CN101893906A

CN101893906A - 温度控制系统及方法

Info

Publication number: CN101893906A
Application number: CN 201010228076
Authority: CN
Inventors: 徐冬; 张海轮; 陈亚; 周法福
Original assignee: Beijing Sevenstar Electronics Co Ltd
Current assignee: Beijing Sevenstar Electronics Co Ltd; Beijing Sevenstar Huachuang Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2010-11-24

Abstract

本发明涉及一种温度控制系统及方法，该系统的感温模块感测到的温度信号通过信号采集模块滤波、放大、转换成温度数据后送入PLC，PLC通过网络与控制模块通讯以传输温度数据，控制模块各个采样通道的温度数据进行补偿，获取各个测温点的实际温度值，结合温度控制目标轨迹数据和实际温度值，结合设定的控制模式和控制参数生成控制指令，控制指令经数据流自上而下被发送至PLC后，由PLC转换成控制信号输出模块可接收的信号，控制信号输出模块驱动变压器输出相应的加热功率。本发明的系统及方法针对性强、控制精度高，且适用范围广。

Description

温度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺加热器温度控制技术领域，尤其涉及一种立式炉温度控制系统及方法。

背景技术

硅片是一种重要的半导体材料，它的加工工艺，特别是氧化工艺是一种对温度控制方法要求非常高的工艺。目前国内设计的硅片氧化炉大多是卧式结构。国际上已经普遍采用自动化程度更高的立式炉为硅片做工艺。为了提供稳定可靠的温度场控制系统，过去多采用市场上通用的温控仪表作为卧式炉或立式炉的温度控制器件。但是，此类温度控制器不是针对立式炉工艺专门设定，其适用功能范围狭窄，成本高且可扩展性差，不能随着工艺要求的更新而及时更新.

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：设计一种针对性强、控制精度高、适用范围更广的温度控制系统及方法，以克服现有技术的不足。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种温度控制系统，该系统包括：感温模块，用于感测测温点温度，并将感测到的温度信号发送至信号采集模块；信号采集模块，与所述感温模块相连，将来自所述感温模块的温度信号转换成温度数据后发送至可编程逻辑控制器；可编程逻辑控制器，将所述温度数据传送至与其相连的控制模块，并将所述控制模块生成的控制指令发送给控制信号输出模块；控制模块，接收所述可编程逻辑控制器传送的温度数据，对所述温度数据进行解析及运算、和/或显示，以获得测温点的实际温度值，并结合温度控制目标轨迹数据生成控制指令，将所述控制指令发送至所述可编程逻辑控制器，所述温度控制目标轨迹数据为随时间变化的目标温度值；控制信号输出模块，与所述可编程逻辑控制器相连，根据所述可编程逻辑控制器发送的控制指令驱动变压器；变压器，与所述控制信号输出模块相连，根据所述控制指令输出相应的加热功率。

其中，所述控制模块包括：驱动单元，定时将所述温度数据读取至I/O服务器，并将所述I/O服务器发送的控制指令发送给所述可编程逻辑控制器；I/O服务器，根据数据配置类型将所述温度数据传送至设备单元或操作单元，将功能单元生成的控制指令发送至所述驱动单元；设备单元，解析所述温度数据并将解析的数据发送至对应的功能单元；功能单元，对所述解析的数据进行运算处理，获得测量点实际温度值，并根据温度控制目标轨迹数据生成控制指令，同时将需要显示的数据送至操作单元；操作单元，将发送至该单元的数据显示在操作界面上。

其中，所述可编程逻辑控制器包括：转换单元，用于将所述控制指令转换为所述控制信号输出模块可接收的信号。

其中，所述感温模块为Spike和Profile热电偶组。

其中，所述控制信号输出模块为五个周波控制器和五个固态继电器。

本发明还提供了一种基于上述温度控制系统的温度控制方法，该方法包括步骤：

S1.感温模块感测测量点温度，并将感测到的温度信号发送至信号采集模块；

S2.信号采集模块将所述温度信号转换成温度数据后发送至可编程逻辑控制器；

S3.可编程逻辑控制器将所述温度数据传送至控制模块；

S4.所述控制模块接收所述温度数据，对所述温度数据进行解析及运算、和/或显示，获得测温点的实际温度值，结合温度控制目标轨迹数据生成控制指令，并将所述控制指令发送至所述可编程逻辑控制器；

S5.所述可编程逻辑控制器将所述控制指令发送至所述控制信号输出模块；

S6.所述控制信号输出模块根据所述控制指令驱动变压器输出相应频率的加热功率；

其中，使用两种不同的模式规划所述温度控制目标轨迹：升温速率优先模式及升温时间优先模式。

其中，使用所述升温速率优先模式规划所述温度控制目标温度轨迹的方法包括：线性方法、分段线性方法、及样条插值方法。

其中，所述步骤S4进一步包括：

S4.1所述控制模块接收所述温度数据，根据数据配置类型对其进行解析或显示；

S4.2对解析后的温度数据进行运算处理，利用标准的信号源对所有的采样通道在信号要求的测量范围内进行指定间隔的测量，生成校准用补偿数据表格，对各个采样通道的实际测量的温度数据进行插值校正，获得测量点实际温度值；

S4.3对Profile热电偶测量数据以及Spike热电偶的测量数据进行温度整定校准；

S4.4结合Profile热电偶和Spike热电偶的校准后数据，根据控制指令，生成控制温度；

S4.5根据设定的控制温度和规划模式，生成温度控制目标轨迹数据；

S4.6结合实际温度值和温度控制目标轨迹数据值，运行控制算法，生成控制指令；

S4.7将控制指令发送至可编程逻辑控制器，同时显示需要显示的数据。

其中，所述控制温度是用于控制器运行控制算法时选取的一种实际温度值的组合，为Spike热电偶测量数据校准后的实际温度值，或Profile热电偶测量数据校准后的实际温度值，或Spike热电偶测量数据校准后的实际温度值与Profile热电偶测量数据校准后的实际温度值的加权组合。

(三)有益效果

本发明的温度控制系统及其方法扩展性强，可根据具体工艺灵活进行控制模式及控制参数的配置，控制精度高，可靠性和稳定性好，具有友好的人机交互方式，操作方便的优点。该温度控制方法在软件设计思想上完全采用模块化方法，对外仅公开接口，这种面向对象的思想使得系统软件封装性安全性更好，提高了代码的复用性。且在软件构架上层次合理，模块功能分明，可作为可配置温度控制模块，直接应用于大型工业控制软件系统。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的温度控制系统结构示意图；

图2为依照本发明一种实施方式的温度控制方法流程图；

图3为依照本发明一种实施方式的温度控制方法中温度数据补偿流程图；

图4为依照本发明一种实施方式的温度控制方法中温度控制目标轨迹规划流程图；

图5为依照本发明主控制程序流程图。

具体实施方式

本发明提出的温度控制系统及方法，结合附图和实施例详细说明如下。

依照本发明一种实施方是的温度控制系统及方法应用于对立式炉工艺的温度控制中，如图1所示，该系统包括：感温模块1，用于感测测温点温度，并将感测到的温度信号发送至信号采集模块；信号采集模块2，与感温模块1相连，将来自感温模块1的温度信号转换成温度数据后发送至可编程逻辑控制器(Programmable LogicController，PLC)3；可编程逻辑控制器3，将信号采集模块2发送的温度数据通过工业以太网传送至与其相连的控制模块4，并将控制模块4生成的控制指令发送给控制信号输出模块5；控制模块4，接收可编程逻辑控制器3传送的温度数据，对该温度数据进行解析及运算、和/或显示，以获得测温点的实际温度值，根据实际温度值及温度控制目标轨迹数据生成控制指令，并将控制指令发送至可编程逻辑控制器3；控制信号输出模块5，与可编程逻辑控制器3相连，根据可编程逻辑控制器3发送的控制指令驱动变压器6，由五个周波控制器和五个固态继电器组成；变压器6，与控制信号输出模块5相连，根据控制指令输出相应的加热功率。

感温模块1为Spike和Profile热电偶组。感温模块1感测到的温度信号通过信号采集模块2滤波、放大、转换成温度数据后送入PLC3，PLC3通过网络与控制模块4通讯以传输温度数据，控制模块4查询预先利用标准信号源校准后生成的补偿数据表格，通过插值的方式对各个采样通道的温度数据进行补偿，获取各个测温点的实际温度值，根据规划的温度控制目标轨迹数据和实际温度值，结合设定的控制模式和控制参数生成控制指令，控制指令经数据流自上而下被发送至PLC3后，由PLC3的转换单元转换成控制信号输出模块5可接收的信号，即周波控制器可接收的信号，以驱动固态继电器工作，固态继电器控制功率源变压器6供给加热炉丝的工作时间，以调整每一个控制周期内整个炉体内温度场的均衡稳定。

控制模块4运行整个温度控制方法，其设置有：驱动层，其中的驱动程序定时循环访问外设硬件接口，将PLC3反馈回的温度数据读取至I/O服务器，并将I/O服务器发送的控制指令发送给PLC3；I/O服务器，负责数据的跟新和相关事件的触发，根据数据配置类型将温度数据传送至设备层进行解析或直接送至操作层以显示在操作界面上，将功能层生成的控制指令发送至驱动层驱动外设硬件进行工作；设备层，解析温度数据并将解析的数据发送至对应的功能层；功能层，为整个数据流处理的核心，运行着所有的控制算法，对解析的数据进行运算处理，获得测量点实际温度值，并根据温度控制目标轨迹数据生成控制指令，同时将需要显示的数据送至操作层；操作层，用于用户的操作，并将发送至该层的数据显示在操作界面上。

如图2所示，基于上述系统的温度控制方法包括步骤：

S2.信号采集模块将温度信号转换成温度数据后发送至可编程逻辑控制器；

S3.可编程逻辑控制器将温度数据传送至控制模块；

S4.控制模块接收该温度数据，对温度数据进行解析及运算、和/或显示，获得测温点的实际温度值并结合温度控制目标轨迹数据生成控制指令，将控制指令发送至可编程逻辑控制器；

S5.可编程逻辑控制器将控制指令发送至控制信号输出模块；

S6.控制信号输出模块根据控制指令驱动变压器输出相应频率的加热功率。

通常，在传感器的制造、安装及采样通道的传输阶段都会造成信号的失真，因此从PLC反馈的温度值并不是真实的测量温度值。所以，在系统得到反馈温度数据时，需要对其进行相应的校准。如图3所示，步骤S4进一步包括：

S4.1控制模块接收温度数据，根据数据配置类型对其进行解析或显示；

S4.3针对Profile热电偶测量数据，生产的厂家会提供一套全量程的校准数据，用于对测量数据的修成，同时，针对Spike热电偶测量数据，为了在控制过程中需要与Profile热电偶控制时的效果进行等效，还需要对Spike热电偶的测量数据进行一次温度整定校正；

S4.4结合Profile热电偶和Spike热电偶的校正后数据，根据控制指令，生成用于温度控制算法的控制温度，该控制温度是用于控制器运行控制算法时选取的一种实际温度值的组合，可以是Spike热电偶、Profile热电偶校准后的实际温度值及这两者之间的加权组合；

S4.7将控制指令发送至可编程逻辑控制器，同时显示需要显示的数据。该方法软件设计思想上完全采用模块化方法，对外仅公开接口，这种面向对象的思想使得系统软件封装性安全性更好，提高了代码的复用性，可作为可配置温度控制模块，直接应用于大型工业控制软件系统。

图4是本发明的温度控制目标轨迹规划流程图。在系统运行温度控制方法时，首先要得到温度控制目标轨迹，即随时间变化的目标温度值Td(t)。根据系统功能要求，本发明方法中的温度控制目标轨迹包括两种规划模式：1.温升速率优先模式；2.温升时间优先模式。对温升速率优先模式，本发明提出如下三种规划方法：

A.线性方法

T_d(t)＝a*(t-t₀)+b (t＞t₀)

B.分段线性方法

T_d(t)＝a*(t-t₀)+b (t₀＜t＜t_s)

T_d(t)＝c*(t-t₀)+d (t＞t_s)

C.多项式样条方法

T_d(t)＝a*(t-t0)³+b*(t-t0)²+c*(t-t₀)+d (t＞t0)

本发明可根据用户设定的参数自动采用上述方法生成温度控制目标轨迹。

图5为本发明的主控制程序流程图。如图5所示，主程序的控制过程为：

(1)首先完成整个系统的初始化工作，上下位机通讯连接，数据库配置等功能。系统上电时初始化各项值均为默认值，控制模块发出控制命令都可以改变设置值，如系统最高工作温度值设定。

(2)系统初始化完成后，系统会启动信号采集模块同时加载相关控制参数和校准数据生成控制指令，结合图3所示流程生成的温度控制目标轨迹数据。

(3)运行控制方法开始工作，PLC发送控制指令至控制信号输出子系统。

(4)如果当前工况与原有参数应用场合不合，需要改变原有PID控制参数时，系统提供PID参数整定功能以生成新的PID控制参数。

(5)在系统更换零部件或进行清洗处理以后，Spike热电偶和Profile热电偶之间的热学特性发生变化后，需要及时进行温区整定以更新校准参数。

(6)最后接收控制模块操作层指令信息判断是否结束温度控制工作，如果收到结束命令，则程序结束，否则一直循环工作，不停地接收信号采集模块反馈的信号，不停地运行PID控制算法，不停地给PLC发送的控制指令并更新操作层显示的数据。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种温度控制系统，该系统包括：

感温模块，用于感测测温点温度，并将感测到的温度信号发送至信号采集模块；

信号采集模块，与所述感温模块相连，将来自所述感温模块的温度信号转换成温度数据后发送至可编程逻辑控制器；

可编程逻辑控制器，将所述温度数据传送至与其相连的控制模块，并将所述控制模块生成的控制指令发送给控制信号输出模块；

控制模块，接收所述可编程逻辑控制器传送的温度数据，对所述温度数据进行解析及运算、和/或显示，以获得测温点的实际温度值，并结合温度控制目标轨迹数据生成控制指令，将所述控制指令发送至所述可编程逻辑控制器，所述温度控制目标轨迹数据为随时间变化的目标温度值；

控制信号输出模块，与所述可编程逻辑控制器相连，根据所述可编程逻辑控制器发送的控制指令驱动变压器；

变压器，与所述控制信号输出模块相连，根据所述控制指令输出相应的加热功率。

2.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：

驱动单元，定时将所述温度数据读取至I/O服务器，并将所述I/O服务器发送的控制指令发送给所述可编程逻辑控制器；

I/O服务器，根据数据配置类型将所述温度数据传送至设备单元或操作单元，将功能单元生成的控制指令发送至所述驱动单元；

设备单元，解析所述温度数据并将解析的数据发送至对应的功能单元；

功能单元，对所述解析的数据进行运算处理，获得测量点实际温度值，并根据温度控制目标轨迹数据生成控制指令，同时将需要显示的数据送至操作单元；

操作单元，将发送至该单元的数据显示在操作界面上。

3.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器包括：

转换单元，用于将所述控制指令转换为所述控制信号输出模块可接收的信号。

4.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述感温模块为Spike和Profile热电偶组。

5.如权利要求3所述的温度控制系统，其特征在于，所述控制信号输出模块为五个周波控制器和五个固态继电器。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的温度控制系统的温度控制方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S3.可编程逻辑控制器将所述温度数据传送至控制模块；

7.如权利要求6所述的温度控制方法，其特征在于，使用两种不同的模式规划所述温度控制目标轨迹：升温速率优先模式及升温时间优先模式。

8.如权利要求7所述的温度控制方法，其特征在于，使用所述升温速率优先模式规划所述温度控制目标温度轨迹的方法包括：线性方法、分段线性方法、及样条插值方法。

9.如权利要求8所述的温度控制方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

10.如权利要求9所述的温度控制方法，其特征在于，所述控制温度是用于控制器运行控制算法时选取的一种实际温度值的组合，为Spike热电偶测量数据校准后的实际温度值，或Profile热电偶测量数据校准后的实际温度值，或Spike热电偶测量数据校准后的实际温度值与Profile热电偶测量数据校准后的实际温度值的加权组合。