基于OPC技術(shù)的單晶硅提拉過程控制研究

趙 捷，高 輝(.國家保密科技測評中心（河北省）分中心，河北 石家莊 050000；.河北科技大學，河北 石家莊 050000)

基于OPC技術(shù)的單晶硅提拉過程控制研究

趙 捷1，高 輝2(1.國家保密科技測評中心（河北省）分中心，河北 石家莊 050000；2.河北科技大學，河北 石家莊 050000)

針對傳統(tǒng)PID控制無法滿足單晶硅提拉過程中電機轉(zhuǎn)速的控制要求，以及PLC難以實現(xiàn)復雜控制算法的問題，本文采用OPC技術(shù)實現(xiàn)MATLAB與PLC之間的通信，在MATLAB中實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)，采用OPC技術(shù)將結(jié)果傳輸給PLC，從而實現(xiàn)單晶硅提拉過程中的快速、準確控制。

單晶硅；OPC；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID；電機轉(zhuǎn)速控制

0 引言

PLC又叫可編程邏輯控制器，相對于工業(yè)計算機，它結(jié)構(gòu)單一，易于編程，且具有較高的可靠性，這是其他控制器無法比擬的地方，但是限于它的結(jié)構(gòu)和功能，PLC只能實現(xiàn)簡單的程序，對于復雜的控制算法卻無能為力。MATLAB又叫矩陣實驗室，包含許多智能算法工具箱，同時具有可以自由編程、計算能力強等特點，但是它不能直接在工控現(xiàn)場安裝。所以可以采用OPC技術(shù)作為橋梁，連接MATLAB和PLC，實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通信，發(fā)揮各自的優(yōu)點，從而實現(xiàn)復雜算法在工控現(xiàn)場的應(yīng)用。

本文以直拉式單晶爐提拉過程控制系統(tǒng)為例，簡單介紹了單晶硅提拉過程控制要求和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的智能控制策略，用PLC實現(xiàn)控制系統(tǒng)硬件，著重介紹了采用OPC技術(shù)實現(xiàn)OPC與MATLAB、OPC與PLC之間的連接，從而實現(xiàn)MATLAB與PLC之間的數(shù)據(jù)通信。

1 控制要求及控制算法研究

單晶硅是一種晶體非金屬材料，是半導體器件、太陽能電池必不可少的組成成分。近年來，由于清潔能源的環(huán)保、方便特性，太陽能等新能源廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活，同時電子技術(shù)的發(fā)展，使得人們對于半導體材料的需求越來越高，所以對于單晶硅的需求量也逐年上升，對單晶硅的直徑的技術(shù)要求也越來越高。

現(xiàn)在工藝上普遍采用提拉法生產(chǎn)單晶硅，提拉法是把多晶硅放入石英坩堝加熱熔化，再把籽晶投放入多晶硅熔液，在適宜溫度下，向上提拉籽晶，熔化的多晶硅原子就會一層層地排列成規(guī)則的單晶體。由上述內(nèi)容可知，提拉速度的變化直接影響單晶體晶柱直徑的粗細，也就是單晶硅質(zhì)量的優(yōu)劣。提拉速度過高，晶柱就會變細，過低則產(chǎn)生相反的效果。所以控制單晶硅的提拉速度尤為重要。

在工業(yè)生產(chǎn)中檢測到單晶硅直徑后，控制系統(tǒng)對直徑的給定值和測量值進行比較，依據(jù)比較結(jié)果對電機轉(zhuǎn)速的給定值進行調(diào)整。單晶爐提拉系統(tǒng)的運行過程中，單晶硅的晶體生長過程是連續(xù)的，同時對單晶硅晶體直徑尺寸的精度有著很高的要求，所以要求單晶硅的提拉系統(tǒng)具有非常高的快速性和抗干擾能力。

雙閉環(huán)的電機調(diào)速系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中的參數(shù)是隨著系統(tǒng)的運行發(fā)生變化的。在具有多變量和時變性的非線性系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的PID控制并不適用，而且不存在絕對不發(fā)生變化的系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)PID控制算法自身存在不可避免的缺陷，近些年來隨著智能控制算法研究的不斷深入，已經(jīng)有許多人開始將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等算法與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，形成了諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、模糊PID控制等智能算法[1]，并且其可行性在理論上得到證實。

2 基于OPC技術(shù)的單晶硅提拉過程控制

本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法控制電機轉(zhuǎn)速[2]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和傳統(tǒng)PID控制的結(jié)合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的輸出層包括傳統(tǒng)PID控制的比例、積分、微分3個參數(shù)，其隱含層的神經(jīng)元是由比例、積分和微分函數(shù)構(gòu)成的輸入、輸出函數(shù)，這些神經(jīng)元既有靜態(tài)的又有動態(tài)的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID各連接層神經(jīng)元的連接方式、各層神經(jīng)元的個數(shù)、各層間的初始權(quán)值是根據(jù)傳統(tǒng)PID控制的控制規(guī)律來確定的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法通過對誤差的計算反相傳播來對連接的權(quán)值進行修改，通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的在線調(diào)整，對控制系統(tǒng)的目標函數(shù)進行優(yōu)化[3]，其算法流程如圖1所示。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID實現(xiàn)流程圖

由以上闡述可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制具有如下特點：

(1) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)PID控制的結(jié)合，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)秀品質(zhì)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID和多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣具有對任何函數(shù)進行逼近的能力。

(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID具有動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有對信號高效處理的特性，當電機轉(zhuǎn)速給定值變化時，它能夠立刻調(diào)整權(quán)值，從而改變PID參數(shù)，快速跟蹤給定信號。當系統(tǒng)存在擾動時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID也可以快速反應(yīng)，調(diào)節(jié)參數(shù)，迅速使系統(tǒng)正常運行。

(3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID采用在線調(diào)整的方式，依照系統(tǒng)實際的控制效果進行自學習，從而使系統(tǒng)達到更好的控制效果。

單晶硅提拉過程中一般采用PLC作為控制器，但是因為PLC自身在處理高級算法上的局限性，用PLC編程實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法非常困難。因此本文用MCGS(Monitor and Control Generated System)搭建PLC和MATLAB軟件的通信，利用MATLAB軟件的強大的運算功能進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算。利用MCGS軟件的交換功能把MCGS作為連接PLC和MATLAB軟件的橋梁，其中通信的搭建是實現(xiàn)這一過程控制的重要技術(shù)。

OPC是用于過程控制當中的一個工業(yè)標準，它基于微軟的OLE(Active X)、COM和DCOM技術(shù)[4]。到目前為止，采用這種技術(shù)的企業(yè)遍布全球，幾乎囊括全世界所有的涉及自動化控制、儀器儀表及過程控制的公司。OPC采用現(xiàn)階段較為流行的客戶端/服務(wù)器模式。它的出現(xiàn)為基于計算機程序和工控現(xiàn)場控制應(yīng)用建立了橋梁。在OPC技術(shù)出現(xiàn)之前，為了接收和發(fā)送工控現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每個軟件開發(fā)商都要為其編寫專用的接口命令，但是工控現(xiàn)場設(shè)備種類多，升級快，會給用戶和軟件開發(fā)商帶來很大負擔，由于實際現(xiàn)場的迫切需要，這種既高速、可靠，又開放、穩(wěn)定的設(shè)備驅(qū)動程序被設(shè)計出來。OPC首先定義了COM對象和它的接口規(guī)范，COM （Component Object Model）是OLE機制的基礎(chǔ)，是一種與編程語言無關(guān)的標準，在計算機中為獨立單元存在，而在訪問這些單元時可以不受程序限制，所以這種標準可以使兩個不同的應(yīng)用程序通過對象化接口進行通信，而雙方在不知道對方的創(chuàng)建方式。與此同時當COM規(guī)范擴展到本機以外時，就使得應(yīng)用程序不再局限于一臺計算機上，可以遍布在整個網(wǎng)絡(luò)中，這種擴展叫做DCOM。通過DCOM和OPC標準就可以解決工控現(xiàn)場的數(shù)據(jù)交換問題。綜上可以看出，只要符合OPC標準，客戶端或服務(wù)器就可以通過OPC互聯(lián)來交換數(shù)據(jù)。

2.1 PLC與MCGS之間的通信實現(xiàn)

MCGS具有用作OPC客戶端和OPC服務(wù)器的雙重功能，可以實現(xiàn)遠程訪問和本地訪問，需要手動設(shè)置OPC設(shè)備的一系列參數(shù)來建立和OPC. Simatic NET服務(wù)器的聯(lián)通。包括調(diào)節(jié)設(shè)備屬性頁面、連接通道屬性頁面和基本屬性頁面。用戶可以通過MCGS軟件的本地和遠程訪問的OPC SERVER配置點進入MCGS系統(tǒng)，其功能主要有：查看OPC的項目；查看OPC服務(wù)的數(shù)據(jù)；從遠程服務(wù)器導入所需要的項目；從本地服務(wù)器導入所需要的項目；遠程查看OPC服務(wù)器；本地查看OPC服務(wù)器；開啟OPC服務(wù)器；關(guān)閉OPC服務(wù)器[5]。

2.2 MATLAB與MCGS之間的通信實現(xiàn)

MCGS中的組對象用戶是看不出來的，它是被隱藏起來的。用戶可以通過瀏覽方式查看，這時只需要一個指定的服務(wù)器。在MATLAB中提供了OPC工具箱，它為OPC的客戶端和服務(wù)器提供了一套完整的指令符，這樣MATLAB與其他軟件之間建立實時通信就變得異常方便。以MCGS為OPC服務(wù)器、MATLAB為客戶端對MCGS進行數(shù)據(jù)存取的流程圖如圖2所示。間建立連接，還需要在OPC服務(wù)器和客戶端分別進行分布式COM設(shè)置。

圖2 MATLAB與MCGC數(shù)據(jù)交換流程圖

(3) 在MATLAB中編寫m文件：

da=opcda(’local host’，’DCS.Server’)；

connect(da)；

%創(chuàng)建客戶端對象，建立連接，添加對象、組和項。

grp=addgroup(da)；

itml=additem(grp，’level11，)；

itm2=additem(grp，’levell2’)；

itm3=additem(grp，’levell3’)；

itm4=additem(grp，’levell4’)；

%讀取DCS OPC服務(wù)器中速度參數(shù)。

reallevel=get(itml，’value’)；

setlevel=l10；

%調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化PID參數(shù)函數(shù)。

[KP1，KI1，KDl]=zlpBPPlD(setlevel，reallevel)；

%更新DCSOPC服務(wù)器中的PID參數(shù)

writeasync(itm2，KPl)；

%KPl為優(yōu)化后的PID參數(shù)KP。

writeasync(itm3，KI1)；

%KI1為優(yōu)化后的PID參數(shù)KI。

writeasync(itm4，KD1)；

%KD1為優(yōu)化后的PID參數(shù)KD。

3 結(jié)論

本文介紹了OPC技術(shù)在單晶硅提拉過程中的應(yīng)用，主要研究通過OPC技術(shù)實現(xiàn)MATLAB與PLC之間的數(shù)據(jù)通信，為高級控制算法在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用搭建了橋梁，同時提高了PLC的控制精度和速度。

[1] 黃油瑞, 曲國立. PID控制器整定與實現(xiàn)[M]. 北京∶ 科學出版社, 2010.

[2] 唐春林. 復合機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 長沙∶ 中南大學, 2008.

[3] 仲元昌, 郭耿濤, 賈年龍, 等. 晶體生長爐的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度控制算法[J]. 人工晶體學報, 2010(5)∶1302-1307.

[4] 柴兆森. 基于工業(yè)以太網(wǎng)和OPC 技術(shù)的異構(gòu)系統(tǒng)集成研究[D]. 蘭州∶ 蘭州理工大學, 2009.

[5] 王明武, 陳曼龍, 楊明亮. 基于OPC技術(shù)的MCGS實時數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用[J]. 陜西理工學院學報(自然科學版), 2013(5)∶10-14.

The pulling control of the monocrystalline silicon based on OPC technology

Zhao Jie1，Gao Hui2

(1.National Secrecy Science and Technology Evaluation Center，Hebei Branch , Shijiazhuang 050000, China; 2. Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050000, China)

The traditional PID control can not be satisfied the requirement of the motor speed in the pulling process of the monocrystalline silicon. The Programmable Logic Controller (PLC) is difficult to realize the complex control algorithm. In response to these issues, this paper adopts the OLE for process control (OPC) technology to build the communication between MATLAB and PLC. The PID parameters are adjusted by the neural network online in MATLAB. The OPC technology transmits the results to the PLC, so as to realize the rapid and accurate control in the pulling process.

monocrystalline silicon; OPC; neural network PID; motor speed control

TP391.8

A

1674-7720(2015)17-0001-03

趙捷, 高輝.基于OPC技術(shù)的單晶硅提拉過程控制研究[J]. 微型機與應(yīng)用, 2015,34(17)∶1-3.

2015-06-09）

趙捷（1984-），男，學士，助工，主要研究方向：計算機應(yīng)用。

高輝（1989-），男，碩士，主要研究方向：復雜工業(yè)過程控制。

利用MATLAB OPC Toolbox實現(xiàn)MATLAB與MCGS實時通信的準備工作主要包括以下幾個方面：

(1) 在MATLAB中，有些OPC工具箱的核心組件可能沒有安裝，所以在使用OPC Toolbox之前需要檢查是否安裝，在MATLAB中可以使用opcregister（‘install’）來安裝。

(2) 為了使OPC Toolbox中的對象與MCGS的對象之