多線切割機(jī)軸輥溫度智能控制

張為強(qiáng)，朱林濤，李亞光

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176；2.有研半導(dǎo)體材料股份有限公司，北京 100088)

多線切割機(jī)以其高效率、高精度、低損耗，所切硅片彎曲度小、翹曲度小、表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割機(jī)成為硅片切割加工的主要設(shè)備。硅片的主要用途分為兩個(gè)方面：太陽(yáng)能電池和集成電路半導(dǎo)體器件。其中集成電路所用的單晶硅片對(duì)硅片參數(shù)有更高的要求，相應(yīng)的切割過程也需要更高的精度及穩(wěn)定性。

多線切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。起初，切割線全部纏繞在放線輪上通過橫移架、張力機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向輪纏繞到加工軸輥上，形成一排按一定間隔平行排列的線網(wǎng)。軸輥按照硅片厚度要求開有一定深度的線槽，這些線槽保證切割過程中切割線的穩(wěn)定、始終平行。這是硅料切割的加工區(qū)域。切割線再通過張力機(jī)構(gòu)、橫移架及導(dǎo)向輪最后纏繞到收線輪上。根據(jù)給定的速度參數(shù)，軸輥在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下正反向交替運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使附著磨削粉的切割線往復(fù)運(yùn)行，逐漸將切割線轉(zhuǎn)移到收線輪上。在切割線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)根據(jù)給定的位置及速度參數(shù)由上向下運(yùn)動(dòng)，完成硅料的切割。

圖1 切割機(jī)原理圖

由上可知，切割線網(wǎng)的穩(wěn)定是保證硅片質(zhì)量的一個(gè)重要前提。在保證線輪、橫移架、張力機(jī)構(gòu)、軸輥的協(xié)調(diào)同步運(yùn)行后，如何在整個(gè)切割過程中消除軸輥由于切削熱產(chǎn)生形變引起線網(wǎng)發(fā)生不平行等情況對(duì)硅片質(zhì)量的影響成為一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)。

多線切割機(jī)軸輥溫度范圍一般為20～30℃，控制精度不超過0.5℃。根據(jù)多線切割機(jī)工作環(huán)境要求，車間溫度應(yīng)為25℃±1℃，每小時(shí)變化不超過2℃；冷卻水溫度范圍為10～15℃。但在實(shí)際調(diào)查中，有一部分車間的溫度不滿足此要求，溫差較大。另一方面，如果系統(tǒng)只有冷卻功能，軸輥溫度不會(huì)達(dá)到20℃的最低要求；如果系統(tǒng)只有加熱功能，由于切削熱等的影響，則軸輥溫度過高并且波動(dòng)大。所以說軸輥溫度控制系統(tǒng)既需要加熱，又需要冷卻。而一般的溫度控制器只有單向控制的功能，所以對(duì)于軸輥溫度控制通常的做法是根據(jù)實(shí)際情況選擇溫度控制器的單向加熱∕冷卻模式。在實(shí)際溫度低于∕高于控制溫度時(shí)進(jìn)行自動(dòng)控制，高于∕低于控制溫度時(shí)進(jìn)行冷卻∕加熱（見圖2）。

圖2中，三通閥作為這個(gè)系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，它的A口連接的是冷卻水，B口進(jìn)水為經(jīng)過在線加熱裝置的回流水。A與B的進(jìn)水混合后由C口通過水路進(jìn)入軸輥內(nèi)部，達(dá)到調(diào)節(jié)軸輥溫度的目的。軸輥裝有PT100溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)其溫度。從軸輥流出的回水經(jīng)過一定的機(jī)構(gòu)成為在線加熱的進(jìn)水，以避免能源浪費(fèi)、降低設(shè)備功耗。

圖2 軸輥溫度控制系統(tǒng)示意圖

在調(diào)試的起始階段，我們采用通常的溫度控制方案。首先將溫度控制器工作模式設(shè)置為冷卻，這樣在軸輥溫度PV低于設(shè)置溫度SP時(shí)，三通閥B口全開，打開在線加熱裝置；在PV大于或等于SP時(shí)，關(guān)閉在線加熱裝置，進(jìn)入自動(dòng)冷卻工作模式，由溫度控制器調(diào)節(jié)比例閥的開度，改變冷卻水流量，進(jìn)而控制軸輥溫度。程序代碼為：

這種方法簡(jiǎn)單有效，借助于成熟的溫度控制器對(duì)很多機(jī)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性。圖3是采用這種控制方案的軸輥溫度控制系統(tǒng)效果圖。

圖3 軸輥溫度曲線圖

從圖3中可以看出，在設(shè)定值為25℃的情況下，軸輥溫度最小值為23.9℃，最大值為26.4℃，偏差達(dá)到-1.1～1.4℃。溫度變化頻率高、范圍大，達(dá)不到多線切割機(jī)工作的要求。這里，可能存在這樣的問題：從C口到軸輥的水路過長(zhǎng)，測(cè)量與控制存在較大的滯后性；軸輥可以看做一個(gè)空心的機(jī)械結(jié)構(gòu)，里面注滿了水，極易受調(diào)節(jié)水、砂漿及切削熱的影響；常規(guī)PID控制系統(tǒng)因其參數(shù)間相互制約的基本結(jié)構(gòu)決定了其難以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)兼有的更高要求。總之，在實(shí)際控制中，采用通常的溫控方案軸輥溫度控制達(dá)不到系統(tǒng)的要求。

為了保證設(shè)備調(diào)試的進(jìn)度，在不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)、不需要進(jìn)行大量工作的情況下，需要設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單并可以滿足指標(biāo)的控制方案。本論文基于以上目的，提供一種多線切割機(jī)軸輥溫度智能PID控制方案。

智能控制是一門新興的理論和技術(shù)，它是傳統(tǒng)控制發(fā)展的高級(jí)階段，旨在應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬人類智能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在實(shí)際的應(yīng)用中，許多被控過程機(jī)理復(fù)雜，具有高度非線性、時(shí)變不確定性和純滯后性等特點(diǎn)，導(dǎo)致PID控制參數(shù)整定效果不理想。智能PID控制就是將智能控制與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，將人工智能以非線性控制方式引入到控制器中，使系統(tǒng)在任何運(yùn)行狀態(tài)下均能得到比傳統(tǒng)PID控制更好的控制性能。具有不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型和控制器參數(shù)在線自動(dòng)調(diào)整等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的適應(yīng)性。同時(shí)，它又有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高、為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)人員所熟悉等特點(diǎn)。

智能控制的基本思想就是模擬人的行為對(duì)復(fù)雜的被控對(duì)象進(jìn)行控制，人的行為可以看作是一種多模態(tài)和開閉環(huán)相結(jié)合的控制方式。結(jié)合人的智能思維和經(jīng)典PID快速調(diào)節(jié)反應(yīng)，區(qū)別對(duì)待實(shí)際工作中出現(xiàn)的不同情況。

這里對(duì)軸輥溫度分為7種情況進(jìn)行控制（見圖 4）：

（1）ER＞ER1；

（2）ER＜ER2；

（3）0＜ER＜ER1，ΔPV＞0；

（4）0＜ER＜ER1，ΔPV＜0；

（5）ER3＜ER＜0；

（6）ER2＜ER＜ER3，ΔPV＞0；

（7）ER2＜ER＜ER3，ΔPV＞0。

各符號(hào)說明：

ER：偏差，ER=SP-PV；

SP：設(shè)定值；

PV：過程值；

ER1：控制偏差限1，為正數(shù)；

ER2：控制偏差限2，為負(fù)數(shù)；

ER3：控制偏差限3，為一大于ER2小于零的負(fù)數(shù)；

ΔPV：過程值的變化率。

對(duì)于7種不同的情況，采用不同的控制方法：

（1）ER＞ER1：溫度偏差大于預(yù)設(shè)的偏差 ER1，軸輥溫度過低，開啟在線加熱裝置，三通閥熱水進(jìn)口完全打開，全力加熱；

圖4 輥溫度控制分區(qū)圖

（2）ER＜ER2：溫度偏差小于預(yù)設(shè)的偏差 ER2，軸輥溫度過高，關(guān)閉在線加熱裝置，三通閥冷水進(jìn)口完全打開，全力冷卻；

（3）0＜ER＜ER1，ΔPV＞0：溫度偏差大于零小于預(yù)設(shè)偏差ER1，軸輥溫度低于且趨向設(shè)定值，關(guān)閉在線加熱裝置，三通閥熱水進(jìn)口完全打開，利用水路余熱繼續(xù)加熱；

（4）0＜ER＜ER1，ΔPV＜0：溫度偏差大于零小于預(yù)設(shè)偏差ER1，軸輥溫度低于且背離設(shè)定值，打開在線加熱裝置，三通閥熱水進(jìn)口完全打開，全力加熱；

（5）ER3＜ER＜0：溫度偏差小于零大于預(yù)設(shè)偏差ER3，軸輥溫度略大于設(shè)定值，關(guān)閉在線加熱裝置，溫控器切換為自動(dòng)工作模式，PID控制器選用控制參數(shù)Ⅰ進(jìn)行控制；

（6）ER2＜ER＜ER3，ΔPV＞0：溫度偏差處于預(yù)設(shè)偏差ER2和ER3之間，軸輥溫度大于且背離設(shè)定值，關(guān)閉在線加熱裝置，溫控器切換為自動(dòng)工作模式，PID控制器選用控制參數(shù)Ⅱ進(jìn)行控制，抑制溫度升高；

（7）ER2＜ER＜ER3，ΔPV＜0：溫度偏差處于預(yù)設(shè)偏差ER2和ER3之間，軸輥溫度大于且趨向設(shè)定值，開啟在線加熱裝置，溫控器切換為自動(dòng)工作模式，PID控制器選用控制參數(shù)Ⅲ進(jìn)行控制，使溫度以合理的速度趨近設(shè)定值。

從上面的控制方法可以看出，這個(gè)方案的主要思想是對(duì)可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提前進(jìn)行控制，防止過程值（軸輥溫度）超出控制要求。

軸輥溫度智能PID控制流程圖見圖5所示。

圖5中，KV=0表示關(guān)閉在線加熱裝置；KV=1表示打開在線加熱裝置；LMN_A：三通閥冷卻水進(jìn)口開度；LMN_B：三通閥回流水進(jìn)口開度。

圖5 軸輥溫度智能PID控制流程圖

為了得到預(yù)期的效果，通過大量的實(shí)驗(yàn)及長(zhǎng)期的考核調(diào)整并確定ER1、ER2、ER3及PID各參數(shù)值。

圖6是采用智能PID控制方案后軸輥溫度的效果圖。

圖6 采用智能PID方案軸輥溫度曲線圖

軸輥溫度預(yù)設(shè)值為25℃。由圖6可知，采用智能PID控制方案后，軸輥溫度最小值為24.60℃，最大值為25.23℃，溫度偏差為-0.4～0.3℃，控制精度在±0.5℃內(nèi)，達(dá)到預(yù)期的效果，滿足多線切割機(jī)工作要求。

軸輥溫度是影響硅片質(zhì)量，尤其是翹曲度的一個(gè)重要因素。保證軸輥溫度的穩(wěn)定及控制精度是生產(chǎn)合格硅片的必要條件。傳統(tǒng)的PID溫度控制方案由于系統(tǒng)間參數(shù)的制約導(dǎo)致其難以滿足實(shí)際生產(chǎn)中靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)均有的較高要求。智能PID控制方案研究人的手動(dòng)控制策略并模擬出人的控制行為，采取開閉環(huán)相結(jié)合的控制方式，區(qū)別對(duì)待實(shí)際工作中的不同情況及要求，提高系統(tǒng)的控制能力。

PID經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，對(duì)工業(yè)的發(fā)展做出了極大貢獻(xiàn)。但隨著科技的不斷發(fā)展，受控對(duì)象越來越復(fù)雜，在參數(shù)整定方面仍需要做更多的研究，最終目的是希望通過盡量少的先驗(yàn)信息，尋找出最簡(jiǎn)單、實(shí)用和直觀的參數(shù)整定方法，達(dá)到更好的性能指標(biāo)。智能PID控制將自適應(yīng)、自整定等有機(jī)整合，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想方法對(duì)傳統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)思想及整定方法進(jìn)行改進(jìn)。從實(shí)際生產(chǎn)過程出發(fā)，設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際過程需要的控制方案，將預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制有機(jī)結(jié)合，更好地服務(wù)于社會(huì)生產(chǎn)。

通過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際工作驗(yàn)證，多線切割機(jī)軸輥溫度智能PID控制系統(tǒng)方案簡(jiǎn)單有效、精度高、穩(wěn)定性好，完全適用于多線切割機(jī)軸輥溫度控制。

[1] 方康玲.過程控制與集散系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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