石英晶體真空退火爐控溫系統設計研究

崔京華 王惠貞 苗旭輝

摘 要：眾所周知，在真空熱處理諸多工藝中，真空退火是最具代表性的工藝之一。真空退火最常用的設備是真空退火爐。真空退火爐的工作原理是利用技術來對溫度進行精準調控，溫度調控精度的高低會對工件綜合質量產生至關重要的影響。因此，真空退火爐智能溫度控制系統的設計與探究一直以來都備受關注。本文以石英晶體真空退火爐為主要研究對象，對智能溫度控制系統的相關內容進行深入分析和探究。

關鍵詞：石英晶體;真空退火爐;智能溫度控制系統

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0050-03

Design and Research on Temperature Control System of Quartz

Crystal Vacuum Annealing Furnace

CUI Jinghua1 WANG Huizhen2 MIAO Xuhui3

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Chemical & Pharmaceutical College，Shijiazhuang Hebei 050026;2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Jiaotong Vocational and Technical College，Shijiazhuang Hebei 050091;3.Hebei Province Water Conservancy Bureau，Shijiazhuang Hebei 050021）

Abstract： As we all know， among many vacuum heat treatment processes， vacuum annealing is one of the most representative processes. The most commonly used equipment for vacuum annealing is the vacuum annealing furnace. The working principle of the vacuum annealing furnace is to use technology to precisely control the temperature. The high and low precision of temperature control will have a vital impact on the overall quality of the workpiece. Therefore， the design and exploration of the intelligent temperature control system of the vacuum annealing furnace has always attracted much attention. This paper took the quartz crystal vacuum annealing furnace as the main research object， and conducted in-depth analysis and exploration on the related content of the intelligent temperature control system.

Keywords： quartz crystal;vacuum annealing furnace;intelligent temperature control system

研究發現，當前真空退火爐的溫度控制工作始終未能達到完美狀態，控制過程中仍會出現諸如時滯性、強干擾、強耦合、非線性等負面現象，真空退火爐的溫度控制難度依然較大。本文以石英晶體真空退火爐作為研究對象，就智能溫度控制系統的相關內容進行深入分析。

1 石英晶體真空退火爐的簡要闡述

在當前各種先進的數字化設備中，石英晶體諧振器是最為關鍵的器件之一，其具體作用和價值主要體現在產生基準時鐘信號以及調整整體電路工作兩個方面。目前，在大眾最為熟悉的計算機、智能化儀器以及各類通信設備中，都可以看到石英晶體諧振器的身影。

石英晶體真空退火爐，即石英晶體元器件生產的必要設備，通過退火處理來消除產品因加工而產生的表面缺陷。現階段，石英晶體退火爐的設計體系主要包含兩個真空室，且兩個真空室彼此獨立，各自有多個控溫區，全方位控制真空度和溫度。

在之前很長一段時間里，我國基本上使用的都是從韓國和日本進口的真空退火爐。進口真空退火爐有兩個弊端：其一是價格昂貴;其二是設備更新換代以及維修維護依賴性強。自2005年我國成功研制出國產的石英晶體真空退火爐后，才開始逐漸擺脫進口的約束。現階段，我國石英晶體真空退火爐與其他國家很多同類型產品相比，在諸多性能指標上都呈現出較大優勢。

2 關于真空退火爐的工藝以及控制標準與要求

真空退火爐主要是由真空室、真空機組、氣路系統、冷卻水系統以及電氣控制系統組成。真空退火爐包含左右兩個真空室，每一個真空室獨立工作，且真空室內是分區控溫，即真空室內不同區域的溫控有所不同。通常情況下，真空室內的每一個區域都會安裝熱電偶，兩端加熱管功率是1.2 kW，中間是2.4 kW。

開始使用真空退火爐時，首先開啟機械泵和分子泵兩個部位，然后打開前閥，正式進入退火爐待機狀態。此時，工作人員將需要加工的晶體元件分別放入左右兩個真空室溫控區域內，調整好溫度和真空度，真空退火爐才算正式啟動。啟動之后的步驟是：第一，關閉前閥，打開低閥，借助機械泵將左右真空室抽至低真空狀態;第二，實現低真空狀態后，關閉低閥，打開前閥和主閥，將左右真空室內抽至高真空狀態;第三，開啟溫控系統，加熱加熱管，此時真空室內的溫度會隨著之前設定好的溫度曲線開始退火處理。

完成退火任務之后，工作人員要按照順序依次完成好以下操作：第一，關閉主閥，打開放氣閥;第二，待真空室內的空氣恢復到正常大氣壓力水平后，再次打開排氣閥;第三，延時之后再關閉排氣閥和放氣閥，至此，退火過程全部結束。

3 石英晶體真空退火爐智能溫度控制系統設計

3.1 PLC為智能溫度控制系統的主要特色

PLC（Programmable Logic Controller）即可編程控制器，是最具代表性的新型控制元件之一。PLC的主要優點是：結構簡單、通用性好、功能較完備;抗干擾能力強，強大的抗干擾能力有效提高了該溫度控制系統的可靠性與穩定性，也大大提高了實際生產效率。由此，溫度控制系統在工業控制領域得到了廣泛實踐與應用。在本次石英晶體真空退火爐研制工作中，研究人員特意設計了以PLC為核心的電氣控制系統，意在借助PLC的優勢來完善溫度控制系統的功能[1]。

3.2 真空系統

真空系統控制的對象主要包括機械泵、分子泵以及各個閥門，通過對這些組件進行控制，以保證真空度達到既定的標準和要求。按照實際設定的工藝要求，并綜合考量各個閥門之間的關系，設置了真空系統控制流程，如圖1所示。

3.3 系統硬件設計

3.3.1 界面設計。溫度控制系統的觸摸屏界面是人機交互的重要渠道和方式，因此，設計人員在對界面進行設計時，必須遵循簡單易懂、直觀形象的原則，使相關人員可以清晰地看到系統設備的真實工作狀態。屏幕上也會實時顯示工作人員需要精準掌握的各類工藝參數和數據。根據設備工藝過程及控制要求，考慮系統可靠性和性價比等因素，決定采用西門子87-300PLC作為控制核心。西門子87-300PLC具有豐富的指令和多種功能控制模塊，能滿足各種不同場合的控制需求，在中國工控市場上具有較高的占有率。

3.3.2 外圍元件設計。外圍元件以控制點數量和種類的實際需求為準，決定了PLC各個擴展模塊：SM321（數字量輸入模塊）用來接收各個主要指令電器、真空測試儀及閥門位置檢測開關等元件的輸入信號;SM322（數字量輸出模塊）用來控制閥門和真空泵等執行元件。

溫度控制系統中有左右兩個真空室，兩個真空室又各自包含四個工作區，不同工作區都實施獨立控溫，一個區構成一個閉環控制回路獨自運行。

SM331（模擬量輸入模塊）負責接收每個工作區熱電偶的測量信號;SM332（模擬量輸出模塊）負責對調壓器的輸出電壓進行控制，從而實現調節加熱管加熱功率的目的[2]。

3.4 溫度控制

3.4.1 FB程序塊設計。關于石英晶體真空退火爐的溫度控制系統設置，本文的研究是在閉環溫度控制模塊基礎上內置了優化后的比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）控制器，其實現了獨立控制溫度的目標，不必依靠中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊即可進行，但有一個前提條件，即要在設定的時間點及時和CPU交換過程中的數據[3]。

關于閉環溫度控制模塊和CPU的數據交換，設計人員共設計了6個FB程序塊，具體功能如表1所示。

表1中所展示的6個程序塊當中，FB1為核心程序，工作人員可以調用FB1，隨時對PID控制器中的積分、比例以及微分系統進行在線修改和調整，也可以讀取溫度實際值，并根據需求更新設定的溫度值。

在調查和研究過程中發現，借助PID來控制溫度，最大難點是對積分、比例以及微分參數進行搭配。之前，工作人員習慣根據自己的經驗來反復計算和湊數，不僅耗費了大量精力，而且降低了運轉效率。但自從增添了控制參數自整定功能，即可在線自適應溫度控制，使調整變得非常簡單、順暢[4-6]。

除此之外，調試新設備也只需要通過FMT_PID程序塊觸發控制參數自整定功能，就能自動整定出合適的參數。溫度控制系統研究工作中某一次真空室溫控區的自整定結果如表2所示。

3.4.2 控制方式選擇。用電阻加熱管進行加熱的控溫方式具有滯后性強、熱慣性大、參數變化快和非線性等特點。一般情況下，使用的常規PID控制方式雖在穩定性和精準度上具有優勢，但是，當面對爐溫這類非線性的控制對象時，其實際控制效果并不是很理想，因為爐溫在參數調整上難度非常大。

在諸多智能控溫方式中，模糊控制是較為理想的一種方式，其在控制時變性強、非線性以及滯后性強的對象時控制效果較為理想。在使用時，需要注意對模糊控制器的選擇。如果選用常規模糊控制器，其一般都存在穩態誤差，雖然能夠通過調整比例因子和量化因子來縮減誤差，但始終不能徹底消除誤差，而且如果過度調整比例因子或者量化因子，還容易引發系統在目標值附近振蕩的問題。因此，需要將模糊控制和PID結合起來，遵循各取所長的原則，設計出具有智能積分環節的模糊控制器[7-8]。

4 結語

實踐證明，石英晶體真空退火爐智能溫度控制系統實現了對各個真空室溫度的穩定性以及均勻性的精確控制，并且在降低資源消耗及提升加工產品質量方面發揮了至關重要的作用。真空退火爐作為真空退火的常用設備之一，其價值將會得到進一步發揮。

參考文獻：

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