一种基于开放式网络的晶体生长智能机器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于开放式网络的晶体生长智能机器系统，包括：工控机，获取并显示工艺参数、操作命令及晶体生长状态信息；工艺流程管理模块，接收并保存多套所述工艺参数；功率控制模块根据当前工艺参数控制加热电源功率；熔体视觉测量模块采集晶体生长炉内熔体界面实时图像信息；提拉运动控制模块根据当前工艺参数实现晶体生长过程提拉电机的闭环控制；晶体重量感知模块获取晶体重量；冷却系统检测模块对晶体生长过程的冷却水状态进行控制；真空系统控制模块对晶体生长炉的真空度进行控制。该系统基于跨平台语言设计，包含为适应热场变化的专家系统，与现有技术相比，本发明专利技术具有效率高、计算分析功能强、对热场变化适应能力强、可靠性高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新材料晶体生长控制
，尤其是涉及一种基于开放式网络的晶体生长智能机器系统。
技术介绍
由于蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能、热学性能和化学稳定性等，被广泛应用在光学系统、窗口材料、LED衬底材料及智能手表等民用领域，国际市场上对蓝宝石晶体的需求也越来越大。蓝宝石晶体生长方法主要有提拉法和泡生法等几种。其中，泡生法被公认为晶体品质最好的生长方法，特别是光学特性明显优于其他方法。泡生法与提拉法相似，是在提拉杆上安装上籽晶，将钨钼坩埚内的原料(通常为三氧化二铝粉料和饼料)用电阻加热到熔点以上，等原料全部融化，在熔体流动较平稳时下降籽晶与熔体接触(引晶)，然后熔体沿籽晶晶向生长。然后，以一定的梯度下降加热功率，同时提拉杆缓慢提升，使晶体逐步生长。然而，大尺寸蓝宝石晶体生长成品率低一直是影响其产量提高的一个重要原因。成品率低的根本原因是因为泡生法晶体生长炉采用电阻加热，整体温场分布是四周热上部中间冷，熔体产生沸腾导致对流不稳定，引晶操作难度加大，对工艺师经验依赖性大。再加上生产周期长，八十公斤级晶体从化料到晶体出炉往往需要两周以上，期间只要有一次操作不当或设备故障就会导致整炉晶体报废。因此，提高系统的自动化水平、提高设备的可靠性已经成为提高成品率的一个必然选择。泡生法引晶操作往往需要有经验的工艺师现场操作，晶体质量与引晶人员的操作水平密切相关。这也是泡生法晶体生长方法无法将生产规模不断扩大的一个重要原因。在引晶期间，工艺师需要不断地通过观察窗口去观察籽晶的融化情况、熔体界面的流线状态等等，然后根据经验判断熔体表面达到稳定对流状态后进行引晶操作。这一过程没有统一的标准，完全依赖于工艺师的经验判断。为了寻找稳定的熔体对流状态，工艺师需要不断地调整加热功率，这个过程常常持续几个小时，甚至十几个小时。炉内温度高达2050度以上，工艺师通过石英玻璃隔离的观察窗口观察炉内状态，很容易引起视觉疲劳，也容易造成对引晶状态的误判。为解决人工引晶效率低、主观性强、工艺师容易视觉疲劳等问题，一些业内人士已经提出了利用视频进行自动引晶的方法。但从应用情况来看，效果并不理想，很多企业安装了视频检测系统，但并未批量实现真正的自动生长。主要原因是每台炉子之间多次加热以后热场的变化会导致情况各异，引晶状态图像信息的难以找到统一的标准。譬如，高温挥发物的影响程度也会不一样等，这些因素对成像的影响容易造成对状态的误判，进而导致废品产生。当前许多厂家的晶体生长控制系统通常采用以工控机或嵌入式微处理器系统为核心，通过工控机内的板卡或485总线连接外部信号和模块的方法来组建系统，通常以计算机为核心，信息采集和执行都通过插入工控机的板卡完成或者通过485总线与外部模块完成信息交换。这些系统的功能高度集中于工控机，一旦工控机出现故障，就可能造成生产停滞，会直接影响晶体生长炉的运行，风险较大。另一方面，由于加热炉功率大，需要用大功率电源供电，常常伴有较大的电磁干扰，485总线在这种要求较高的复杂工业现场，无论从实时性和可靠性来讲都显得明显不足。晶体生长周期通常长达十几天甚至二十多天，任何设备故障都有可能造成较大的能源和人力等方面的损失。切实需要通过改变系统结构、重新布局功能来增强设备的可靠性、实时性和智能化水平。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于开放式网络的晶体生长智能机器系统，增强可靠性，提高晶体生长效率，可以更好地满足晶体生长炉长时间无故障工作的要求。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于开放式网络的晶体生长智能机器系统，包括：工控机，获取工艺参数、操作命令及晶体生长状态信息，并显示晶体生长状态信息、实时运行参数和实时运行状态信息；工艺流程管理模块，包括PLC，通过工业以太网交换机与工控机连接，接收并保存多套所述工艺参数，根据所述操作命令选择一套工艺参数作为当前工艺参数；功率控制模块，通过工业以太网交换机与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数控制加热电源功率；熔体视觉测量模块，通过工业以太网交换机与工控机连接，采集晶体生长炉内熔体界面实时图像信息上传至所述工控机；提拉运动控制模块，通过工业以太网交换机与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数实现晶体生长过程提拉电机的闭环控制；晶体重量感知模块，通过现场总线网络与工艺流程管理模块连接，获取晶体重量；冷却系统检测模块，通过现场总线网络与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数对晶体生长过程的冷却水状态进行控制；真空系统控制模块，通过现场总线网络与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数对晶体生长炉的真空度进行控制。所述工控机包括：人机界面，显示晶体生长状态信息、实时运行参数和实时运行状态信息，并接收操作命令；工艺参数设置单元，设置并生成多套工艺参数；专家分析单元，根据所述晶体生长状态信息生成相应的操作建议信息，并显示于人机界面；历史数据存储单元，记录晶体生长过程的所有数据；所述工控机内运行有基于跨平台的QT语言编程的控制软件。所述人机界面包括实时运行参数显示区、实时运行状态信息显示区、熔体图像显示按钮和手动控制按钮，所述实时运行参数包括加热参数、晶体参数、真空参数、冷却水参数和提拉运动参数，所述手动控制按钮包括真空度控制按钮、提拉电机控制按钮、加热器开关按钮和温度控制按钮。所述人机界面还包括报警信息显示区。所述工控机还包括：权限设置认证单元，实现操作员权限管理。所述工控机通过TCP/IP协议与上级管理模块连接。所述晶体生长状态信息包括晶体重量、5分钟生长率、30分钟生长率和熔体界面实时图像信息。所述功率控制模块包括欧陆表，该欧陆表与加热器连接。所述提拉运动控制模块由PROFINETIO设备实现，包括：提拉电机控制单元，对提拉电机进行手动或自动控制；信息采集单元，采集编码器信息、光栅尺位移数据和电子手轮信息。所述冷却系统检测模块包括分布式IO芯片及分别与所述分布式IO芯片连接的多个传感器组，所述多个传感器组分布设置于冷却通道的进口和出口处，所述传感器组包括温度传感器和流量传感器。与现有技术相比，本专利技术从系统的实时性和可靠性出发，提出基于开放式网络模式的系统结构，具有以下有益效果：(1)本专利技术不仅包括工控机，还包括通过工业以太网与工控机实现通信的工艺流程管理模块、功率控制模块、熔体视觉测量模块、提拉运动控制模块、晶体重量感知模块、冷却系统检测模块、真空系统控制模块等分别实现工艺流程管理、提拉电机运动控制、功率控制等核心功能的模块。本专利技术将核心功能分布式处理，工控机的作用主要在操作命令、参数设置、信息(包含熔体状态图像信息)显示、传递，而将工艺流程的管理、提拉电机的运动控制、功率的控制等核心功能分别分配给可靠性更高的PLC或欧陆表来独立完成。即使工控机发生故障，系统依然可以按照已设置参数运行。本专利技术并不将工控机作为唯一的核心，而是将重要功能分散于多个PLC或嵌入式系统模块，使系统性故障概率大大下降，实时性、可靠性及自动化程度得到明显提高。(2)本专利技术工控机设有人机界面，可显示晶体生长运行状态，具有实时性好、可操作性强、界面友好等特点。(3)本专利技术工控机通过工业以太网(PROFINET)完成与工艺流程管理模块、熔体状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于开放式网络的晶体生长智能机器系统，其特征在于，包括：工控机，获取工艺参数、操作命令及晶体生长状态信息，并显示晶体生长状态信息、实时运行参数和实时运行状态信息；工艺流程管理模块，包括PLC，通过工业以太网交换机与工控机连接，接收并保存多套所述工艺参数，根据所述操作命令选择一套工艺参数作为当前工艺参数；功率控制模块，通过工业以太网交换机与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数控制加热电源功率；熔体视觉测量模块，通过工业以太网交换机与工控机连接，采集晶体生长炉内熔体界面实时图像信息上传至所述工控机；提拉运动控制模块，通过工业以太网交换机与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数实现晶体生长过程提拉电机的闭环控制；晶体重量感知模块，通过现场总线网络与工艺流程管理模块连接，获取晶体重量；冷却系统检测模块，通过现场总线网络与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数对晶体生长过程的冷却水状态进行控制；真空系统控制模块，通过现场总线网络与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数对晶体生长炉的真空度进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于开放式网络的晶体生长智能机器系统，其特征在于，包括：工控机，获取工艺参数、操作命令及晶体生长状态信息，并显示晶体生长状态信息、实时运行参数和实时运行状态信息；工艺流程管理模块，包括PLC，通过工业以太网交换机与工控机连接，接收并保存多套所述工艺参数，根据所述操作命令选择一套工艺参数作为当前工艺参数；功率控制模块，通过工业以太网交换机与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数控制加热电源功率；熔体视觉测量模块，通过工业以太网交换机与工控机连接，采集晶体生长炉内熔体界面实时图像信息上传至所述工控机；提拉运动控制模块，通过工业以太网交换机与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数实现晶体生长过程提拉电机的闭环控制；晶体重量感知模块，通过现场总线网络与工艺流程管理模块连接，获取晶体重量；冷却系统检测模块，通过现场总线网络与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数对晶体生长过程的冷却水状态进行控制；真空系统控制模块，通过现场总线网络与工艺流程管理模块连接，根据所述当前工艺参数对晶体生长炉的真空度进行控制。2.根据权利要求1所述的基于开放式网络的晶体生长智能机器系统，其特征在于，所述工控机包括：人机界面，显示晶体生长状态信息、实时运行参数和实时运行状态信息，并接收操作命令；工艺参数设置单元，设置并生成多套工艺参数；专家分析单元，根据所述晶体生长状态信息生成相应的操作建议信息，并显示于人机界面；历史数据存储单元，记录晶体生长过程的所有数据；所述工控机内运行有基于跨平台的QT语言编程的控制软件。3.根据权利要求2所述的基于开放式网络的晶体生长智能机器系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李钰，王坤，毛颖杰，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31