泡生法蓝宝石单晶炉的冷却水自动控制系统研究设计

摘要

近年来随着科技发展的进步，电子手持设备大量涌入市场，人工晶体在电子产品设备中的应用受到了广泛关注。人造蓝宝石晶体目前在LED行业、智能手机、手表、摄像机镜头等产品中大量使用，未来市场需求比较大，应用前景比较广泛。因此市场上对蓝宝石晶体质量的要求也比较高，目前市场上人造蓝宝石晶体质量参差不齐，从生产过程来分析影响蓝宝石晶体质量的因素很多，其中长晶炉的冷却水系统尤为重要，恒定的水温是生长高品质晶体的重要保证。
　　本文主要针对目前市场上泡生法80kg蓝宝石长晶炉冷却水系统存在的温度控制不精确、自动化程度低、缺少应急自动保护装置等问题，经过对泡生法蓝宝石长晶工艺中对水温要求的分析后设计了一套针对于泡生法蓝宝石单晶生长的冷却水自动控制系统，通过在实际应用中不断调试和改进，最终实现了在整个晶体生长阶段达到了冷却水系统温度控制精确、恒温恒压和自动化运行操作，使得通过长晶炉的进水温度达到蓝宝石长晶工艺所需的设定值25±0.1℃。本文的研究内容主要包括以下几个部分:
　　(1)实现对整个冷却循环水系统的恒温恒压控制，本文以PLC控制器为核心设计了一套自动化系统装置，通过对单晶炉长晶过程中对热量的水温数学模型分析，采用常规PID和模糊PID控制方案对水温仿真效果进行分析。根据现场工艺采集数据和系统设定参数等，结合PLC编程，实现自动调节系统中的电动调节阀和变频机组，根据工艺设计结构自动运行双级循环水自动控制系统。
　　(2)实现对整个冷却循环水系统硬件配置，本文根据对整个80kg蓝宝石长晶炉冷却水系统工艺的分析，提出稳定可靠的双级循环水自动控制系统。根据对系统工艺所需硬件性能参数的计算选择合适的PLC和变频制冷机组硬件设备。
　　(3)对整个冷却水自动控制系统的上位机软件设计，为了使整个控制系统更好的服务于蓝宝石晶体生产，本文基于Windows平台通在VisualStudio MFC开发环境下使用C/C++开发上位机应用操作软件。
　　本文以传统冷却水塔工艺和PLC控制理论为基础，根据蓝宝石单晶炉长晶过程中对水温的特殊要求，通过分析冷却水系统的工艺构成、软硬件总体设计、性能指标内容等，设计了一套以PLC控制器为集中控制的冷却循环水自动化操作系统，通过在实际应用中对其效果进行了验证，在人造蓝宝石晶体生长领域中冷却水自动控制方面有一定的实用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题的研究背景与意义

1．3 国内外发展研究现状与趋势

1．3．1 工业冷却水类型介绍

1．3．2 国内外温度测量控制技术的发展

1．4 本文主要工作内容

1．5 本文章节结构安排

第二章 蓝宝石单晶生长技术与工艺流程分析

2．1 蓝宝石单晶的特性以及生长方法

2．2 泡生法蓝宝石单晶的生长工艺流程

2．3 本章小结

第三章 泡生法蓝宝石单晶炉的冷却水自动控制系统的硬件设计

3．1 冷却水循环系统结构设计

3．2 冷却水系统的PLC选型

3．3 变频器原理及应用

3．4 制冷系统的选型与计算

3．4．1 制冷系统的额定工况计算

3．4．2 压缩机选型及热力计算

3．5 传感器选型

3．6 系统主要模块硬件接线图设计

3．7 本章小结

第四章 模糊PID控制器的研究与设计

4．1 常规PID控制原理及应用

4．2 模糊控制器的组成及原理

4．2．1 模糊控制器的组成

4．2．2 模糊控制器的原理

4．3 模糊PID控制器设计

4．3．1 模糊PID控制器结构

4．3．2 PID参数模糊自整定控制规则

4．3．3 建立仿真模型和结果分析

4．4 本章小结

第五章 泡生法蓝宝石单晶炉冷却水自动控制系统的软件设计

5．2．2 PLC主程序编写

5．2．3 手／自动程序的编写

5．3 上位机软件开发

5．3．1 上位机与PLC之间的串口通讯实现

5．3．2 上位机开发设计与实现

5．4 本章小结

第六章 泡生法蓝宝石长晶炉的冷却水控制系统调试及分析

6．1 电气控制线路调试

6．2 变频器参数的设定和调试

6．3 PLC程序运行调试

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

致谢