西门子(牡丹江)CPU代理商

引言
电动缸是一种提供直线推力的运动装置，是一种高响应、长寿命的执行机构，在诸多领域得到广泛应用，包括：六自由度并联运动平台、娱乐仿真设备、生物测试设备、造波机、疲劳测试、飞机结构强度测试、动态仿真等。
在电动缸作为执行机构的控制系统中，电动缸直接由伺服驱动器控制，不再需要油、气等中间媒介传递动力，而采用油、气等动力传递媒介正是产生运动仿真、测试系统控制误差的主要原因，从而导致不准确、使用不方便，所以电动控制系统比液压系统更优越的控制性能，速度更快、承载能力更高、寿命更长。系统的控制性能不会受环境温度、易污染的液压阀和流体介质等因素影响，无需随着使用环境条件变化而做相应调整，减少设施投入和设备维护，节省安装空间且安装拆卸、调试方便。同时系统也可使用220v（单相或者三相）交流电源，电机和伺服驱动器之间的联线也非常简单，不再需要液压系统中复杂的油泵、管路、冷却系统以及其他附属设施。
与气缸相比，电动缸可以应用在那些不太合适使用高压空气的场合。与气缸所产生的轴向运动相比，螺纹的使用使运动有了更高的速度和力矩。在新的电动伺服系统中，在控制速度、位置和扭矩时，可以对每个动作设定；这个特点使一个简单的“圆柱体”成为一个真正的自动化系统，具有体积小，性能优，便于维护等优点。
电动缸也可以采用滚柱丝杠技术使系统具有更高的机械刚性、更长的使用寿命、更高的抗冲击能力，高效坚硬的滚珠丝杆适合做定位和长距离往复运动，适合大轴向载荷的往复运动，并能够获得更高的可靠性和更长的使用寿命。
而厂家提供的电动缸出厂前需要进行严格的质检及其功能测试。为使其功能上能够满足客户的需求，出厂测试显得尤为重要，目前的测试手段基本上为人工手动测试，这样在测试上需要投入大量的时间和精力。为提高整个生产的检验环节效率，需要一种专门的测试系统来代替之前人工测试的中间过程，使整个测试更高效、准确、全面。上海冀望机电科技有限公司是一家专业研发、设计、生产和销售伺服电动缸和电动伺服控制系统的国内企业，为提高工作效率，委托开发这个测试系统。

测试系统的介绍及特殊要求
电动缸的出厂测试项目主要包括行程测试、走合测试和速度测试，应能根据所测对象的不同而进行相关参数设置，所以该系统主要有三个功能块：
（1）行程测试
该项测试需要设置前进和后退两个按钮控制，按照设计要求对整套系统进行全行程测试，电机的运行速度根据实际需要可方便调整，在近端和远端都停止，由外部测量机构得到该缸的真实大有效行程（根据操作人员的工作习惯），检验其在近端和远端是否出现堵转现象或者转矩过大的现象，同时检查大行程是否满足出厂规格。
（2）走合测试
在规定的走合时间内（一般为数个小时）整套系统运行的平稳性测试。走合测试受按钮控制，按下走合测试按钮，电机开始运行并计时，在所设置的范围内自动往复，走合时间到，电机停止运行。
（3）速度测试
根据测试相关规程，电机设置低、中、高三种速度进行测试，分别设三个按钮控制。电机在运行过程中，要求监控并采集相关数据，如电机速度、驱动扭矩等，将数据用图表显示，并且进行存储，方便检查和调用。
为提高工作效率和充分利用现有设备的性能，系统采取了双通道设计，即单台plc控制两台电动缸，提高效率，节约时间和成本。
对于整个系统而言，我们需要测量的主要对象有电动缸的大有效行程、在较长时间的运行的平稳性、电机的转速和转矩。电机的转矩是测量对象中重要的一个参数，反映了电机动态性能是否达标，对实时性的要求很高。我们在设计时综合考虑了现场需求、操作习惯、测量精度、采样率、兼容性及价格等因素，对采用的元件进行了选型。

系统的硬件设计
系统选用松下plc和weinview触摸屏为控制核心单元。
可编程逻辑控制器(简称plc)是专为在工业环境中应用而设计的一种工业控制用计算机, 具有抗干扰能力强、可靠性高、体积小等优点,是实现机电一体化的理想装置。
选用的plc的型号为松下fpx，是一种适用于小规模设备控制的小型通用plc，具有32k步的程序容量和0.32μs的程序容量，能够利用usb通信端口与计算机直接连接，提供标准rs232c接口与显示装置通信，脉冲输出频率大可达100khz，可以使用模拟定时器。提供32路24vdc输入和28 路晶体管输出。plc内部的可编程单元主要有输入继电器x，输出继电器y，定时器 t，数据寄存器dt等等。
触摸屏为威纶mt6056iv,5.6英寸，320×234，65536色，外接电压为24v，400mhz的处理器，有64mbddr2内存和128mb闪存，通过组态软件eb8000制作人机界面和操作软件。
模拟信号的采集、转换，出于需要采集负电压的要求而选用fp0a21模块，且必须通过扩展fp0适配器与fpx配合工作，具有16位2个输入通道和1个输出通道，具有较高的精度和较强的抗干扰性。
试验用电动缸分别为松下公司minas-a4系列msma152p1电机配套mdddt5540驱动器和韩国macapion公司anypack系列apm-sb04adk2电机配套apd-vs04n驱动器。
在系统中，触摸屏（hmi）和plc之间采用rs232串行通信，plc根据程序设定以及外部输入做出逻辑判断，并且输出2路脉冲提供给2个驱动器，分别来控制对应电机的动作。而驱动器提供的模拟电信号（电机转速和驱动转矩的检测信息）均通过fp0a21模块进行a/d转换，转换后的数字信号从plc编程处理后送入到工控触摸屏中，且触摸屏可以进行数据图表记录和图形显示，从而实现对电动缸的相关信息在线监测。

0 引言

　　高温扩散/氧化系统是半导体器件、集成电路制造过程中用于对晶片进行扩散、氧化、退火及合金等工艺的一种热加工设备，也适用于对其他材料的特殊温度工艺处理，是一种用于长时间连续工作、高精度、高稳定性的自动控制设备。在半导体生产过程中，扩散炉炉温控制的精度及其工作的稳定性已成为半导体产品质量的决定性因素。然而，在传统的控制中，扩散炉的控制管理都是由基于单片机的仪器仪表来完成，其温度控制精度、生产工艺控制能力以及自动运行能力较低，难以实现集中管理，从而导致了产品质量差、生产效率低的缺陷。

　　系统针对我国半导体扩散/氧化工艺技术发展现状开发设计，采用先进、可靠的PLC为控制核心，以触摸屏为人机界面，配以高精度温度检测电路，采用模糊自整定PID为控制器，可实现复杂的工艺温度控制。具有检测、控制精度高、工作过程稳定性好、控制参数自整定、设定参数方便等特点。

1半导体扩散/氧化工艺流程

　　高温扩散/氧化系统主要由扩散炉、净化工作台、推拉舟系统、气源柜等组成。半导体器材生产过程中扩散/氧化工艺流程为：1）将扩散炉的温度按一定的温度工艺升温至特定的温度，并保证炉内处于恒温状态;2）将操作人员放在推拉舟托盘上所要扩散的晶圆经推拉装置送入扩散炉内;3）在扩散炉保持特定的恒温条件下，向扩散炉内注入各种要参杂的气体。整个参杂过程要保证炉体内形成一个特定的恒温区，才能使晶圆扩散均匀。所以温度控制是扩散工艺控制系统中重要的环节，控制效果的好坏直接决定着半导体扩散的质量。

2 系统硬件设计

　　根据半导体扩散/氧化工艺过程的要求，即既要实现整个工艺控制过程自动化又要实现半导体扩散/氧化工艺要求。系统以PLC为核心，液晶触摸屏为人机界面，采用自行研制的JC-9温度检测模块实现温度的采集等。系统硬件结构如图1所示。

图1系统硬件结构图
Fig.1 Structure chart of the systematic hardware

　　由图1所示系统硬件包括三个闭环控制：

　　①温度控制：采用JC-9温度检测模块实现温度检测，通过PLC调用PID控制算法控制自行研制的三相大功率调压调功单元来实现温度的控制，实现闭环控制。

　　温度控制是扩散工艺控制系统中重要的环节，控制效果的好坏直接决定着半导体扩散的质量。要保证控温的精度首先要保证温度的检测精度，其次要有相应的控制算法。系统采用的JC-9温度检测模块的检测精度优于0.5‰，编写模糊自整定PID控制算法使控制精度优于1‰。

　　②气体流量控制：PLC从气体质量流量计的数字接口直接读取气体实际流量值，并根据扩散工艺中对气体流量的要求通过数字接口进行流量输出控制，实现闭环控制。

　　③推拉舟控制：PLC直接读取推拉舟位置编码器的数据来判断推拉舟的位置，通过高速脉冲输出口控制步进电机的驱动器来控制步进电机的运行，通过发送脉冲数控制推拉舟的位置，通过脉冲的频率控制推拉舟的速度。实现推拉舟的位置/速度闭环控制。

3 系统软件设计

　　系统软件设计包括触摸屏操作界面设计、模糊自整定PID控制算法设计及Modbus通信程序设计。

　　3.1 触摸屏操作界面[3]

　　触摸屏为人机对话界面，具有画面丰富，信息量大、操作灵活直观的特点。针对半导体扩散工艺及系统功能需求，设计用户界面主要界面包括：自动运行界面，手动运行界面，工艺参数设置界面，工艺曲线绘制界面，PID参数自整定界面等。

　　（1）自动运行界面。实现扩散炉各测点的温度检测值、设定值，各种气体流量值，各个阀的状态，推拉舟运行状态和速度的实时显示，完成整个工艺过程的监督功能。

　　（2）手动运行界面。手动运行适合于系统调试、状态测试等应用中。除了显示炉体的三点温度以外，其他部分均可通过按键实现手动操作。主要内容有：推拉舟“前进”“后退”运行控制;气路四个阀门的控制;氢气流量、氮气流量的控制。在“手动”画面中，设有推拉舟前进、后退速度设定，各种气体流量设定按键。用户可根据要求设定。

　　（3）工艺参数设置界面。系统可存储20套工艺配方，每个工艺配方由20个工艺段组成，每个工艺段可分为升（降）温和恒温两步。工艺参数界面设置可实现对每步的温度数值、持续时间、气路流量、推拉舟位置等参数进行设置。

　　（4）工艺曲线绘制界面。将控制过程的参数以数字方式显示，将炉体的三点温度以及设定温度值以曲线形式显示在画面中。

　　（5）PID参数自整定[4]界面。根据工艺的温度要求，选择整定温度，系统开始对炉体加温并开始自整定过程，实现PID参数的整定。

　　3.2 模糊自整定PID控制算法设计[5][6]

　　PLC作为系统的核心，完成各种信息的检测、处理，控制算法的实现，控制量的输出等。系统实现控制包括：对扩散炉九点温度的工艺控制;对气体流量工艺过程的控制;对扩散炉生产工艺的自动化过程控制。其中对温度的控制是至关重要的，控制效果的好坏直接决定着半导体扩散的质量。本系统采用模糊自整定PID控制算法实现对温度的控制。

　　模糊推理控制算法程序的流程图如图2所示。计算时有以下几个步骤：

　　（1）确定误差和误差变化率以及控制量的论域，将和的实际变化范围分为7档（考虑本控制系统要求控制精度较高）,使每一档与其论域的某个元素相对应。这样，系统的每个实测量就可以被量化为论域中的某个元素。

　　（2）本系统通过离线计算出模糊控制表，实际运行时，PLC主程序中断执行查表子程序就可以得出控制量。

图2 模糊推理子程序
Fig.2Fuzzy reasoning subprogram

　　在现场的控制中，模糊自整定PID控制器的鲁棒性强，参数自整定易于实现，控制的精度较高。比单纯的PID控制器具有更快的动态响应特性，其控温效果较好。

　　3.3 Modbus通信程序设计

　　系统采用Modbus现场总线实现PLC主站与温度检测模块、气体质量流量计等各从站之间的通信。

　　1、以OMRON PLC为主站的主从站的通信[6]

　　系统选择OMRON CP1H系列PLC作为通信主站。CP1H是欧姆龙公司推出的功能强大的一体化小型PLC，它的两个串口中均内置的Modbus-RTU主站功能，还配置了两个串行通信选件板RS422/485串口选件板和RS232串口选件板。系统选择作为从站的JC-9温度采集模块、气体质量流量计和推拉舟均含有RS485接口且已经内置Modbus协议，具有Modbus-RTU从站功能，只要按照编程手册进行相应设置即可实现主站通信。

　　2、从站的通信流程

　　系统从站包括JC-9温度采集模块、气体质量流量计和推拉舟装置，其中气体质量流量计和推拉舟装置购置时均内置Modbus协议（此处不作介绍）。JC-9温度采集模块为自行研制的九路温度采集模块，此模块含RS485接口，由于系统通信采用Modbus通信模式，需在模块上自定义Modbus从站协议。从站收到主站指令，根据主站要求做出回应。从站与主站间通信中断程序处理流程如图3所示。