ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 155-159
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.365
РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В УСТАНОВКЕ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ
© 2004 г. В. А. Влезко, А. Е. Кох
Филиал института минералогии и петрографии СО РАН Россия, 630058, Новосибирск, ул. Русская, 43 E-mail: vlezko@mail.ru Поступила в редакцию 27.10.2003 г.
Описан распределенный прецизионный терморегулятор для установок выращивания монокристаллов с термопарой S-типа, температурным диапазоном до 1300°С, абсолютной погрешностью не хуже 0.6°С, точностью поддержания заданной температуры ±0.1°С, температурным дрейфом не хуже 0.05°С/°С окружающей среды.
Быстрое развитие аппаратуры и программного обеспечения (п.о.) для систем управления технологическими процессами позволяет реализовать не только крупные проекты промышленного назначения, но и недорогие надежные системы для различных исследовательских работ с повышенными требованиями к точности и гибкости. Для этих целей удобно использовать стандартное (de facto) п.о. Современные SCADA и SoftLogic-системы [1] работают практически со всеми контроллерами и периферийными модулями известных производителей. Поэтому из всего многообразия подобных устройств различного назначения и ценового диапазона можно выбрать необходимые элементы для реализации собственной системы с заданными параметрами. При этом для создания распределенных систем управления со сложными алгоритмами регулирования, обработки и отображения не требуется написание трудоемких программ. Даже с учетом настройки п.о. на решение конкретной задачи и разработки дополнительного оборудования такой подход позволяет существенно снизить затраты времени на создание системы управления. Этим руководствовались авторы при создании распределенного прецизионного терморегулятора.
Особенности технологии выращивания монокристаллов, например, методом Чохральского с омическим нагревом [2] (большая постоянная времени печи, высокая точность поддержания температуры, длительность технологического процесса) позволяют существенно снизить требования к быстродействию контроллера и периферийных устройств (и, следовательно, их стоимость), однако требуют создания дополнительного контура стабилизации мощности нагрузки, использования в некоторых случаях дополнительного термопарного усилителя, мер по обеспечению повышенной надежности системы. Исходя из этого, в каче-
стве элементов системы были выбраны модули серии I7000 фирмы ICP DAS (Тайвань). В состав серии входит процессорный модуль и более 60 различных модулей удаленного ввода-вывода от 16-разрядных а.ц.п. для ввода сигнала с термопары до радиомодемов. Каждый модуль этой серии представляет собой законченное устройство, они компактны, легко монтируются на DIN-рейку. Удобная конструкция модулей позволяет легко набирать из них требуемую систему прямо в ростовом шкафу, а также помещать в недорогие пластиковые корпуса. Процессорный модуль I7188 [3] представляет собой PC-совместимый контроллер и имеет процессор AMD 188 с тактовой частотой 40 МГц, SRAM - 256К байт, flash-диск 512К байт, часы реального времени, четыре последовательных порта и операционную систему ROM DOS, совместимую с MS DOS 6.2. Модули объединяются в асинхронную полудуплексную двухпроводную сеть по стандарту RS-485. Максимальная длина сегмента сети без усилителя-повторителя -1200 м. Протокол передачи данных - ASCII-символы. Имеется встроенный фильтр помех. Входные и выходные цепи гальванически развязаны. Напряжение изоляции >3000 В. Питание осуществляется от нестабилизированного источника постоянного тока напряжением 10-30 В. Повышенная надежность работы модулей данной серии обеспечивается наличием двойного (аппаратного и программного) WatchDog-таймера.
Структурная схема распределенного терморегулятора представлена на рис. 1. Сигналы с термопар, число которых зависит от числа зон печи и составляет обычно от одной до трех, усиливаются, преобразуются в градусы Цельсия и передаются в формате ASCII по интерфейсу RS-485 модулями ввода I7011D [4]. Такой модуль осуществляет компенсацию э.д.с. холодных спаев, линеаризацию сигнала, имеет встроенные функции
156
ВЛЕЗКО, КОХ
Стол оператора - -
Источник бесперебойного питания
АРМ оператора Good Help 2.0
RS-232
Нестаб. источник питания 24 В, 10 Вт
+ 24 В
Ж
л:
-4 SR
н
о
" 4-
Шина УСО RS-485
Ростовая установка --------------
П.и.-стабилизаторы
Модули ввода сигналов с термопар
Рис 1. Структурная схема распределенного регулятора температуры. АРМ - автоматизированное рабочее место.
программной калибровки и преобразования шкалы входного сигнала для выбора заданного типа термопары (в нашем случае тип 5); аналого-цифровое преобразование производится 24-разрядным сигма-дельта-преобразователем с 16-разрядной точностью, частота выборки - 10 Гц; коэффициент подавления синфазной помехи >150 дБ. Измеряемая температура отображается на светодиодном дисплее на передней панели модуля. Для защиты от резких колебаний температуры окружающей среды при сборке в ростовом шкафу приборы помещаются в герметичный пластиковый корпус с прозрачной крышкой и изотерми-
ческой металлической пластиной внутри (пассивный термостат).
Нормализованный сигнал температуры в последовательном коде по шине RS-485 передается в PC-контроллер ROBO 3140, который представляет собой I7188, оптимизированный для работы с SoftLogic-системой Good Help. Алгоритм терморегулирования, включая считывание, демпфирование, усреднение и ограничение входного сигнала, формирование п.и.д.-алгоритма обработки, задание температуры по линейному закону и вывод сигнала рассогласования, реализован программно на языке FBD (Functional Block Diagram)
и загружен во 1^^память контроллера. Подобное решение позволяет исключить персональный компьютер (п.к.) на рабочем месте оператора из контура регулирования и тем самым существенно повысить надежность системы. Задачей п.к. остается лишь отображение текущей информации и передача команд оператора системе. Связь контроллера и п.к. осуществляется посредством коммуникационного модуля Г7520 [5]. Данный модуль предназначен для преобразования сигналов стандарта RS-232 в RS-485 и гальванической развязки между п.к. и сетью, образованной модулями серии Г7000. Скорость обмена контроллера с модулями ввода-вывода и п.к. выбрана равной 9200 бод, что вполне достаточно для передачи и обработки медленно меняющихся сигналов.
Выходным сигналом ГВБ-схемы является нормированное значение действующего напряжения на нагревателе, которое через последовательный порт контроллера по шине RS-485 передается на модуль аналогового вывода Г7024 [6]. Модуль является четырехканальным 14-битовым цифро-аналоговым преобразователем с задаваемым программно диапазоном выходного сигнала. В данном случае выбран диапазон 0-5 В. Задачей модуля является управление одним, двумя или тремя (по количеству зон в ростовой печи) силовыми блоками мощностью до 3.5 кВт каждый.
Силовой блок представляет собой п.и.-регуля-тор среднеквадратичного значения на нагрузке (стабилизатор мощности) с фазовым управлением. Такое решение объясняется требованиями к прецизионному терморегулированию и позволяет устранить влияние быстрых колебаний напряжения питающей сети, что не всегда в состоянии сделать медленный термопарный контур. Низкое быстродействие модулей аналогового ввода данной серии не позволяет реализовать стабилизатор мощности программно, да это и нецелесообразно как с технической, так и с экономической точек зрения. Разработанный стабилизатор обладает точностью 1-2 % при коэффициенте амплитуды до 5, имеет время установления с точностью 1%, равное 0.4 с, полосу пропускания до 20 кГц. Это позволяет обрабатывать фазоимпульсный сигнал с симисторного выходного каскада и поддерживать стабильное среднеквадратичное напряжение на нагрузке при изменениях напряжения сети в пределах ±25% от номинала.
Принципиальная электрическая схема выходного стабилизатора мощности приведена на рис. 2. Мгновенное напряжение на нагрузке снижается до требуемого уровня делителем Я28, Я29 и подается на оптоизолирующий усилитель ОЛ8, задачей которого является гальваническое разделение питающей сети и цепей управления, а также выпрямление сигнала. На выходе ЛУЬ БЛ8 формируется значение абсолютной величины входного
сигнала, нормированное к опорному напряжению Уге(- = 2.5 В. Микросхема ОЛ4 (АБ736) [7] является преобразователем эффективного напряжения нагрузки в постоянное и определяет все основные параметры стабилизатора. Делитель Я24, Я23 обеспечивает максимальный (200 мВ) уровень напряжения на входе микросхемы. Конденсаторы С8, С9 задают погрешность преобразования и уровень пульсаций выходного сигнала. Постоянное напряжение, пропорциональное действующему напряжению на нагрузке, усиливается неинверти-рующим усилителем йЛ1-2 и подается на один из входов суммирующего п.и.-звена (йЛ2-1) в качестве текущего сигнала. Это же напряжение выводится на разъем ХТ2 для контроля. На другой вход сумматора в качестве опорного подается инвертированный и уменьшенный вдвое по амплитуде усилителем ОЛ1-1 сигнал с модуля аналогового вывода Г7024 через винтовой терминал ХТ1. Сигнал рассогласования с выхода йЛ2-1 подается на схему формирования импульсов управления симистором на операционном усилителе ОЛ3. Усилитель ВЛ3_2 с передаточной функцией Ц/вых = = -0.8(ивх-2.5 В) смещает уровень входного напряжения. Его выход соединен с инвертирующим входом компаратора с положительной обратной связью йЛ3-1. На неинвертирующий вход компаратора подается пилообразное напряжение, формирующееся путем периодического заряда С4 и его разряда при замыкании ключа УТ2. Ключ управляется сигналом с выхода оптопары йЛ7, которая вместе с элементами йЛ10, Я27, С19 образует детектор перехода через нуль напряжения питающей сети. Таким образом, начало каждого импульса на выходе йЛ3-1 привязано к началу полупериода сети, а его длительность пропорциональна уровню напряжения на выходе йЛ2-1. Непосредственное управление выходным симистором УЗ осуществляется тиристорной оптопа-рой ОЛ6. Светодиод ОЛ6 коммутируется ключом УТЪ база
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.