6ES7223-1PH22-0XA8产品

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1 引言
    MOCVD（bbbbl Organic Chemical Vapor Debbbbbbbb）（金属化合物化学气相沉积）是一项制备高质量半导体晶体的新技术。此技术的优点在于[1>:可制成各种薄膜结构型的材料；可制成大面积、高均匀性的外延膜；可控制膜的厚度、组成及掺杂浓度；灵活的气体源路控制技术、气体源路的快速切换技术、生长过程全自动控制,使得人的随机因素影响减至小且重复性很好。要使MOCVD的这些特点能够顺利实现，就对工艺参数严格控制。而MOCVD的工艺参数特别多且复杂，这就对控制方法提出了越来越高的要求。因此，有必要采取计算机自动控制。目前MOCVD控制系统大部分依靠国外进口，成本高。研制出具有自主知识产权的MOCVD设备将是发展我国光电子产业的关键环节，意义重大，特别是随着“国家半导体照明工程”的启动，MOCVD的国产化已变得非常紧迫。

    根据MOCVD控制系统的具体工艺要求，我们设计了基于PLC的MOCVD控制系统，该系统采用上位机和可编程控制器实现整个系统的控制和管理，现场试验运行表明该系统性能稳定，响应快速。

2 系统的组成及实现原理
    本系统主要由计算机、Siemens PLC S7-300（控制单元的），温度控制系统、气体处理系统、反应室等组成。控制系统的基本结构见图1所示。

2.1上位机
    选用工业控制计算机作为上位机,利用WINCC 工控组态软件通过MPI 和PLC 进行通讯,从PLC 得到信息,同时向PLC 传送命令，其负责对系统的监控、数据记录、报警记录、数据分析，参数配置。

2.2 PLC
    选用PLC 作控制器,是因为其具有性高、抗干扰能力强、硬件配套齐全、维护方便、适合于恶劣的工业应用环境等特点。PLC作为系统的控制器，负责整个系统运行，包括各种信号的采集、数据的处理以及各种输出信号的控制。输入信号采集包括各类仪表传感器的流量、压力、报警信号等。输出信号涉及电磁阀、接触器、电动机、压力控制器、流量控制器、RF感应加热器等控制量。

2.3 温度控制系统
    温控器、感应加热器、上位机、PLC组成了系统的温度控制系统。这里的温控系统是一个闭环控制系统，温控器通过热电偶实时地采集反应室的温度，由RS232串口反馈给上位机，经过上位机的控制算法处理后，计算出合适的控制量，传送给PLC，由PLC运行程序控制感应加热器来控制反应室的温度。

2.4 气体处理系统
    气体处理系统其硬件主要有经过化学抛光的不锈钢管道、气体纯化器、流量控制器、压力控制器、电磁阀和气动阀等组成。气体控制系统的主要作用是通过控制压力和流量控制器，调节气路上各种阀门的开度，从而达到控制各种气源配比的目的，并通过管道向反应室输送反应剂，为保证反应剂的纯度，要求管道的密封性要很好。

    气路上压力与流量的控制均由压力和流量控制器来完成。传感器将采集来的实际测量值传送给控制系统，控制系统将采集的实际值，实时与设定值比较。如果用户对控制效果不满意，可以采用闭环回路控制，实时修改传送的设定值。

3 系统软件设计
    系统的控制主要指通过PLC对信号进行自动和手动的控制，从而实现对加热系统、气体流量和气体压力、气动阀等的控制。我们设计的MOCVD控制系统有自动控制程序和手动控制程序两种控制方式，自动和手动可以互相切换控制。其子程序主要包括步序控制，模拟量输出控制，模拟量输入控制，数字量输出控制，数字量输入控制。

3.1 步序控制
    在MOCVD控制系统中，根据不同的配方，所控制的步运行时间不同，所要求的循环位置都不同。本系统设计方案的一个设计难点，就是在编写程序的时候，无法预先确知循环体的开始及停止位置，如何编写一个可以供多种不同配方使用的程序。

    针对MOCVD 系统工艺的要求，结合本系统运行流程，采用顺序控制设计法来控制不同步之间的动作和命令，执行不同步序循环控制策略。该方法灵活、准确地采用一个循环控制程序，根据不同配方，在不同循环位置，实现不同功能。其基本的思想是将系统的工作周期划分为50 个顺序相连的阶段，这些阶段称为步（Step），然后用编程元件（存储器位M）来代表各步，每步设定运行开始标志位和结束标志位，进入循环标志位和循环结束标志位，步之间的转换条件可以是外部中断输入“前跳”信号，或者是每步运行的定时器提供的信号。

    对于处理不确定的循环位置问题，在每步结束时,判断该步循环结束标志位是否为1，如果不为1，则直接跳到下一步运行，如果为1 再读取剩余循环次数是否为0，如果为0 则跳到下一步运行，如果不为0 则剩余循环次数减1，跳到进入循环的步序运行。其算法流程如图2 所示。

3.2 模拟量输出控制
    模拟量输出，主要包括8路压力、20路流量以及温度。在模拟量输出中，防止冲击是一项很重要的指标。为了防止冲击，输出时采用爬行渐增的输出控制策略，使模拟量的输出在额定时间内，准时渐增到所需要的输出值，每一次所递增的量要尽量的小，以降低冲击的可能性，保证生长的进行。

    基本思想：每步运行开始时，读取步序号并调用该步的模拟量的目标设定值（IN2），前级步结束的输出值（IN1）及要爬升的步数（D），求出步进量S＝（IN2-IN1）/D,再判断实际值和设定值的大小，决定实际值是加上或者减去步进量，然后再判断实际值是否达到设定值，如果满足则结束本步爬升。分两种情况考虑，步进量为大于等于0或为负，如图3所示为步进量S为大于等于0的程序算法流程图。

    模拟量输出程序主要采用语句表（STL）的编程方法，它是一种类似于汇编的语言，执行速度梯形图，占用内存空间小，能够解决复杂的循环及跳步。针对于本系统多模拟量，步序复杂且循环不定，而CPU内存有限，此方案能很好的解决这个问题。

3.3 模拟量输入控制
    MOCVD 控制系统有29 路模拟输入量，如果全部用模拟量输入模块直接输入，需要29 点的输入。这样设计成本较高，考虑到本系统对模拟量采集实时性要求不高，采用ADG408 译码选择通道，分时输入。每个ADG408 可以接入8 路模拟量信号，使用4 个模拟量通道，就可以输入32 路模拟量，本方案中模拟量输入子系统的成本可以大幅度降低。在系统实时性要求不高的情况下是一种较佳的选择。

    模拟量输入子程序采用多路分时选择输入方案，通过译码器在某一时刻选择其中的一路作为输出传送到模拟量输入模块上的一个通道。ADG408 芯片译码选通和PLC 模拟输入量读数处理，在时序上应该严格区分，避免读数混乱。保证在译码选通和PLC 读数的任何时刻，仅有一路模拟输入量处于选通及输入读数状态。如图4 所示，8 路模拟量AI1—AI8,接入ADG408 中，编写程序输出数字量信号控制ADG408 的使能端EN,信号控制端A2、A1、A0，从而实现分时选择多路模拟量中的一路，将其输入到PLC 的模拟量输入模块中，数据进行相应的存储及处理。

3.4 数字量输出控制
    数字数出量的控制对象主要由电磁阀、接触器、电机、气动阀等。对于数字量输出控制，其程序设计思想，在每步开始的时候，从相应的数据区中，调用本步对应数字量的数据，同时为了实现上位机实时控制的功能，判断上位机监控系统是否实时修改某个数字量的输出值，如果上位机修改了， 则数字量的有效输出值以上位机修改值为准，否则按配方表的配方设定的进行输出。

3.5 数字量输入控制
    数字量输入控制主要指系统的报警及故障处理程序，报警程序设计包括自动和手动。报警信号由传感器检测，传送给PLC，程序根据报警信号做出相应的保护动作，给出触发信号使报警信号灯亮，蜂鸣器响，暂停系统运行，切断感应加热器、或者关闭相应的流量压力控制器。

4 结论
    本文提出的控制系统应用于西安电子科技大学二代MOCVD系统，相对于代MOCVD控制系统，特别在步序子程序设计和模拟量输出控制上有了很大的改进，在步序控制上采用顺序控制设计法来控制不同步之间的动作和命令，相对于代移位控制方法[2>，步序控制法对于解决复杂循环的问题，加灵活、。在模拟量输出控制上采用PLC语句表（STL）的编程方法，编写模拟量渐进爬升子程序，解决了在代系统中，大量的模拟量输出由上位机来计算处理再通过PLC进行控制，造成上位机负载过大，控制延迟，响应速度较慢的问题。系统现场试验运行表明，该控制系统稳定、快速、，满足工艺的要求，具有很高的应用，同时本系统的研制成功将促进国内微电子行业的发展，在国内居于地位。

    本文作者点:本文提出了一种基于PLC的MOCVD控制系统的设计及实现。特别是在软件程序设计上运用了的控制思想，采用顺序控制法解决了MOCVD系统中对于复杂步序的控制，在模拟量输出控制上采用了PLC的语句表（STL）编程方法，来编写模拟量渐进爬升子程序，其处理速度快于梯形图，内存占用少，解决了模拟量输出防止冲击的可能。本系统提出的控制方案，满足了系统工艺的要求。

1  引言
   由于实验室原有的控制系统使用的是十年前的人机界面和PLC，故其硬件均已老化，性能下降，在运行的过程中经常出现死机、黑屏、重启动，甚至某些画面参数不能修改;同时由于无相应的PLC编程器、编程软件和人机界面软件，因此可维修性也差。为了解决这些问题，我们采用西门子S7-200PLC和北京亚控公司的组态王6.05工控组态软件 的控制方案对小丸包衣制粒机的控制系统作了改进。

2  小丸包衣制粒机系统组成
    小丸包衣制粒机系统组成如图1所示。小丸包衣制粒机是专门用于实验室或车间小批量生产的。粉或类似的物料能在流化床中进行干燥、制粒以及包衣等过程。流化床物料容器底部装有筛网，药粉或小丸颗粒等类似的物料被盛放在筛网上。流动的空气经过滤处理后经容器底部的筛网向过，当流速达到一定速度时，颗粒(药粉)就会被空气托起，床内粒子就开始流化起来，形成流化床。流化床内的颗粒(药粉)在容器中剧烈搅动，并延伸到容器的扩展区，细微的粉末或轻微的颗粒则被粘附在袋式过滤器上。为了防止袋式过滤器的堵塞，控制滤袋升降的气缸会有一个间歇的抖动操控。空气经过袋式过滤器、控制风量大小的风门和风道被风机引出室外的大气中。在这个过程中，流化床容器内的微粒能充分的与空气流接触，并且搅动剧烈，因而能够很好的完成充分干燥，良好制粒，精致包衣等制过程。

图1     小丸包衣制粒机系统组成

 

3  系统主要控制要求
小丸包衣制粒机操作的基本控制要求包括五个方面。
(1) 产品温度控制
通过控制进风温度来控制产品温度。进风温度控制精度为±3℃，产品温度控制精度为±2℃。
(2) 进风风量的控制
控制精度为±40m3/h。
(3) 雾化压力的控制
即喷液装置喷射压力的控制，控制精度为±0.1bar。
(4) 密封压力的控制
产品容器与扩展仓密封，形成一个密闭的流化床反应器。采用油压装置进行密封，密封压力在35-70bar之间。
(5) 滤袋的抖动控制
抖动有单滤袋抖动和双滤袋抖动，有手动抖袋和自动抖袋。

4 控制方案的选择
4.1  两种不同方案的比较
小丸包衣制粒机的改进有两种方案可供选择，见表1:

    在满足控制要求的前提下，控制系统硬件设备的选择应该追求的性能价格比。由于该机器的使用频率不高，平均每月一次，同时环境良好，因此采用PC+PLC的控制方案。当机器不用时，PC机可作它用。换句话说，利用公用PC机即可作人机界面。

4.2  PLC硬件配置
    根据对控制系统的要求，选用西门子S7-200系列PLC。S7-200系列PLC体积小，重量轻、安装方便、功能齐全、配置灵活、运行、编程简单，具有可观的经济性和强的适应性，可以满足上述控制要求。

4.3  人机界面组态软件
    组态软件选择北京亚控公司的组态王6.05。这是一款具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。组态王使用简单，适合各种简单和复杂的任务。只需要进行填表式操作，即可生成适合于用户的“监控和数据采集系统”，可有效用于控制自动化过程, 组态王6.05版是在bbbbbbs2000的平台上运行的，因此选用组态王是较为完善和方便的选择。整个控制系统的构成如图2所示:

 

图2     控制系统的构成

5  系统硬件设计
    控制系统选用西门子S7-200系列PLC，选用了处理单元模块CPU224、数字量扩展模块EM223、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模EM232、模拟量输入输出模块EM235。其中的处理单元模块CPU224外部接线图如图3所示、输入输出分配如表2所示。

图3     PLC外部接线图

图4     主程序框图

 

6  系统软件设计
6.1  PLC程序设计
    主程序框图如图4所示，其中子程序0为初始化程序，子程序1为检查扩展模块是否正常，子程序2为模拟量采样子程序，子程序3为对各执行设备输出的采样，子程序4为对各被控量和执行设备异常的报警子程序。由于篇幅所限，各子程序框图在此从略。

 

 

6.2  人机界面组态
    组态软件选择北京亚控公司的基于bbbbbbS2000平台的工业控制组态软件“组态王”6.05版。只需要进行正常通信设置和填表式操作即可完成人机界面组态。运行组态画面程序和PLC用户程序，根据小丸机操作的顺序功能，点击组态画面上的各个按钮，通过模块上各输出位对应的发光二管，观察各输出信号的变化是否满足设计的要求。组态画面设计了设备控制、过程控制、过程参数等画面。其中设备控制画面如图5所示。

图5     设备控制画面

     
7  结束语
    由于S7-200系列PLC具有体积小、系统集成度高(电源、主机、机架、开关量输入输出等功能集成一体)、配置灵活、接线简单、安装方便、抗干扰性强等特点，同时与同性能的产品相比，很好的满足了此次系统改造经济上技术上的要求。新系统人机界面友好(全中文界面)，操作简单快捷，运行稳定，受到广大用户的。

一、系统概述 
    FA506型细纱机是目前成纱质量好，自动化程度高，操作简单，便于管理的环锭细纱机，适用于纯棉或化纤的纯纺和混纺的细纱工序，尤其采用PLC作控制器，不但提高了控制精度，而且解决了生产管理方面存在的缺陷，大大降低操作者劳动强度；同时锭子曲线控制也提高了纱线的质量，保证了纱锭成型，提高了全机的产量。 

    系统设计特点:
    1、 用PLC控制整个纺纱过程，具有程序开车、钢领板自动升降、中途停车后自动跟踪开车、自动落纱、自动留头等。 

    2、 设定纺丝的工艺参数，依据工艺要求自动协调控制；实现定长落纱和锭子速度曲线控制。 

    3、 显示纺纱过程的锭速、牵引倍数、细纱号数、捻度以及班产累计等。 

    4、 采用数字通信，提高了系统的抗干扰性。 

    二、系统硬件 
    电气控制系统包括：数字量输入及数据检测部分、可编程控制器部分、执行机构、人机界面。见图一 

    １、 数字量输入及数据检测部分： 

    1） 各种数字量开关 包括开停车开关、功能开关，用于开停车与实现工艺要求的各种功能动作。

    2） 三自动检测部分 由关主电机、下钢板、刹车传感器构成。其作用为当落纱开始后能自动适位停车、自动留头、为重新开车降低断头创造条件。 

    3） 数据检测部分 由主轴、前罗拉、后罗拉传感器组成。其作用是自动检测纺纱过程中主轴、前后罗拉的运行数据，为计算班产量、锭速、牵引倍数、细纱号数、捻度等工艺参数以及为锭子速度曲线控制提供数据。 

    ２、 可编程控制器（PLC）部分： 该部分主要由永宏FBs-60MC主机与扩展模块构成，可编程控制器专为工业环境而设计的通用自动化装置，它吸取了微电子技术、计算机技术及自动化技术的新成果，采用可编程的存储器，实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各生产过程，永宏FBs-60MC主机有16点数字量输入、24点数字量输出，可带7个扩展模块，本系统设计所有数字量输入全部由主机完成，模拟量输入由扩展模块有 FBs-6AD 完成 

    ３、 执行机构 包括主电机、吸风电机、钢领板升降电机、自动润滑装置、自动清洁装置、变频器、落纱电源等，用于完成纺纱过程的全部工艺动作。其中变频器锭子速度控制由变频器、锭子传动部分、主电机构成。其作用是变频器根据PLC的指令（锭子速度控制曲线）自动调整锭子运行，提高纱线质量和产量。 

    ４、 人机界面 采用TP27触摸显示屏做人机界面，完成参数设定、显示，可直接设定锭子运行曲线，实现控制柔性化。并能根据工艺要求修改参数。TP27与PLC 之间以PPI协议通讯。 

    二、 软件设计： 

    电气控制软件分为：控制主程序、参数设定显示子程序、计算采样子程序、数字通讯子程序和锭子运行曲线子程序。 

    １、 控制主程序 软件主控制程序部分，依据工艺要求编制的程序，上电后自动检测各开关量和传感器输入的数据，完成整个纺纱过程自动控制和调用子程序。 

    ２、 参数设定显示子程序 主要依据TP27配置完成参数设定显示，包括班次设定、错误设置提示，总产量、班产量累计显示、锭子速度、前罗拉速度、牵引倍数、捻度、产量、细纱号数等参数显示。 其中参数设定菜单程序结构见框图二 

    ３、 计算采样子程序 主要依据主轴、前罗拉、后罗拉数据检测传感器采样结果以及设计参数完成系统计算，用以完成各类显示参数的计算及定长落纱等功能。 

    ４、 数字通讯部分和锭子运行曲线子程序 主要采用自由口通讯协议完成与变频器的。通讯设置自由口通讯控制寄存器设置为自由口通讯方式，程序通过接收中断和发出中断以及发送指令XMT控制通讯口的操作，在自由口通讯方式下通讯方式由程序梯图控制。通讯设置还定义了波特率、校验方式和数据长度等。为了使锭子运行曲线平滑。在设定的点与点之间采用数学建摸的方法拟合发送参数，该部分程序框图见图三。

 

    三、 通讯设计： 
    该控制系统大特点是应用数字通讯方式完成TP27与PLC以及PLC与变频器之间的。PLC的Prt0口与TP27连接，以PPI协议通讯完成参数设定显示， Port1口与变频器相连，以自由口协议通讯完成锭子运行曲线控制，以往我们进行锭子速度曲线控制时只能选用模拟量来控制变频器运行，这样硬件成本高且控制精度较低。采用数字通讯后，硬件仅为一条屏蔽线，抗干扰能力增强，为实现联网传输控制参数提供了条件，降低了控制成本;数字通讯、高性和大的提高了机器性能比和市场竞争能力。 

    四、应用效果 
    FA506型细纱机控制系统前身采用PLC开关量控制和协议参数仪构成，全机控制精度低，性和抗干扰性能差，系统成本高。采用永宏FBs-60MC系列PLC构成系统后，全机控制采取数字通讯方式，控制精度高，性和抗干扰性能大为提高。利用“提高软件设计水平来降低硬件投入”原则，大降低了系统成本，单机实现成本降低达控制系统的10％左右，大提高了产品盈利能力，市场前景十分广阔。 

前言
以往的油石精机床是采用继电器进行控制的，控制部分元件较多，体积庞大，接线复杂，且性不高，经常出现故障。近年来，机床行业的自动控制水平在逐步提高。现决定对油石精机床进行改造升级，用PLC取代传统的继电器顺序控制，工作周期变短，使工作，而且编程简单，诊断方便，抗干扰能力强。

1 电气控制要求
油石精机床的工作原理是把加工工件放在两个导辊之间，工件会匀速向固定的方向运动，精头在气压下振动的同时来摩擦工件表面，提高工件的光洁度和圆度等。手动调整好机械的各项指标，用旋转开关把工作方式调节到自动，按下自动启动按钮，PLC开始运行，在程序控制下，冷却启动后导辊开始在变频器无级调速控制下旋转，开始加工工件。
机床配有紧急停止和警示功能，一旦发生机械故障用户可以方便地按急停按钮来停止机床动作；由于过载等原因出现问题，会点亮报来提醒操作者。

2 系统硬件设计
2.1主电路的设计
导辊采用变频控制，PLC控制继电器的吸合作为变频控制正转的条件，而导辊调速采用电位器进行模拟控制；冷却泵由PLC控制接触器KM的通断来实现起停；油石的上升和下降由PLC控制电磁阀来实现。
2.2 PLC系统购置
根据系统的输入、输出点的要求，选用20点的三菱PLC即可以满足要求。

3 系统软件设计
3.1零件加工可以方便的进行手动/自动转换，当转换开关旋至手动状态时，自动不起作用，系统通过操作面板上不同的手动控制按钮来完成机床调整或手动加工；类似的转换开关旋至自动状态时，按下启动按钮，PLC则按预先设计的符合工艺要求的程序运行。系统流程图如图1所示。

机床控制系统中，手动部分占用6个输入点，用于零件自动加工前的调整或手动加工；自动控制部分涉及6个输入点，用于零件的程序顺序加工。
自动控制部分的输入、输出点的分布如表1所示

输入设备 输入 输出设备 输出
过载保护QM X000 报HL Y000
紧急停止SB1 X001 导辊启动KA Y001
复位SB2 X002 冷却启动KM Y002
自动启动SB3 X003 油石上升YV Y003
自动停止SB4 X004
接地保护 X005
表1
自动控制的程序如图2所示，为了避免启动时的电流冲击，用延时0.5 s来避开冷却泵与导辊电机同时启动。

3.2 故障检测与报警电路
一旦机械部分或控制电路发生故障，报会被点亮，同时油石抬起来避免误动作造成损失；故障解除后，可按复位钮报警。报警的程序如图3所示。

4 总结
PLC有丰富的指令集，编程非常灵活，控制相当方便。用PLC对精机床进行升级改造后，系统的硬件结构简单，自动化程度高，加工效，维修方便，性大大提高。

 

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