石英晶體真空退火爐控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

崔京華 王惠貞 苗旭輝

摘 要：眾所周知，在真空熱處理諸多工藝中，真空退火是最具代表性的工藝之一。真空退火最常用的設(shè)備是真空退火爐。真空退火爐的工作原理是利用技術(shù)來對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，溫度調(diào)控精度的高低會(huì)對(duì)工件綜合質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。因此，真空退火爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與探究一直以來都備受關(guān)注。本文以石英晶體真空退火爐為主要研究對(duì)象，對(duì)智能溫度控制系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入分析和探究。

關(guān)鍵詞：石英晶體;真空退火爐;智能溫度控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）08-0050-03

Design and Research on Temperature Control System of Quartz

Crystal Vacuum Annealing Furnace

CUI Jinghua1 WANG Huizhen2 MIAO Xuhui3

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Chemical & Pharmaceutical College，Shijiazhuang Hebei 050026;2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Jiaotong Vocational and Technical College，Shijiazhuang Hebei 050091;3.Hebei Province Water Conservancy Bureau，Shijiazhuang Hebei 050021）

Abstract： As we all know， among many vacuum heat treatment processes， vacuum annealing is one of the most representative processes. The most commonly used equipment for vacuum annealing is the vacuum annealing furnace. The working principle of the vacuum annealing furnace is to use technology to precisely control the temperature. The high and low precision of temperature control will have a vital impact on the overall quality of the workpiece. Therefore， the design and exploration of the intelligent temperature control system of the vacuum annealing furnace has always attracted much attention. This paper took the quartz crystal vacuum annealing furnace as the main research object， and conducted in-depth analysis and exploration on the related content of the intelligent temperature control system.

Keywords： quartz crystal;vacuum annealing furnace;intelligent temperature control system

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前真空退火爐的溫度控制工作始終未能達(dá)到完美狀態(tài)，控制過程中仍會(huì)出現(xiàn)諸如時(shí)滯性、強(qiáng)干擾、強(qiáng)耦合、非線性等負(fù)面現(xiàn)象，真空退火爐的溫度控制難度依然較大。本文以石英晶體真空退火爐作為研究對(duì)象，就智能溫度控制系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入分析。

1 石英晶體真空退火爐的簡要闡述

在當(dāng)前各種先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)備中，石英晶體諧振器是最為關(guān)鍵的器件之一，其具體作用和價(jià)值主要體現(xiàn)在產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)以及調(diào)整整體電路工作兩個(gè)方面。目前，在大眾最為熟悉的計(jì)算機(jī)、智能化儀器以及各類通信設(shè)備中，都可以看到石英晶體諧振器的身影。

石英晶體真空退火爐，即石英晶體元器件生產(chǎn)的必要設(shè)備，通過退火處理來消除產(chǎn)品因加工而產(chǎn)生的表面缺陷。現(xiàn)階段，石英晶體退火爐的設(shè)計(jì)體系主要包含兩個(gè)真空室，且兩個(gè)真空室彼此獨(dú)立，各自有多個(gè)控溫區(qū)，全方位控制真空度和溫度。

在之前很長一段時(shí)間里，我國基本上使用的都是從韓國和日本進(jìn)口的真空退火爐。進(jìn)口真空退火爐有兩個(gè)弊端：其一是價(jià)格昂貴;其二是設(shè)備更新?lián)Q代以及維修維護(hù)依賴性強(qiáng)。自2005年我國成功研制出國產(chǎn)的石英晶體真空退火爐后，才開始逐漸擺脫進(jìn)口的約束?，F(xiàn)階段，我國石英晶體真空退火爐與其他國家很多同類型產(chǎn)品相比，在諸多性能指標(biāo)上都呈現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。

2 關(guān)于真空退火爐的工藝以及控制標(biāo)準(zhǔn)與要求

真空退火爐主要是由真空室、真空機(jī)組、氣路系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)組成。真空退火爐包含左右兩個(gè)真空室，每一個(gè)真空室獨(dú)立工作，且真空室內(nèi)是分區(qū)控溫，即真空室內(nèi)不同區(qū)域的溫控有所不同。通常情況下，真空室內(nèi)的每一個(gè)區(qū)域都會(huì)安裝熱電偶，兩端加熱管功率是1.2 kW，中間是2.4 kW。

開始使用真空退火爐時(shí)，首先開啟機(jī)械泵和分子泵兩個(gè)部位，然后打開前閥，正式進(jìn)入退火爐待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)，工作人員將需要加工的晶體元件分別放入左右兩個(gè)真空室溫控區(qū)域內(nèi)，調(diào)整好溫度和真空度，真空退火爐才算正式啟動(dòng)。啟動(dòng)之后的步驟是：第一，關(guān)閉前閥，打開低閥，借助機(jī)械泵將左右真空室抽至低真空狀態(tài);第二，實(shí)現(xiàn)低真空狀態(tài)后，關(guān)閉低閥，打開前閥和主閥，將左右真空室內(nèi)抽至高真空狀態(tài);第三，開啟溫控系統(tǒng)，加熱加熱管，此時(shí)真空室內(nèi)的溫度會(huì)隨著之前設(shè)定好的溫度曲線開始退火處理。

完成退火任務(wù)之后，工作人員要按照順序依次完成好以下操作：第一，關(guān)閉主閥，打開放氣閥;第二，待真空室內(nèi)的空氣恢復(fù)到正常大氣壓力水平后，再次打開排氣閥;第三，延時(shí)之后再關(guān)閉排氣閥和放氣閥，至此，退火過程全部結(jié)束。

3 石英晶體真空退火爐智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC為智能溫度控制系統(tǒng)的主要特色

PLC（Programmable Logic Controller）即可編程控制器，是最具代表性的新型控制元件之一。PLC的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、功能較完備;抗干擾能力強(qiáng)，強(qiáng)大的抗干擾能力有效提高了該溫度控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，也大大提高了實(shí)際生產(chǎn)效率。由此，溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛實(shí)踐與應(yīng)用。在本次石英晶體真空退火爐研制工作中，研究人員特意設(shè)計(jì)了以PLC為核心的電氣控制系統(tǒng)，意在借助PLC的優(yōu)勢(shì)來完善溫度控制系統(tǒng)的功能[1]。

3.2 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)控制的對(duì)象主要包括機(jī)械泵、分子泵以及各個(gè)閥門，通過對(duì)這些組件進(jìn)行控制，以保證真空度達(dá)到既定的標(biāo)準(zhǔn)和要求。按照實(shí)際設(shè)定的工藝要求，并綜合考量各個(gè)閥門之間的關(guān)系，設(shè)置了真空系統(tǒng)控制流程，如圖1所示。

3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 界面設(shè)計(jì)。溫度控制系統(tǒng)的觸摸屏界面是人機(jī)交互的重要渠道和方式，因此，設(shè)計(jì)人員在對(duì)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循簡單易懂、直觀形象的原則，使相關(guān)人員可以清晰地看到系統(tǒng)設(shè)備的真實(shí)工作狀態(tài)。屏幕上也會(huì)實(shí)時(shí)顯示工作人員需要精準(zhǔn)掌握的各類工藝參數(shù)和數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)備工藝過程及控制要求，考慮系統(tǒng)可靠性和性價(jià)比等因素，決定采用西門子87-300PLC作為控制核心。西門子87-300PLC具有豐富的指令和多種功能控制模塊，能滿足各種不同場(chǎng)合的控制需求，在中國工控市場(chǎng)上具有較高的占有率。

3.3.2 外圍元件設(shè)計(jì)。外圍元件以控制點(diǎn)數(shù)量和種類的實(shí)際需求為準(zhǔn)，決定了PLC各個(gè)擴(kuò)展模塊：SM321（數(shù)字量輸入模塊）用來接收各個(gè)主要指令電器、真空測(cè)試儀及閥門位置檢測(cè)開關(guān)等元件的輸入信號(hào);SM322（數(shù)字量輸出模塊）用來控制閥門和真空泵等執(zhí)行元件。

溫度控制系統(tǒng)中有左右兩個(gè)真空室，兩個(gè)真空室又各自包含四個(gè)工作區(qū)，不同工作區(qū)都實(shí)施獨(dú)立控溫，一個(gè)區(qū)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制回路獨(dú)自運(yùn)行。

SM331（模擬量輸入模塊）負(fù)責(zé)接收每個(gè)工作區(qū)熱電偶的測(cè)量信號(hào);SM332（模擬量輸出模塊）負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)壓器的輸出電壓進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)加熱管加熱功率的目的[2]。

3.4 溫度控制

3.4.1 FB程序塊設(shè)計(jì)。關(guān)于石英晶體真空退火爐的溫度控制系統(tǒng)設(shè)置，本文的研究是在閉環(huán)溫度控制模塊基礎(chǔ)上內(nèi)置了優(yōu)化后的比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）控制器，其實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立控制溫度的目標(biāo)，不必依靠中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊即可進(jìn)行，但有一個(gè)前提條件，即要在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)及時(shí)和CPU交換過程中的數(shù)據(jù)[3]。

關(guān)于閉環(huán)溫度控制模塊和CPU的數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)人員共設(shè)計(jì)了6個(gè)FB程序塊，具體功能如表1所示。

表1中所展示的6個(gè)程序塊當(dāng)中，F(xiàn)B1為核心程序，工作人員可以調(diào)用FB1，隨時(shí)對(duì)PID控制器中的積分、比例以及微分系統(tǒng)進(jìn)行在線修改和調(diào)整，也可以讀取溫度實(shí)際值，并根據(jù)需求更新設(shè)定的溫度值。

在調(diào)查和研究過程中發(fā)現(xiàn)，借助PID來控制溫度，最大難點(diǎn)是對(duì)積分、比例以及微分參數(shù)進(jìn)行搭配。之前，工作人員習(xí)慣根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來反復(fù)計(jì)算和湊數(shù)，不僅耗費(fèi)了大量精力，而且降低了運(yùn)轉(zhuǎn)效率。但自從增添了控制參數(shù)自整定功能，即可在線自適應(yīng)溫度控制，使調(diào)整變得非常簡單、順暢[4-6]。

除此之外，調(diào)試新設(shè)備也只需要通過FMT_PID程序塊觸發(fā)控制參數(shù)自整定功能，就能自動(dòng)整定出合適的參數(shù)。溫度控制系統(tǒng)研究工作中某一次真空室溫控區(qū)的自整定結(jié)果如表2所示。

3.4.2 控制方式選擇。用電阻加熱管進(jìn)行加熱的控溫方式具有滯后性強(qiáng)、熱慣性大、參數(shù)變化快和非線性等特點(diǎn)。一般情況下，使用的常規(guī)PID控制方式雖在穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度上具有優(yōu)勢(shì)，但是，當(dāng)面對(duì)爐溫這類非線性的控制對(duì)象時(shí)，其實(shí)際控制效果并不是很理想，因?yàn)闋t溫在參數(shù)調(diào)整上難度非常大。

在諸多智能控溫方式中，模糊控制是較為理想的一種方式，其在控制時(shí)變性強(qiáng)、非線性以及滯后性強(qiáng)的對(duì)象時(shí)控制效果較為理想。在使用時(shí)，需要注意對(duì)模糊控制器的選擇。如果選用常規(guī)模糊控制器，其一般都存在穩(wěn)態(tài)誤差，雖然能夠通過調(diào)整比例因子和量化因子來縮減誤差，但始終不能徹底消除誤差，而且如果過度調(diào)整比例因子或者量化因子，還容易引發(fā)系統(tǒng)在目標(biāo)值附近振蕩的問題。因此，需要將模糊控制和PID結(jié)合起來，遵循各取所長的原則，設(shè)計(jì)出具有智能積分環(huán)節(jié)的模糊控制器[7-8]。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，石英晶體真空退火爐智能溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)真空室溫度的穩(wěn)定性以及均勻性的精確控制，并且在降低資源消耗及提升加工產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。真空退火爐作為真空退火的常用設(shè)備之一，其價(jià)值將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)揮。

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