摘要：针对MOCVD系统工艺的要求，设计了一种基于PLC的MOCVD计算机控制系统。本文从系统的组成、实现原理和软件设计等方面做了介绍。采用可编程控制器作为其核心控制系统，提高了系统的自动化程度，保证了系统运行的可靠性，灵活性。
关键词：PLC；MOCVD;计算机控制系统
Design of MOCVD control system based on PLC
GUO Run-qiu , CHEN Xian-Neng
（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）（金属有机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；可精确控制膜的厚度、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最小且重复性很好。要使MOCVD的这些特点能够顺利实现，就必须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，我们自主研发设计了基于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（控制单元的核心），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,是因为其具有可靠性高、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作为系统的核心控制器，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。其最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，执行速度高于梯形图，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，首先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安全保护动作，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第二代MOCVD系统，相对于第一代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，相对于第一代移位控制方法[2]，步序控制法对于解决复杂循环的问题，更加灵活、可靠。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，解决了在第一代系统中，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、安全，完全满足工艺的要求，具有很高的应用价值，同时本系统的研制成功将促进国内微电子行业的发展，在国内居于领先地位。
本文作者创新点: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先进的控制思想，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，完全满足了系统工艺的要求。
参考文献
1. 尚温胜，廖常俊,范广涵等.现代MOCVD 技术的发展与展望.华南师范大学学报，1999（3）
2. 谢宝辉. MOCVD 控制系统研究与设计. 西安电子科技大学论文,2005.3
3. 郑晟,巩建平,张学. 现代可编程控制器原理与应用. 第一版 北京：科学出版社，1999
4. 廖常初. S7-300/400PLC 应用技术. 北京: 机械工业出版社， 2005.1
5. 王贵成，宋琳，徐心和. 一种基于PLC 的远程监控系统的设计.微计算机信息，2005
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