基于LabVIEW与PLC的扩散炉供气控制系统

方群，杜鹏程

（1．上海尊优自动化设备有限公司，上海 201805；2．上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072）

基于LabVIEW与PLC的扩散炉供气控制系统

方群1，杜鹏程2

（1．上海尊优自动化设备有限公司，上海 201805；2．上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072）

基于LabVIEW与PLC，对扩散炉供气系统的控制进行了研究。针对扩散炉供气系统的要求，从供气系统的结构出发，以LabVIEW为开发平台，结合串口通信协议，开发了一种扩散炉供气控制系统，实现了对供气系统的控制和实时监测。实验结果表明，控制系统达到了预期的设计效果，具有工程应用价值。

LabVIEW；PLC；扩散炉；供气系统；控制

0 引 言

太阳能电池制作过程中，扩散制作P－N结是晶体硅太阳能电池的核心，也是电池质量好坏的关键之一。对于扩散工序，最大问题在于如何保障扩散的均匀性［1］。因此，对于工艺气体浓度的精确控制显得尤为重要。

在过程控制中，由于工业现场非常分散，I／O点数众多，各种仪表的工作环境非常恶劣，而PLC作为现代控制技术的重要支柱之一，以其可靠性高和抗干扰能力强等特点在工业控制中得到了广泛的应用［2］。LabVIEW利用计算机强大的运算功能实现信号的采集、分析和处理［3－4］。本文根据扩散炉中多种气体的不同流量及精度要求，开发供气控制系统，以满足设备性能需要，对太阳能装备的研发有应用价值。

1 扩散炉供气气路结构

扩散炉管中常用到的气体有氧气（O2）和氮气（N2），其中O2用于生成二氧化硅（SiO2）薄膜，N2在扩散工艺中有如下两个作用：一是隔离作用，主要是防止外界气体从炉口进入，为炉管内的反应提供稳定的气体环境；一是载气作用，通过N2的流动作用带动反应气体，如三氯氧磷（POCl3）液态源，向Si片移动以进行反应［5］。N2根据其流量大小被分为大N2和小N2。

扩散炉供气气路结构如图1所示，通入气路的四种气体，从左到右分别为压缩空气、氧气、小氮和大氮。四路气体首先会分别通过一个减压阀，其压力值一般调至0．4～0．6 Mpa，接着会通过一个压力开关，其作用是确保工作时气体压力达到压力开关的设定值。压缩空气通过支路上的电磁阀来控制气动阀的开启和关闭。大氮、小氮和氧气的流量大小通过质量流量控制器来控制。大氮的第一个支路通过一个常开电磁阀直接通入炉管内，其作用在于开机前和关机后清除炉内的残余气体。

图1 扩散炉供气气路结构示意图

2 扩散炉供气控制系统设计

由以上供气气路结构可知，供气系统中参与控制的电气元件主要有：4个压力开关、3个质量流量控制器、3个电磁阀。该系统电控设计如图2所示，上位机为安装有Windows系统的工控机，以LabVIEW软件为开发平台，开发供气控制系统应用界面，功能为：采用RS232通讯协议对PLC进行读写，完成控制电磁阀、设置流量大小、显示当前流量状态等功能。下位机采用欧姆龙PLC，型号为CP1H－XA40DT－D。PLC接收工控机的信号，控制电磁阀的开闭。PLC增加DA模块输出模拟量（0－20 mA）控制质量流量控制器，后者根据模拟量的大小控制内部阀的开闭大小，以控制气体流量大小，并且内部装有热差传感器，自身形成一个闭环系统，从而达到精确控制。质量流量控制器将测得的流量大小转换为模拟量（0～20 mA），通过PLC上的AD模块传递给PLC。压力开关作为PLC的输入，反应当前的压力状况，压力达到设定值时才能给电磁阀通电以打开气动阀进行供气。

图2 供气控制系统示意图

3 工控机与PLC通讯的实现

本文中欧姆龙PLC与工控机之间的通讯是采用基于MODBUSASCII格式的通讯协议，通过RS232串口连接实现通讯［6］。其中，MODBUSASCII的通讯格式如表1所示。

表1 MODBUS ASCII的通讯格式

针对扩散炉供气控制系统，工控机与PLC的通讯主要是执行对PLC中数据存储区（DM）的读写操作。下面以向数据存储区写入数据为例，如图3所示，该段指令的作用在于向DM区写入数据，其中识别码的作用在于表明该段指令的功能。如WD表示向数据存储区写入内容、RD表示从数据存区读取内容，等等。识别码之后为写入数据的起始地址，一次性写入的数据可以达到30个，即从起始地址开始向后面依次写入。校验码的作用在于检验数据写入是否正确。结束码表示该段指令的结束。工控机完成对PLC的指令输入之后，PLC会针对该指令作出相应的应答响应。图4所示为写入DM区之后PLC的响应格式。正常处理时的状态应答为“00”。

图3 向PLC DM区写入的指令格式

图4 PLC的响应格式

4 工控机软件设计

工控机软件设计的主要功能有：气路开合的控制、质量流量控制器的流量设定、流量的显示、流量的检测等。

4．1 工控机对PLC数据存储区的读写

在电气系统中，工控机的控制对象分别是三个电磁阀和三个质量流量控制器。三个电磁阀用于控制三路工艺气体的气路开合，三个质量流量控制器用于控制三路气体的流量大小。PLC中数据存储位置与气路元件的对应关系如表2所示，电磁阀对应地址的值可在0和1之间切换，以分别实现电磁阀的闭合和开启。气路流量设定对应地址的值在0～6 000之间改变时，PLC的DA模块会根据数字量的大小改变其模拟量输出的大小，以控制质量流量控制器的流量大小。气路当前流量对应地址的值会根椐当前的流量大小，并通过AD模块转换，以实现实时监测。

表2 PLC中数据存储位置与电气元件的对应关系

工控机对PLC数据存储区的读写，也即对上表中数据存储位置的读写。图5为实现DM区写入数据的子程序流程图。程序中，采用LabVIEW中的VISA模块实现工控机与PLC之间的通讯。图中数据内存地址为写入数据的地址，数据值为写入该地址的值。由于每次输入的地址和值可能不相同，故通讯格式中检验码的值也可能不相同。因此在生成指令之间，需要检验码进行计算，以实现正确的通讯。从DM区读取数据的子程序与写入程序同理，读取相应地址的值，即气体流量大小，以便在工控机上显示、检测等，这里不再赘述。

图5 向DM区写入数据的子程序流程图

4．2 气路开合控制及气体流量设定

由表2可知，PLC中，电磁阀对应地址的值为1时，电磁阀打开，该段气路开始供气，值为0时，电磁阀关闭，该段气路停止供气。因此，工控机向PLC中这些地址写值时，即可实现气路开合。操作时，单击主界面中的开关按钮转换开合状态。

质量流量控制器接受的输入信号为电流模拟量（0～20mA），而PLC可以通过DA模块将数据存储区的数字量（0～6 000）转换为模拟量输出。所以，工控机对于流量设定的控制在于修改PLC中相应地址的值。主界面中操作时，输入流量大小，单击流量设置即可。

4．3 流量状态显示

工控机每隔500 ms向PLC发指令，以读取PLC存储区中当前流量数值。经过数据处理，将流量大小放入波形图表中显示，并对当前流量大小作检测，若流量超过设定值1%量程，则红灯会亮起，并报警。若流量低于设定值1%量程，则黄灯亮，并报警。若流量偏移设定值在1%量程以内，则绿灯亮，表示工作正常。三个指示灯在相对应的波形图表的右侧。主界面中将精确显示勾选时，波形图表会以当前流量均值为中心缩小显示范围，以便更加清晰地显示当前流量值的大小。

5 实验运用

系统完成，运行时的软件界面如图6所示。运行软件后，首先输入三路工艺气体的流量大小，并分别点击流量设置，以完成流量大小的设定。需要更改流量大小时，可重复前述操作。接着打开气路的开关，以开始供气。此时，界面上可观察到当前的流量状态。勾选精确显示时，流量波形显示更加清晰。进行多次实际测试验证了该系统的可用性。

图6 系统运行界面

6 结束语

本文针对扩散炉供气控制系统的结构和硬件配置，采用LabVIEW作为开发平台，基于Modbus ASCII格式的通讯协议，通过RS232串口实现工控机与欧姆龙PLC之间的通讯。工控机通过发出指令来控制供气系统，并且能够实时显示当前状态。实验结果表明该控制系统达到了预期的设计效果。该方法也可以应用在其他工业控制中。

［1］何堂贵，唐广．晶体硅太阳电池扩散气氛场均匀性研究［J］．电子设计工程，2009，17（9）：55－56．

［2］李江全．LabVIEW虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实战［M］．北京：人民邮电出版社，2010．

［3］谢建君，王洪猛，徐春梅．基于LabVIEW与PLC的串级控制系统设计［J］．工业仪表与自动化装置，2005，35（2）：54－55．

［4］陈树学，刘萱．LabVIEW宝典［M］．北京：电子工业出版社，2011．

［5］闫建新．扩散炉管气体流动分析和流量计算数学模型［J］．半导体材料及设备，2012，37（9）：706．

［6］许勇．工业通信技术原理与应用［M］．北京：中国电力出版社，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，主要从事工业自动化方面的研究。

定稿日期：2014－04－11