描與運(yùn)行間 隔產(chǎn)生的滯后時(shí)間通常會(huì)以 存在 [6]，這時(shí)間稱為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，對于那些對響應(yīng)時(shí)間有要求的的控制系統(tǒng)，通常選擇掃描速率較大的 如使輸出與掃描周期脫離。 號采集及 展模塊 針對擴(kuò)散爐對溫度控制高精度需求，因而對溫度檢測的傳感器靈敏度的要求也高。歸納一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)之后，我選用 S 型鉑銠熱電偶作為檢測精度偏差為 氏度之間的測溫傳感控件，其溫度測量范圍囊括了 擴(kuò)散爐工藝溫度的上下限，高溫狀態(tài)下不易被空氣中的氧化物氧化。同時(shí)，在微觀視野下，它受熱時(shí)的勢壘極其穩(wěn)定，電特性良好。由資料得出鉑銠金屬比例為 9:1，其測溫范圍為 0至 1600攝氏度。在硬件電路中，熱電偶作為溫度傳感器監(jiān)控爐溫并將被測溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號送至控制系統(tǒng)，經(jīng)過與系統(tǒng)設(shè)定的溫度對應(yīng)電壓值對比，給出相應(yīng)的控制信號以調(diào)節(jié)爐溫。同時(shí)，熱電偶的實(shí)際使用受環(huán)境溫度因素干擾明顯，可采用查表法、儀表零點(diǎn)調(diào)零法、冷端恒零度法、補(bǔ)償電 第 11 頁 共 42頁 橋法以及半導(dǎo)體 補(bǔ)償法消除部分影響，我們可以選擇補(bǔ)償電橋法，這種方法使用了不對稱 的電橋接法，熱電偶冷端因環(huán)境變化導(dǎo)致的誤差可通過電橋的電勢差來彌補(bǔ)。 設(shè)計(jì)上我們使用三組熱電阻模擬擴(kuò)散爐的三個(gè)爐區(qū)溫度，通過熱電偶采集得到三組電流值并送至控制系統(tǒng)。 采用 變送器內(nèi)置大功率穩(wěn)壓芯片，它的線路板亦經(jīng)鍍錫加厚，使其抗干擾性能大大提升。在對溫度的測量實(shí)際量采集后并經(jīng)內(nèi)部芯片模擬化處理，輸出一個(gè) 4~20。 溫度變送器通?？勺鳛?列儀表的變送單元，其技術(shù)指標(biāo)如表 2接線中其采用二接線傳送方式，即電源負(fù)極接線端也可作為信號的輸出端。 表 2輸出 4 ~20量精度 熱電阻：± S 溫度漂移 ± 冷端補(bǔ)償 0~50℃± 1℃ 調(diào)整方式 電位器 電源電壓 24V 10% 負(fù)載能力 0~500Ω 環(huán)境溫度 0℃ 環(huán)境濕度 第 23 頁 共 42頁 存入 [D ]，該位元件處于導(dǎo)通狀態(tài)；并將結(jié)果 2 存入 [D+1]，該位元件相對應(yīng)置 1； 將結(jié)果 +2的位元件置 1。 （ 9）四則運(yùn)算指令 指令格式如表 3 表 3則運(yùn)算指令要點(diǎn) 功能號 助記符 名稱 程序步 0 【 D】 P】 7/13 1 【 D】 P】 7/13 2 【 D】 P】 7/13 3 【 D】 【 P】 7/13 以上四則運(yùn)算都有三位操作數(shù)，且它們的內(nèi)部處理形式大同小異，即將前兩位操作數(shù)的代數(shù)值進(jìn)行簡單的四則運(yùn)算，運(yùn)算后的結(jié)論值將存入第三位操作數(shù)指定的數(shù)據(jù)寄存器中，以供其他指令調(diào)用或直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的位元件工作。 程序分析一： 圖 3示程序段功能為對 塊的初始化，由于系統(tǒng)所使用的溫度傳感器對熱電偶溫度的采集后經(jīng)處 理輸出的信號均為 4~20取 1”，即 馬在系統(tǒng)對采集溫度的測量值與設(shè)定值比較，若測量值達(dá)到溫度曲線設(shè)定值Ｄ 0，就開始對 ~20寫入平均采樣次數(shù)為 4。之后對采集到的三個(gè)爐區(qū)的溫度值進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換，將溫度顯示精確到小數(shù)點(diǎn)數(shù)位。 第 24 頁 共 42頁 圖 3程序分析二： 圖 3如圖 3段程序?qū)崿F(xiàn)的功能在組態(tài)中顯示上層爐區(qū)所測得的溫度值， 浮點(diǎn)數(shù)乘法指令，在這里將 存器中的數(shù)據(jù)乘以系數(shù) 2，并存入臨時(shí)寄存器2位浮點(diǎn)型除法指令調(diào)用，除法指令的被除數(shù)即數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化顯示的系數(shù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中無實(shí)際意義。在設(shè)計(jì)中由于采用的是熱電阻發(fā)熱模擬擴(kuò)散爐的熱電偶工作，在實(shí)際溫度上無法達(dá)到擴(kuò)散爐加熱時(shí)的溫度，則需要對所測數(shù)值進(jìn)行簡單處理，并存于余兩爐區(qū)溫度測量與顯示的處理方法與之相似。 程序分析三： 圖 3該段程序采用區(qū)間比較指令控制繼電器Ｍ 21、Ｍ 22、Ｍ 23的狀態(tài)，并將區(qū)間的上下 第 25 頁 共 42頁 限設(shè)定值存入 最后一次存入的內(nèi)容為當(dāng)前值。 程序分析四： 圖 3序分析四圖 第 26 頁 共 42頁 以上程序的內(nèi)容是設(shè)定一個(gè)周期為 4秒的脈沖序列和溫度曲線的某個(gè)加熱階段的目標(biāo)溫度值，由傳感器傳回的數(shù)值與設(shè)定值之間的偏差經(jīng)與 系數(shù)關(guān)系進(jìn)行處理得出 第一階段曲線的加熱過程中，若溫度超出目標(biāo)值，系統(tǒng)則控制輸出脈沖的占比，適當(dāng)停止加熱，則溫度會(huì)回落到目標(biāo)值附近，從而減少超調(diào)量。同時(shí)，在比較傳感器傳回的當(dāng)前溫度值與曲線加熱階段的目標(biāo)值過程中，若溫度達(dá)到目標(biāo)值，則 電器動(dòng)作，在該階段的加熱 時(shí)長約為 200 秒。由于在分段式加熱中溫度保持的條件苛刻，容易出現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線波動(dòng)，為在組態(tài)界面中曲線的顯示比較直觀，我們借助指令“ 了一點(diǎn)靜態(tài)誤差補(bǔ)償，而指令“ 513 溫度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，實(shí)時(shí)曲線顯示為一條水平的線段，這線段對應(yīng)的時(shí)間不會(huì)很長，馬上轉(zhuǎn)入下一階段的加熱。 機(jī)交互界面的設(shè)計(jì) —— 組態(tài)王 組態(tài)王基本介紹 本次設(shè)計(jì)中，我們采用基于組態(tài)王的人機(jī)交互界面與可編程控制器共同完成顯示與控制。組態(tài)王作為工業(yè)生產(chǎn)中廣 泛用于監(jiān)控的軟件，得益于它的軟件適用性突出、開發(fā)功能先進(jìn)、提供最優(yōu)化管理等優(yōu)勢，極大的與用戶需求相貼切，軟件中的聯(lián)機(jī)幫助也能為初學(xué)者使用組態(tài)王創(chuàng)建工程提供極大幫助。組態(tài)王可以將生產(chǎn)現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)與信息整合到軟件的動(dòng)態(tài)界面中，通過調(diào)用指令和數(shù)據(jù)庫信息將生產(chǎn)過程可視化地顯示在軟件界面，集過程控制、現(xiàn)場操作以及生產(chǎn)資源管理于一身，在提高工業(yè)生產(chǎn)效率和節(jié)約成本與材料消耗的同時(shí)，也提高了生產(chǎn)質(zhì)量。同時(shí)，生產(chǎn)線上系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性往往是用戶所重視的，而組態(tài)王則提供完善的報(bào)警檢測和數(shù)據(jù)記錄，用戶就可以在簡單明了的電腦桌面前 設(shè)置報(bào)警條件和查閱各類報(bào)警、動(dòng)作及工作站的動(dòng)態(tài)。 創(chuàng)建一個(gè)新組態(tài)工程時(shí)，通常需要根據(jù)圖 3用串行通信與可編程控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，所以，選擇與實(shí)際 I/O 設(shè)備 及定義相關(guān)變量的正確與否十分重要：可以查看電腦設(shè)備向?qū)Р榭磳?yīng)連接口，同時(shí)串口的通信參數(shù)需與實(shí)際設(shè)備一致；在數(shù)據(jù)詞典中變量的設(shè)置需得當(dāng)，每個(gè)全局變量需要與實(shí)際設(shè)備的寄存器對應(yīng)，其屬性及報(bào)警與記錄也要設(shè)置合理，還可根據(jù)需要設(shè)置實(shí)時(shí)記錄曲線和歷史曲線，適當(dāng)?shù)募尤氚粹o會(huì)使得界面更加明細(xì)與系統(tǒng)化。 第 27 頁 共 42頁 開始建立新工程定義外部設(shè)備定義變量畫面制作編譯運(yùn)行與調(diào)試成功 ？結(jié)束是否圖 3態(tài)王監(jiān)控設(shè)計(jì)步驟 組態(tài)王環(huán)境中繪圖開發(fā)所用到的圖形元素的多樣化能滿足用戶的各類需求，同時(shí)也能起到美化界面的作用。用戶將所用到的靜態(tài)圖像放置在合適的位置并有機(jī)整合之后，便可通過連接表達(dá)式或者命令語言建立與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的屬性連接。設(shè)計(jì)組態(tài)的監(jiān)控界面如圖 3 圖 3設(shè)計(jì)的組態(tài)監(jiān)控界面 第 28 頁 共 42頁 在組態(tài)中，我們定義了許多不同的變量以供使用，而這些變量有些比較關(guān)鍵，則需要我們添加必要的報(bào)警信息。組態(tài)王的定義報(bào)警的步驟如圖，在定義報(bào)警信息時(shí)，我 們可以根據(jù)某些變量達(dá)到或超過某個(gè)值時(shí)設(shè)定超限報(bào)警，也可以其在某長時(shí)間內(nèi)變化的多少設(shè)定為變化率報(bào)警，此外還有偏差報(bào)警等。在報(bào)警組的根組可以修改報(bào)警組的配置，并可劃分多個(gè)分支。之后對數(shù)據(jù)詞典中的事件進(jìn)行報(bào)警定義并綁定報(bào)警組名，同時(shí)設(shè)置預(yù)期的“低低”至“高高”之間的報(bào)警界限值。設(shè)置完畢后，可創(chuàng)建新的報(bào)警畫面，并修改相關(guān)屬性。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)當(dāng)前值達(dá)到報(bào)警值時(shí)則會(huì)彈出報(bào)警窗口和顯示相關(guān)報(bào)警信息，若要記錄所有報(bào)警信息時(shí)，我們將開發(fā)環(huán)境中的“歷史報(bào)警”選上，便可顯示歷史報(bào)警信息了。為方便監(jiān)控組態(tài)的主畫面，我們可以對報(bào)警設(shè)定 加以修改，并在報(bào)警命令語言中寫入報(bào)警程序：“ \本站點(diǎn) \$新報(bào)警 )； 報(bào)警監(jiān)控畫面 ")； \\本站點(diǎn)\$新報(bào)警 =0”，程序需要設(shè)置自動(dòng)歸零命令，這樣每當(dāng)有報(bào)警產(chǎn)生時(shí)則會(huì)彈出報(bào)警，如圖 3示。組態(tài)王為方便將報(bào)警信息保存和打印，其配置也十分完善，可根據(jù)我們的習(xí)慣將報(bào)警記錄提取出來并存為多種文件類型的報(bào)警數(shù)據(jù)庫。 圖 3史報(bào)警窗口 在組態(tài)王的工作畫面中可以建立曲線窗口，用以記錄一系列相關(guān)信息。組態(tài)王的工具與控件可以直接選定并拉鋸出一個(gè)框口用來顯示實(shí) 時(shí)曲線或歷史記錄曲線，在實(shí)時(shí)曲線的定義中，首先新建畫面，最多可以定義顯示四條不同顏色或線型的實(shí)時(shí)趨勢曲線，這時(shí)我們可添加文字加以備注區(qū)分各種，需要注意的有兩點(diǎn)，一是變量為 I/ 第 29 頁 共 42頁 若組態(tài)王與硬件通訊失敗，則控制方式為無效數(shù)據(jù)顯示；二是在標(biāo)示中對百分比或?qū)嶋H值的數(shù)據(jù)格式的選則，合適地定義數(shù)據(jù)的范圍能使得曲線不會(huì)在表格中出現(xiàn)缺失情況。在定義歷史趨勢曲線之前，需要在數(shù)據(jù)詞典中對數(shù)據(jù)變量的定義窗口中“記錄和安全區(qū)”將記錄的選項(xiàng)勾上，否者我們的歷史曲線或者報(bào)表則無法從這些變量中得到歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要對報(bào) 警歷史記錄進(jìn)行相應(yīng)的配置。在設(shè)定完畢后，在畫面工具箱中選擇通用控件選項(xiàng)并選用“歷史趨勢曲線”，再在畫面中拖拉出一個(gè)窗口，便可在控件窗口添加需要的變量曲線。歷史曲線支持對離散型變量、整型數(shù)據(jù)以及實(shí)型數(shù)據(jù)的記錄，但對字符型的變量則無法記錄 [14]。曲線的監(jiān)控在生產(chǎn)過程中十分重要，每條曲線都能實(shí)實(shí)時(shí)反應(yīng)現(xiàn)場的情況并為用戶對未知的隨機(jī)狀況做出大致判斷提供有力的數(shù)據(jù)支持。圖3 圖 3藝曲線定義圖 組態(tài)王將在采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的前提下通過外部輸入輸出的驅(qū)動(dòng)程序與可編程控制器或其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與傳輸，且一開始就需要在組態(tài)王的工程瀏覽器樹狀目錄欄的“設(shè)備”中定義正確的外部設(shè)備，為避免通信失敗應(yīng)連接正確的串口，選擇使用的通信方式，即在外部數(shù)據(jù)經(jīng) I/ 避免通訊中斷后不能恢復(fù)的情況，通訊參數(shù)中波特率的設(shè)置值應(yīng)在 19200范圍內(nèi)，如圖 3時(shí)， I/通 信出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候，它需要用比平常多的時(shí)間來識別，這樣就對整個(gè)系統(tǒng)的通訊周期，所以再出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)減少識別周 期來提高整個(gè)系統(tǒng)的通訊效率，在通訊問題處理后再將周期值提到原來的 第 30 頁 共 42頁 數(shù)值 [15]。 圖 3訊串口設(shè)置圖 第 31 頁 共 42頁 4 系統(tǒng)安裝與調(diào)試 線說明 圖 4圖 4散爐智能控制系統(tǒng)示意圖 由于有了上位機(jī)作為操作區(qū)，可以在上位機(jī)上直接操作即可，因此在此就不需要 在輸入端口做外圍接線了，這樣可以節(jié)省很多外圍空間，使得系統(tǒng)變得更加緊湊，方便調(diào)試，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而作為控制溫度部分， 第 32 頁 共 42頁 根據(jù)課題的要求，需要用到三路輸出端口，來控制擴(kuò)散爐的上、中、下三個(gè)分區(qū)的溫度，因此可以選擇 為輸出連接。由于 輸出端允許通過的電流最大值為2A，為了保護(hù) 們選擇用固態(tài)繼電器做為強(qiáng)弱電隔離的方式。即固態(tài)繼電器輸入端直接由 供的 24V 電源驅(qū)動(dòng)，輸出端由 220V 交流電經(jīng)過變壓器降壓后連接到加熱電阻兩端。為了模擬控制擴(kuò) 散爐上、中、下三個(gè)分區(qū)的溫度，我們選擇了100了更加準(zhǔn)確的檢測控制加熱的溫度，我們用了溫度變送器 形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)商家提供的接線數(shù)據(jù)對感溫線完成了接線。由于變送器輸出的是電流信號，因此要接到 塊的電流輸入端，并且根據(jù) 4料，同時(shí)也要連接 V+，接著就是對擴(kuò)散爐內(nèi)部的壓力進(jìn)行檢測，根據(jù)課題要求，這一部分只需作為一個(gè)檢測即可，重要的是實(shí)現(xiàn)溫度控制，而由于量以及采集功能有限，我們只選擇了一路壓力測量，其他兩路也是一個(gè)原理，最后就 是對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的工作了。 由于第一次使用溫度變送器，第一次接線的時(shí)候剛好把 是沒有損壞變送器，只是測量不出數(shù)據(jù)，后來經(jīng)過查找商家提供的接線資料，終于找到正確接線方法，測量的結(jié)果也有了數(shù)據(jù)。 剩下的就是壓力測量了，同樣的，也是通過商家給出的接線數(shù)據(jù)，對接線以及測量方法有了初步了解，但是有一個(gè)小問題就是，這個(gè)壓力傳感器需要的電壓是 0供的只有 24V，這里提別注意要做一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換，我們選擇 為電壓轉(zhuǎn)換，其電路圖如圖 4。然后就可以將壓力傳感器的輸 出信號接到 道，就可以完成對壓力的數(shù)據(jù)采集工作了。 圖 4力檢測電壓轉(zhuǎn)換電路 試步驟： 1、 首先檢查強(qiáng)弱電之間是完全隔離的，沒有出現(xiàn)短路獲知開路的情況，確保三個(gè)加熱電阻，以及連接它們的三個(gè)固態(tài)繼電器是處于并聯(lián)的狀態(tài)。 2、 其次是檢查 別確定電流檢測、電壓檢測的接線方式是正確的，才能通電調(diào)試。 3、 確定控制方式，由于這里使用的 作的頻率低，因此不能使用教材上的 制模式，經(jīng)過于多位同學(xué)的商量，最終選擇常用的 制方式。 第 33 頁 共 42頁 4、 首 先使用比例控制的方式，由經(jīng)驗(yàn)算法初步確定比例系數(shù)的大小，經(jīng)過多次的調(diào)試，最終選擇一個(gè)響應(yīng)速度快，超調(diào)較小的比例系數(shù)。 5、 一開始選擇 制方式，但是選擇這個(gè)控制的方式在調(diào)試過程很難控制各個(gè)系數(shù)，最終選擇純比例控制，但是比例控制存在靜態(tài)誤差，所以加了一點(diǎn)小小的補(bǔ)償，這種方式相對簡單許多，控制也在要求的范圍之內(nèi)。 6、 壓力測量就比較簡單，只作為測量并記錄數(shù)據(jù)，最終在組態(tài)王上顯示就可以了。 第 34 頁 共 42頁 5 結(jié)論 傳統(tǒng)的擴(kuò)散爐控制系統(tǒng)的溫度及工藝控制由人工通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各種控制儀 表實(shí)現(xiàn)，這在控制中需要大量的人為動(dòng)作，準(zhǔn)確性難以保證。在本設(shè)計(jì)中以可編程控制器為系統(tǒng)控制的核心對擴(kuò)散爐進(jìn)行控制，能基本滿足系統(tǒng)控制精度要求，同時(shí)設(shè)置了多條工藝溫度曲線，大致實(shí)現(xiàn)了控制的預(yù)期效果。在硬件的模擬設(shè)計(jì)中，通過傳感器采集信號并處理，傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。在軟件的應(yīng)用中，采用 使用組態(tài)王作為人機(jī)交互的界面，為用戶提供了良好的控制與顯示的界面。在運(yùn)行調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)并解決了一些存在問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。 通過多個(gè)月的努力，已大致實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求，深入接觸了可編程控 制器的相關(guān)知識，學(xué)會(huì)了 過程使我受益匪淺。 第 35 頁 共 42頁 謝 辭 時(shí)間總是在像那過隙白駒，將我們的青春烙上曾經(jīng)來過的印記，任它齒月年輪，或歲月靜好，我們的汗水早已將這倒影般的大學(xué)光景裝點(diǎn)得琳瑯滿目，我們無悔走過這看似漫長卻又匆匆的四年秋冬。當(dāng)畢業(yè)季如期而至，高老師孜孜不倦的身影也頻繁出現(xiàn)在我們眼前。從畢設(shè)題目的選題，整理開題報(bào)告，指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案，借用設(shè)計(jì)材料甚至在最后完成說明論文的環(huán)節(jié)中，老師都給了我極大地幫助，及時(shí)指出我存在的問 題，并耐心的為我分析解決方案，讓我在迷茫中逐步找到完成任務(wù)的契機(jī)。老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度和扎實(shí)的理論水平都使我受益匪淺，在此我致以高老師最誠摯的敬意。 完成一個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)不是一觸而就花一兩天就能完成的事，剛接到畢設(shè)題目時(shí)，自身的所學(xué)過理論知識還不足以支撐我制定完善的設(shè)計(jì)方案。除了老師的耐心幫助之外，與自己朝夕相處四年之久的同窗好友也給了我極大的幫助，是他們教會(huì)我一些設(shè)計(jì)方案中的細(xì)節(jié)，督促我時(shí)刻努力，不輕言放棄。在平時(shí)的生活點(diǎn)滴中，他們積極樂觀的態(tài)度感染著我，他們的大度與無私包容著我，我們互相學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步，在 此我要感謝他們贈(zèng)與我這幸福的大好時(shí)光，也祝福他們在未來的人生道路中一帆風(fēng)順，再接再厲。 最后，我要對我們的母校致以最崇高的敬意，正是她為我提高了這么一個(gè)優(yōu)秀的學(xué)習(xí)與就業(yè)平臺，為我們營造了這么良好的學(xué)習(xí)氛圍，為我們打造了這么美麗的生活環(huán)境，為我們以后勇闖人生道路奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 第 36 頁 共 42頁 參考文獻(xiàn) [1] 崔東 D]濟(jì)大學(xué)， 2003 [2] 孫尚明 M]京交通大學(xué)， 1999 [3] 王峰 J]2008（ 4）， 77 [4] 梁志文 J]010(8)， 46 [5] 劉文娟 D]津大學(xué)， 2013 [6] 唐林 J]2004（ 1），118 [7] H， ， ]2005