方群，杜鵬程

（1．上海尊優(yōu)自動化設(shè)備有限公司，上海 201805；2．上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072）

基于LabVIEW與PLC的擴散爐供氣控制系統(tǒng)

方群1，杜鵬程2

（1．上海尊優(yōu)自動化設(shè)備有限公司，上海 201805；2．上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072）

基于LabVIEW與PLC，對擴散爐供氣系統(tǒng)的控制進行了研究。針對擴散爐供氣系統(tǒng)的要求，從供氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，以LabVIEW為開發(fā)平臺，結(jié)合串口通信協(xié)議，開發(fā)了一種擴散爐供氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對供氣系統(tǒng)的控制和實時監(jiān)測。實驗結(jié)果表明，控制系統(tǒng)達到了預(yù)期的設(shè)計效果，具有工程應(yīng)用價值。

LabVIEW；PLC；擴散爐；供氣系統(tǒng)；控制

0 引 言

太陽能電池制作過程中，擴散制作P－N結(jié)是晶體硅太陽能電池的核心，也是電池質(zhì)量好壞的關(guān)鍵之一。對于擴散工序，最大問題在于如何保障擴散的均勻性［1］。因此，對于工藝氣體濃度的精確控制顯得尤為重要。

在過程控制中，由于工業(yè)現(xiàn)場非常分散，I／O點數(shù)眾多，各種儀表的工作環(huán)境非常惡劣，而PLC作為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要支柱之一，以其可靠性高和抗干擾能力強等特點在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用［2］。LabVIEW利用計算機強大的運算功能實現(xiàn)信號的采集、分析和處理［3－4］。本文根據(jù)擴散爐中多種氣體的不同流量及精度要求，開發(fā)供氣控制系統(tǒng)，以滿足設(shè)備性能需要，對太陽能裝備的研發(fā)有應(yīng)用價值。

1 擴散爐供氣氣路結(jié)構(gòu)

擴散爐管中常用到的氣體有氧氣（O2）和氮氣（N2），其中O2用于生成二氧化硅（SiO2）薄膜，N2在擴散工藝中有如下兩個作用：一是隔離作用，主要是防止外界氣體從爐口進入，為爐管內(nèi)的反應(yīng)提供穩(wěn)定的氣體環(huán)境；一是載氣作用，通過N2的流動作用帶動反應(yīng)氣體，如三氯氧磷（POCl3）液態(tài)源，向Si片移動以進行反應(yīng)［5］。N2根據(jù)其流量大小被分為大N2和小N2。

擴散爐供氣氣路結(jié)構(gòu)如圖1所示，通入氣路的四種氣體，從左到右分別為壓縮空氣、氧氣、小氮和大氮。四路氣體首先會分別通過一個減壓閥，其壓力值一般調(diào)至0．4～0．6 Mpa，接著會通過一個壓力開關(guān)，其作用是確保工作時氣體壓力達到壓力開關(guān)的設(shè)定值。壓縮空氣通過支路上的電磁閥來控制氣動閥的開啟和關(guān)閉。大氮、小氮和氧氣的流量大小通過質(zhì)量流量控制器來控制。大氮的第一個支路通過一個常開電磁閥直接通入爐管內(nèi)，其作用在于開機前和關(guān)機后清除爐內(nèi)的殘余氣體。

圖1 擴散爐供氣氣路結(jié)構(gòu)示意圖

2 擴散爐供氣控制系統(tǒng)設(shè)計

由以上供氣氣路結(jié)構(gòu)可知，供氣系統(tǒng)中參與控制的電氣元件主要有：4個壓力開關(guān)、3個質(zhì)量流量控制器、3個電磁閥。該系統(tǒng)電控設(shè)計如圖2所示，上位機為安裝有Windows系統(tǒng)的工控機，以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺，開發(fā)供氣控制系統(tǒng)應(yīng)用界面，功能為：采用RS232通訊協(xié)議對PLC進行讀寫，完成控制電磁閥、設(shè)置流量大小、顯示當前流量狀態(tài)等功能。下位機采用歐姆龍PLC，型號為CP1H－XA40DT－D。PLC接收工控機的信號，控制電磁閥的開閉。PLC增加DA模塊輸出模擬量（0－20 mA）控制質(zhì)量流量控制器，后者根據(jù)模擬量的大小控制內(nèi)部閥的開閉大小，以控制氣體流量大小，并且內(nèi)部裝有熱差傳感器，自身形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，從而達到精確控制。質(zhì)量流量控制器將測得的流量大小轉(zhuǎn)換為模擬量（0～20 mA），通過PLC上的AD模塊傳遞給PLC。壓力開關(guān)作為PLC的輸入，反應(yīng)當前的壓力狀況，壓力達到設(shè)定值時才能給電磁閥通電以打開氣動閥進行供氣。

圖2 供氣控制系統(tǒng)示意圖

3 工控機與PLC通訊的實現(xiàn)

本文中歐姆龍PLC與工控機之間的通訊是采用基于MODBUSASCII格式的通訊協(xié)議，通過RS232串口連接實現(xiàn)通訊［6］。其中，MODBUSASCII的通訊格式如表1所示。

表1 MODBUS ASCII的通訊格式

針對擴散爐供氣控制系統(tǒng)，工控機與PLC的通訊主要是執(zhí)行對PLC中數(shù)據(jù)存儲區(qū)（DM）的讀寫操作。下面以向數(shù)據(jù)存儲區(qū)寫入數(shù)據(jù)為例，如圖3所示，該段指令的作用在于向DM區(qū)寫入數(shù)據(jù)，其中識別碼的作用在于表明該段指令的功能。如WD表示向數(shù)據(jù)存儲區(qū)寫入內(nèi)容、RD表示從數(shù)據(jù)存區(qū)讀取內(nèi)容，等等。識別碼之后為寫入數(shù)據(jù)的起始地址，一次性寫入的數(shù)據(jù)可以達到30個，即從起始地址開始向后面依次寫入。校驗碼的作用在于檢驗數(shù)據(jù)寫入是否正確。結(jié)束碼表示該段指令的結(jié)束。工控機完成對PLC的指令輸入之后，PLC會針對該指令作出相應(yīng)的應(yīng)答響應(yīng)。圖4所示為寫入DM區(qū)之后PLC的響應(yīng)格式。正常處理時的狀態(tài)應(yīng)答為“00”。

圖3 向PLC DM區(qū)寫入的指令格式

圖4 PLC的響應(yīng)格式

4 工控機軟件設(shè)計

工控機軟件設(shè)計的主要功能有：氣路開合的控制、質(zhì)量流量控制器的流量設(shè)定、流量的顯示、流量的檢測等。

4．1 工控機對PLC數(shù)據(jù)存儲區(qū)的讀寫

在電氣系統(tǒng)中，工控機的控制對象分別是三個電磁閥和三個質(zhì)量流量控制器。三個電磁閥用于控制三路工藝氣體的氣路開合，三個質(zhì)量流量控制器用于控制三路氣體的流量大小。PLC中數(shù)據(jù)存儲位置與氣路元件的對應(yīng)關(guān)系如表2所示，電磁閥對應(yīng)地址的值可在0和1之間切換，以分別實現(xiàn)電磁閥的閉合和開啟。氣路流量設(shè)定對應(yīng)地址的值在0～6 000之間改變時，PLC的DA模塊會根據(jù)數(shù)字量的大小改變其模擬量輸出的大小，以控制質(zhì)量流量控制器的流量大小。氣路當前流量對應(yīng)地址的值會根椐當前的流量大小，并通過AD模塊轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)實時監(jiān)測。

表2 PLC中數(shù)據(jù)存儲位置與電氣元件的對應(yīng)關(guān)系

工控機對PLC數(shù)據(jù)存儲區(qū)的讀寫，也即對上表中數(shù)據(jù)存儲位置的讀寫。圖5為實現(xiàn)DM區(qū)寫入數(shù)據(jù)的子程序流程圖。程序中，采用LabVIEW中的VISA模塊實現(xiàn)工控機與PLC之間的通訊。圖中數(shù)據(jù)內(nèi)存地址為寫入數(shù)據(jù)的地址，數(shù)據(jù)值為寫入該地址的值。由于每次輸入的地址和值可能不相同，故通訊格式中檢驗碼的值也可能不相同。因此在生成指令之間，需要檢驗碼進行計算，以實現(xiàn)正確的通訊。從DM區(qū)讀取數(shù)據(jù)的子程序與寫入程序同理，讀取相應(yīng)地址的值，即氣體流量大小，以便在工控機上顯示、檢測等，這里不再贅述。

圖5 向DM區(qū)寫入數(shù)據(jù)的子程序流程圖

4．2 氣路開合控制及氣體流量設(shè)定

由表2可知，PLC中，電磁閥對應(yīng)地址的值為1時，電磁閥打開，該段氣路開始供氣，值為0時，電磁閥關(guān)閉，該段氣路停止供氣。因此，工控機向PLC中這些地址寫值時，即可實現(xiàn)氣路開合。操作時，單擊主界面中的開關(guān)按鈕轉(zhuǎn)換開合狀態(tài)。

質(zhì)量流量控制器接受的輸入信號為電流模擬量（0～20mA），而PLC可以通過DA模塊將數(shù)據(jù)存儲區(qū)的數(shù)字量（0～6 000）轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。所以，工控機對于流量設(shè)定的控制在于修改PLC中相應(yīng)地址的值。主界面中操作時，輸入流量大小，單擊流量設(shè)置即可。

4．3 流量狀態(tài)顯示

工控機每隔500 ms向PLC發(fā)指令，以讀取PLC存儲區(qū)中當前流量數(shù)值。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將流量大小放入波形圖表中顯示，并對當前流量大小作檢測，若流量超過設(shè)定值1%量程，則紅燈會亮起，并報警。若流量低于設(shè)定值1%量程，則黃燈亮，并報警。若流量偏移設(shè)定值在1%量程以內(nèi)，則綠燈亮，表示工作正常。三個指示燈在相對應(yīng)的波形圖表的右側(cè)。主界面中將精確顯示勾選時，波形圖表會以當前流量均值為中心縮小顯示范圍，以便更加清晰地顯示當前流量值的大小。

5 實驗運用

系統(tǒng)完成，運行時的軟件界面如圖6所示。運行軟件后，首先輸入三路工藝氣體的流量大小，并分別點擊流量設(shè)置，以完成流量大小的設(shè)定。需要更改流量大小時，可重復(fù)前述操作。接著打開氣路的開關(guān)，以開始供氣。此時，界面上可觀察到當前的流量狀態(tài)。勾選精確顯示時，流量波形顯示更加清晰。進行多次實際測試驗證了該系統(tǒng)的可用性。

圖6 系統(tǒng)運行界面

6 結(jié)束語

本文針對擴散爐供氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件配置，采用LabVIEW作為開發(fā)平臺，基于Modbus ASCII格式的通訊協(xié)議，通過RS232串口實現(xiàn)工控機與歐姆龍PLC之間的通訊。工控機通過發(fā)出指令來控制供氣系統(tǒng)，并且能夠?qū)崟r顯示當前狀態(tài)。實驗結(jié)果表明該控制系統(tǒng)達到了預(yù)期的設(shè)計效果。該方法也可以應(yīng)用在其他工業(yè)控制中。

［1］何堂貴，唐廣．晶體硅太陽電池擴散氣氛場均勻性研究［J］．電子設(shè)計工程，2009，17（9）：55－56．

［2］李江全．LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實戰(zhàn)［M］．北京：人民郵電出版社，2010．

［3］謝建君，王洪猛，徐春梅．基于LabVIEW與PLC的串級控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．工業(yè)儀表與自動化裝置，2005，35（2）：54－55．

［4］陳樹學，劉萱．LabVIEW寶典［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011．

［5］閆建新．擴散爐管氣體流動分析和流量計算數(shù)學模型［J］．半導(dǎo)體材料及設(shè)備，2012，37（9）：706．

［6］許勇．工業(yè)通信技術(shù)原理與應(yīng)用［M］．北京：中國電力出版社，2008．

Gas Control System for Diffusion Furnaces Based on LabVIEW and PLC

FANG Qun1，DU Peng-cheng2
（1．Shanghai Genie－Robot Automatic Co．，Ltd．，Shanghai201805，China；2．Electro－mechanical Engineering and Automation College of Shanghai University，Shanghai200072，China）

Based on LabVIEW and PLC，this paper studies control over the gas supply system of diffusion furnaces．With respect to the requirement on the gas supply system of diffusion furnaces，based on the structure of the gas supply system，this paper，using LabVIEW as development platform and taking into account the serial port communication protocol，develops a control system for the gas supply control system of the diffusion furnace，thus realizing the control and real－time supervision over the gas supply system．The experimental result shows that the control system achieves expected effect of design and that has engineering application value．

LabVIEW；PLC；diffusion furnace；gas supply system；control

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．025

TB492

A

1000－3886（2014）04－0074－02

方群（1966－），女，上海人，主要從事工業(yè)自動化方面的研究。

定稿日期：2014－04－11