摘要：針對(duì)MOCVD系統(tǒng)工藝的要求，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的MOCVD計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。本文從系統(tǒng)的組成、實(shí)現(xiàn)原理和軟件設(shè)計(jì)等方面做了介紹。采用可編程控制器作為其核心控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，靈活性。 關(guān)鍵詞：PLC；MOCVD;計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [b][align=center]Design of MOCVD control system based on PLC GUO Run-qiu , CHEN Xian-Neng[/align][/b] （School of Electromechanical Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China） Abstract：According to technical request of MOCVD system, we designed a MOCVD computer control system based on PLC. This paper introduces the composing of system, principle of realization and design of software, Applying PLC to serve as the control system, it increases the automatic level, ensures the reliability and flexibility of the system. KEY WORDS: PLC; MOCVD; computer control system 1 引言 MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）（金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積）是一項(xiàng)制備高質(zhì)量半導(dǎo)體晶體的新技術(shù)。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于[1]:可制成各種薄膜結(jié)構(gòu)型的材料；可制成大面積、高均勻性的外延膜；可精確控制膜的厚度、組成及摻雜濃度；靈活的氣體源路控制技術(shù)、氣體源路的快速切換技術(shù)、生長(zhǎng)過(guò)程全自動(dòng)控制,使得人的隨機(jī)因素影響減至最小且重復(fù)性很好。要使MOCVD的這些特點(diǎn)能夠順利實(shí)現(xiàn)，就必須對(duì)工藝參數(shù)嚴(yán)格控制。而MOCVD的工藝參數(shù)特別多且復(fù)雜，這就對(duì)控制方法提出了越來(lái)越高的要求。因此，有必要采取計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。目前MOCVD控制系統(tǒng)大部分依靠國(guó)外進(jìn)口，成本高。研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MOCVD設(shè)備將是發(fā)展我國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，意義重大，特別是隨著“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”的啟動(dòng)，MOCVD的國(guó)產(chǎn)化已變得非常緊迫。 根據(jù)MOCVD控制系統(tǒng)的具體工藝要求，我們自主研發(fā)設(shè)計(jì)了基于PLC的MOCVD控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用上位機(jī)和可編程控制器實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，響應(yīng)快速。 2 系統(tǒng)的組成及實(shí)現(xiàn)原理 本系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、Siemens PLC S7-300（控制單元的核心），溫度控制系統(tǒng)、氣體處理系統(tǒng)、反應(yīng)室等組成?？刂葡到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。 2.1上位機(jī) 選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),利用WINCC 工控組態(tài)軟件通過(guò)MPI 和PLC 進(jìn)行通訊,從PLC 得到信息,同時(shí)向PLC 傳送命令，其負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警記錄、數(shù)據(jù)分析，參數(shù)配置。 2.2 PLC 選用PLC 作控制器,是因?yàn)槠渚哂锌煽啃愿?、抗干擾能力強(qiáng)、硬件配套齊全、維護(hù)方便、適合于惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境等特點(diǎn)。PLC作為系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，包括各種信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的處理以及各種輸出信號(hào)的控制。輸入信號(hào)采集包括各類儀表傳感器的流量、壓力、報(bào)警信號(hào)等。輸出信號(hào)涉及電磁閥、接觸器、電動(dòng)機(jī)、壓力控制器、流量控制器、RF感應(yīng)加熱器等控制量。 2.3 溫度控制系統(tǒng) 溫控器、感應(yīng)加熱器、上位機(jī)、PLC組成了系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)。這里的溫控系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫控器通過(guò)熱電偶實(shí)時(shí)地采集反應(yīng)室的溫度，由RS232串口反饋給上位機(jī)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)的控制算法處理后，計(jì)算出合適的控制量，傳送給PLC，由PLC運(yùn)行程序控制感應(yīng)加熱器來(lái)控制反應(yīng)室的溫度。 2.4 氣體處理系統(tǒng) 氣體處理系統(tǒng)其硬件主要有經(jīng)過(guò)化學(xué)拋光的不銹鋼管道、氣體純化器、流量控制器、壓力控制器、電磁閥和氣動(dòng)閥等組成。氣體控制系統(tǒng)的主要作用是通過(guò)控制壓力和流量控制器，調(diào)節(jié)氣路上各種閥門的開(kāi)度，從而達(dá)到控制各種氣源配比的目的，并通過(guò)管道向反應(yīng)室輸送反應(yīng)劑，為保證反應(yīng)劑的純度，要求管道的密封性要很好。 氣路上壓力與流量的控制均由壓力和流量控制器來(lái)完成。傳感器將采集來(lái)的實(shí)際測(cè)量值傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將采集的實(shí)際值，實(shí)時(shí)與設(shè)定值比較。如果用戶對(duì)控制效果不滿意，可以采用閉環(huán)回路控制，實(shí)時(shí)修改傳送的設(shè)定值。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的控制主要指通過(guò)PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱系統(tǒng)、氣體流量和氣體壓力、氣動(dòng)閥等的控制。我們?cè)O(shè)計(jì)的MOCVD控制系統(tǒng)有自動(dòng)控制程序和手動(dòng)控制程序兩種控制方式，自動(dòng)和手動(dòng)可以互相切換控制。其子程序主要包括步序控制，模擬量輸出控制，模擬量輸入控制，數(shù)字量輸出控制，數(shù)字量輸入控制。 3.1 步序控制 在MOCVD控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同的配方，所控制的步運(yùn)行時(shí)間不同，所要求的循環(huán)位置都不同。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，就是在編寫程序的時(shí)候，無(wú)法預(yù)先確知循環(huán)體的開(kāi)始及停止位置，如何編寫一個(gè)可以供多種不同配方使用的程序。 針對(duì)MOCVD 系統(tǒng)工藝的要求，結(jié)合本系統(tǒng)運(yùn)行流程，采用順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)控制不同步之間的動(dòng)作和命令，執(zhí)行不同步序循環(huán)控制策略。該方法靈活、準(zhǔn)確地采用一個(gè)循環(huán)控制程序，根據(jù)不同配方，在不同循環(huán)位置，實(shí)現(xiàn)不同功能。其最基本的思想是將系統(tǒng)的工作周期劃分為50 個(gè)順序相連的階段，這些階段稱為步（Step），然后用編程元件（存儲(chǔ)器位M）來(lái)代表各步，每步設(shè)定運(yùn)行開(kāi)始標(biāo)志位和結(jié)束標(biāo)志位，進(jìn)入循環(huán)標(biāo)志位和循環(huán)結(jié)束標(biāo)志位，步之間的轉(zhuǎn)換條件可以是外部中斷輸入“前跳”信號(hào)，或者是每步運(yùn)行的定時(shí)器提供的信號(hào)。 對(duì)于處理不確定的循環(huán)位置問(wèn)題，在每步結(jié)束時(shí),判斷該步循環(huán)結(jié)束標(biāo)志位是否為1，如果不為1，則直接跳到下一步運(yùn)行，如果為1 再讀取剩余循環(huán)次數(shù)是否為0，如果為0 則跳到下一步運(yùn)行，如果不為0 則剩余循環(huán)次數(shù)減1，跳到進(jìn)入循環(huán)的步序運(yùn)行。其算法流程如圖2 所示。 3.2 模擬量輸出控制 模擬量輸出，主要包括8路壓力、20路流量以及溫度。在模擬量輸出中，防止沖擊是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。為了防止沖擊，輸出時(shí)采用爬行漸增的輸出控制策略，使模擬量的輸出在額定時(shí)間內(nèi)，準(zhǔn)時(shí)漸增到所需要的輸出值，每一次所遞增的量要盡量的小，以降低沖擊的可能性，保證生長(zhǎng)的進(jìn)行。 基本思想：每步運(yùn)行開(kāi)始時(shí)，讀取步序號(hào)并調(diào)用該步的模擬量的目標(biāo)設(shè)定值（IN2），前級(jí)步結(jié)束的輸出值（IN1）及要爬升的步數(shù)（D），求出步進(jìn)量S＝（IN2-IN1）/D,再判斷實(shí)際值和設(shè)定值的大小，決定實(shí)際值是加上或者減去步進(jìn)量，然后再判斷實(shí)際值是否達(dá)到設(shè)定值，如果滿足則結(jié)束本步爬升。分兩種情況考慮，步進(jìn)量為大于等于0或?yàn)樨?fù)，如圖3所示為步進(jìn)量S為大于等于0的程序算法流程圖。 模擬量輸出程序主要采用語(yǔ)句表（STL）的編程方法，它是一種類似于匯編的語(yǔ)言，執(zhí)行速度高于梯形圖，占用內(nèi)存空間小，能夠解決復(fù)雜的循環(huán)及跳步。針對(duì)于本系統(tǒng)多模擬量，步序復(fù)雜且循環(huán)不定，而CPU內(nèi)存有限，此方案能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。 3.3 模擬量輸入控制 MOCVD 控制系統(tǒng)有29 路模擬輸入量，如果全部用模擬量輸入模塊直接輸入，需要29 點(diǎn)的輸入。這樣設(shè)計(jì)成本較高，考慮到本系統(tǒng)對(duì)模擬量采集實(shí)時(shí)性要求不高，采用ADG408 譯碼選擇通道，分時(shí)輸入。每個(gè)ADG408 可以接入8 路模擬量信號(hào)，使用4 個(gè)模擬量通道，就可以輸入32 路模擬量，本方案中模擬量輸入子系統(tǒng)的成本可以大幅度降低。在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不高的情況下是一種較佳的選擇。 模擬量輸入子程序采用多路分時(shí)選擇輸入方案，通過(guò)譯碼器在某一時(shí)刻選擇其中的一路作為輸出傳送到模擬量輸入模塊上的一個(gè)通道。ADG408 芯片譯碼選通和PLC 模擬輸入量讀數(shù)處理，在時(shí)序上應(yīng)該嚴(yán)格區(qū)分，避免讀數(shù)混亂。保證在譯碼選通和PLC 讀數(shù)的任何時(shí)刻，僅有一路模擬輸入量處于選通及輸入讀數(shù)狀態(tài)。如圖4 所示，8 路模擬量AI1—AI8,接入ADG408 中，編寫程序輸出數(shù)字量信號(hào)控制ADG408 的使能端EN,信號(hào)控制端A2、A1、A0，從而實(shí)現(xiàn)分時(shí)選擇多路模擬量中的一路，將其輸入到PLC 的模擬量輸入模塊中，數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)及處理。 3.4 數(shù)字量輸出控制 數(shù)字?jǐn)?shù)出量的控制對(duì)象主要由電磁閥、接觸器、電機(jī)、氣動(dòng)閥等。對(duì)于數(shù)字量輸出控制，其程序設(shè)計(jì)思想，在每步開(kāi)始的時(shí)候，從相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)中，調(diào)用本步對(duì)應(yīng)數(shù)字量的數(shù)據(jù)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)控制的功能，首先判斷上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是否實(shí)時(shí)修改某個(gè)數(shù)字量的輸出值，如果上位機(jī)修改了， 則數(shù)字量的有效輸出值以上位機(jī)修改值為準(zhǔn)，否則按配方表的配方設(shè)定的進(jìn)行輸出。 3.5 數(shù)字量輸入控制 數(shù)字量輸入控制主要指系統(tǒng)的報(bào)警及故障處理程序，報(bào)警程序設(shè)計(jì)包括自動(dòng)和手動(dòng)。報(bào)警信號(hào)由傳感器檢測(cè)，傳送給PLC，程序根據(jù)報(bào)警信號(hào)做出相應(yīng)的安全保護(hù)動(dòng)作，給出觸發(fā)信號(hào)使報(bào)警信號(hào)燈亮，蜂鳴器響，暫停系統(tǒng)運(yùn)行，切斷感應(yīng)加熱器、或者關(guān)閉相應(yīng)的流量壓力控制器。 4 結(jié)論 本文提出的控制系統(tǒng)應(yīng)用于西安電子科技大學(xué)第二代MOCVD系統(tǒng)，相對(duì)于第一代MOCVD控制系統(tǒng)，特別在步序子程序設(shè)計(jì)和模擬量輸出控制上有了很大的改進(jìn)，在步序控制上采用順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)控制不同步之間的動(dòng)作和命令，相對(duì)于第一代移位控制方法[2]，步序控制法對(duì)于解決復(fù)雜循環(huán)的問(wèn)題，更加靈活、可靠。在模擬量輸出控制上采用PLC語(yǔ)句表（STL）的編程方法，編寫模擬量漸進(jìn)爬升子程序，解決了在第一代系統(tǒng)中，大量的模擬量輸出由上位機(jī)來(lái)計(jì)算處理再通過(guò)PLC進(jìn)行控制，造成上位機(jī)負(fù)載過(guò)大，控制延遲，響應(yīng)速度較慢的問(wèn)題。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定、快速、安全，完全滿足工藝的要求，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)本系統(tǒng)的研制成功將促進(jìn)國(guó)內(nèi)微電子行業(yè)的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先地位。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn):本文提出了一種基于PLC的MOCVD控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。特別是在軟件程序設(shè)計(jì)上運(yùn)用了先進(jìn)的控制思想，采用順序控制法解決了MOCVD系統(tǒng)中對(duì)于復(fù)雜步序的控制，在模擬量輸出控制上采用了PLC的語(yǔ)句表（STL）編程方法，來(lái)編寫模擬量漸進(jìn)爬升子程序，其處理速度快于梯形圖，內(nèi)存占用少，解決了模擬量輸出防止沖擊的可能。本系統(tǒng)提出的控制方案，完全滿足了系統(tǒng)工藝的要求。 參考文獻(xiàn) 1. 尚溫勝，廖?？?范廣涵等.現(xiàn)代MOCVD 技術(shù)的發(fā)展與展望.華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（3） 2. 謝寶輝. 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