基于LabVIEW的富Hg液相外延生长炉分布式控制系统设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 3.54MB 65 页 15积分

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摘要

西方国家采用碲镉汞红外焦平面技术的侦查、预警和制导系统在航天和常规

武器系统中已进入实用化，在技术上遥遥领先于我国目前使用的各类红外探测系

统。为了获得集超大规模、多色探测和智能化处理技术于一身的新一代红外焦平

面探测技术，迫切需要具有高可靠性的自动化控制装置，来实现大面积材料富

Hg 热处理技术。

本课题在了解了富 Hg 液相外延生长工艺的基础上，结合了计算机监控和数

据采集技术、分布式控制技术和可编程控制器的现场控制技术，设计并开发了一

套富 Hg 液相外延生长炉的控制系统。该系统具有实时监控、数据分析处理、网

络化控制管理以及安全保护功能。

系统主要分为硬件、软件和分布式结构三个组成部分，本文详尽深入地阐述

了这三部分的设计和实现。硬件上通过 PLC 和它的扩展模块控制各个执行设备和

模拟量仪表。软件基于 LabVIEW 开发环境完成了监控界面、与硬件通信、生长过

程控制和数据库管理。在第五章给出了分布式网络的结构和设计方案。

本文所设计的系统其特点在于软件平台采用了模块化的结构，这样就可以把

各个模块部署到网络相应的站点上以搭建分布式控制体系。系统使用了 LabVIEW

及其 DSC(数据记录和监控)模块实现对设备的集中控制管理及网络发布、数据记

录、权限管理、图形化界面等功能。充分地利用了 DSC 模块对于开发部署分布式

控制系统的支持，使系统上层控制部分兼具整体性和灵活性。另外，本文把生长

过程的执行模块独立了出来，在 LabVIEW 中使用 TestStand 的 ActiveX 控件编写

这个模块，这样做一方面简化了编程的工作，另一方面也使系统更高效稳定。

关键词：分布式控制系统 PLC LabVIEW 数据记录和监控模块

TestStand

ABSTRACT

In the West countries, the HgCdTe which is applied to infrared Focal Plane

Arrays (FLA) technology has been widely used in aerospace and conventional

weapons. Their infrared detection system is now so well ahead of ours in technology.

To develop the new generation of Focal Plane Arrays technology that has features of

very large scale, multi-color detection and intelligence, high reliable automatic control

system is sorely needed to implement Hg-rich liquid produce and expansion (LPE).

Basing on understanding the process of Hg-rich LPE, we develop a control

system of executing Hg-rich LPE. To develop the system, technologies of computer

supervisory and data-acquisition, distributed control and programmable control have

been used. The system has functions of real-time monitoring, data processing and

network communication.

The automatic control system is mainly composed of hardware, software and

distributed structure, the design of these three parts is discussed in the article. On the

hardware, PLC and its extending module is used for controlling electric actuators and

some analogue meters. On the software side, graphic interface, hardware controlling,

expansion procedure controlling and database management is implemented based on

LabVIEW development environment. The design scheme of distributed network

architecture is given in chapter5.

The system features a modular design concept which facilitates distributed

control architecture by deploying those modules to each station. LabVIEW with the

LabVIEW DSC is used to implement the functions of central controlling the hardware

devices, network distribution of hardware resources, data logging, user management,

graphic user interface and so on. To sum up, the design of the software provides both

integrity and flexibility in our system. In addition, the program used to execute the

expansion process is separated as an individual module that completed by TestStand.

In LabVIEW platform, we access the TestStand engine through ActiveX object. By

doing so, it reduces the programming effort, and also enables higher efficiency and

reliability.

Key Words: Distributed Control System, PLC, LabVIEW,

Datalogging and Supervisory Control Module, TestStand

摘要

ABSTRACT

第一章绪论............................................................................................................. 1

§1.1 课题来源及意义.......................................................................................... 1

§1.2 目前国内外水平.......................................................................................... 2

§1.3 课题研究的内容以及关键技术.................................................................. 3

§1.4 论文的主要内容.......................................................................................... 3

第二章系统的构成................................................................................................. 5

§2.1 富Hg 液相外延生长炉简介....................................................................... 5

§2.1.1 液相外延生长原理及过程.................................................................... 7

§2.1.2 主要控制要求........................................................................................ 9

§2.2 控制系统的结构与设计.............................................................................. 6

§2.2.1 控制系统的结构................................................................................... 6

§2.2.2 硬件结构............................................................................................... 7

§2.2.3 软件结构............................................................................................... 9

§2.2.4 分布式网络结构................................................................................... 9

第三章硬件平台与 PLC 部分的设计 ..................................................................11

§3.1 设备选型及调试........................................................................................ 11

§3.1.1 可编程控制器 PLC .............................................................................11

§3.1.2 智能仪表............................................................................................. 12

§3.1.3 其它传感器的选型、设计................................................................. 16

§3.1.4 步进电机及其控制器......................................................................... 17

§3.1.5 阀门、管道、泵及其他设备............................................................. 17

§3.2 PLC 各模块的配置 .....................................................................................17

§3.2.1 运动控制............................................................................................. 18

§3.2.2 模拟量的监控..................................................................................... 21

§3.2.3 开关量传感器与执行机构的控制..................................................... 23

§3.3 PLC 程序设计 .............................................................................................24

第四章基于 LabVIEW 的软件平台的设计 ........................................................ 25

§4.1 系统软件部分的基本功能........................................................................ 25

§4.2 图形化用户操作界面的开发.................................................................... 26

§4.3 I/O Server 的设计与实现........................................................................... 27

§4.3.1 LabVIEW DSC 模块功能简介............................................................27

§4.3.2 设备的通信方式................................................................................. 29

§4.3.3 基于 LabVIEW DSC 模块设备驱动的实现 ......................................32

§4.4 富Hg 液相外延生长过程软件设计.......................................................... 35

§4.4.1 LabVIEW 中使用 ActiveX 技术.........................................................35

§4.4.2 NI TestStand 应用 ................................................................................ 37

§4.4.3 TestStand 用户接口设计 ..................................................................... 38

§4.4.4 生长过程的部署方案......................................................................... 39

§4.4.5 工艺过程(命令)的程序设计.............................................................. 40

§4.5 数据的记录与查询.................................................................................... 42

§4.6 本章小结.................................................................................................... 46

第五章分布式网络结构的设计........................................................................... 46

§5.1 分布式控制系统简介................................................................................ 46

§5.2 分布式结构的实现.................................................................................... 47

§5.2.1 NI Shared Variable Engine 与服务器端的实现 .................................. 47

§5.2.2 客户端的实现..................................................................................... 48

§5.2.3 客户端的权限管理............................................................................. 49

第六章结论........................................................................................................... 52

§6.1 系统的特点和展望.................................................................................... 52

§6.2 总结............................................................................................................ 53

附录:部分图纸 ......................................................................................................54

参考文献................................................................................................................. 59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果..................................... 62

致谢......................................................................................................................... 63

第一章绪论

§1.1 课题来源及意义

课题是与中国科学院上海市技术物理研究所合作开发的项目，项目任务是完

成富 Hg 液相外延生长炉系统工业控制部分及网络部分的设计。

富Hg 液相外延生长炉主要是为了解决制备大面积实用化的碲镉汞材料所需

要的一系列复杂工艺要求而设计的一种热处理系统。工艺上的要求主要包括高低

温热处理的集成、高压平衡技术、可靠的传动系统以及完善的安全系统。这一系

列的工艺要求的实现就需要设计一套工业控制系统达到对每个工艺过程实现可

控。该系统必须有以下几个要求：1、可靠性；2、可控性；3、可监测；4、结构

化管理。在这个基础上尽可能选择结构合理、控制精度和自动化程度高的控制方

案。

为了说明什么是富汞液相外延生长技术，让我们先来了解一下红外焦平面技

术。红外焦平面技术是导弹防御系统的核心技术之一，目前碲镉汞红外焦平面技

术仍在继续快速地发展，以求获得集超大规模、多色探测和智能化处理技术一身

的新一代红外焦平面探测技术。PN 结是碲镉汞器件探测红外辐射的基础，获取高

性能 N型和 P型材料则是基础的基础。对于碲镉汞材料，N型掺杂技术不存在任

何困难，可是，获得高性能 P型材料则有相当大的难度。研究结果已证实砷掺杂 P

型碲镉汞材料中的少子寿命比汞空位型材料高出一个量级以上[14]。然而，要使砷

在碲镉汞材料中呈受主态，砷原子必须占据到碲原子的格点上，而要使砷占据碲

原子格点，材料必须处于高温和高压状态。富 Hg 液相外延技术能满足这一要求。

因此，砷掺杂率先在富 Hg 液相外延中得以实现，在这一技术中使用了高压回流技

术，该技术利用外界提供的高压气体将高温下垂直热处理系统中的汞蒸汽回流面

控制在石英管的加热区内，使得汞蒸汽不会污染系统中的其它部位，并能在加热

区形成稳定的汞蒸汽压，从而实现开管式热处理。该技术的优点是石英管和汞源

可反复使用，工艺条件可以实现严格的控制和重复[14]。

为了实现对高压回流过程的控制，本课题开发了一套过程控制系统。系统采

用了分布式控制系统的结构、

PC+PLC 的硬件模式、欧陆温控器独立温度控制及基

于LabVIEW 的软件组态的设计方案。这样的设计有以下几个显著优势：首先，分

布式控制系统的结构具有系统构成灵活、操作管理便捷、控制功能丰富、信息资

源共享、安全可靠性高等特点，使整个过程达到最优化的管理；其次，PC+PLC 的

硬件模式简单高效，实现了现场和操作站的分离；第三，充分利用欧陆温控器温

基于 LabVIEW 的富 Hg 液相外延生长炉分布式控制系统设计

度控制精度高、对温控器的编程操作方便等特点；第四，基于 LabVIEW 的软件方

案利用了 LabVIEW 的图形化的编程语言及其对于各类工业控制简化了开发难度，

缩短了开发周期，又更好的实现了各种功能。整个设计方案的成本也相对较低，

实现了高性价比的要求。

§1.2 目前国内外水平

西方国家采用碲镉汞红外焦平面技术的侦查、预警和制导系统在航天和常规

武器系统中已进入实用化，在技术上已遥遥领先于我国目前使用的各类红外探测

系统。目前碲镉汞红外焦平面技术仍在继续快速地发展，以求获得集超大规模、

多色探测和智能化处理技术一身的新一代红外焦平面探测技术[14]

在国内，经过近 10 年的发展，我国现已掌握了碲镉汞分子束外延的常规技术，

外延技术和外延材料的各项指标已全面达到国际先进水平，差距仅体现在砷掺杂

技术上。这一差距决定了器件的性能指标和国外尚有一定的差距，同时，我国目

前尚无能力制备双色焦平面器件。为此，在“十五”计划中，砷掺杂技术的研究

已被确定为碲镉汞分子束外延技术研究的一项重要内容，也是全面赶超国际先进

水平的一项关键技术，目前，分子束外延原位砷掺杂技术和利用石英管封管技术

实现砷激活的研究已经开始，并已取得了进展[14]。

但是，石英管封管热处理技术对于制备大面积实用化的碲镉汞材料是不适合

的，制备 256 规模的实用化红外焦平面器件必须使用 2英寸以上的碲镉汞材料，

这种材料若采用封管技术，其成本及工艺条件的控制都是无法承受的。为解决大

面积材料富汞热处理技术，我们必须采用高压回流技术实现开管式的高温富汞热

处理技术[14]。然而，高压回流技术目前在世界上只有美国的 Lockheed、Rochwell

和Loral 公司掌握了该项技术，并能生产 P-on-N 型红外焦平面器件，其任何有关

工艺技术和装置方面的资料都无法找到[14]。

对于开管式热处理技术的实现，核心在于其自动化控制装置的开发。上世纪

50 年代至今，控制系统获得了迅猛的发展，集散式控制系统、可编程控制系统、

现场总线控制系统、数据采集与监视控制系统等概念也应运而生，一些复杂控制

系统的开发日益完善[2]。近年来随着计算机、控制技术、网络和通信的发展，各类

控制系统都开始往开放式和兼容化方向发展，其定义上的界限日渐模糊，不同概

念的控制系统能够相互组合。在这样的背景下控制系统设计的难点也趋向于聚焦

在开发高可靠性的架构和控制软件上。

第一章绪论

§1.3 课题研究的内容以及关键技术

本课题主要任务是开发一套过程控制系统来实现富 Hg 液相外延生长炉的各

项控制要求。研究内容由以下几个部分组成：1）硬件系统，主要完成系统各部分

设备的选型及独立调试，设计精确的温度和运动控制过程，在 PLC 中设计富 Hg

液相外延生长炉系统的控制程序；2）基于 LabVIEW 的软件结构，其工作包括

LabVIEW 上位机软件人机界面，计算机对设备控制的驱动，各个控制过程的编程，

历史数据库的记录和查询；3）分布式网络结构的设计

本课题的关键技术：

1、欧陆温控器、Brooks 质量质量流量计、三菱 A系列 PLC 控制器等智能设

备的通信 OPC、dll 和总线技术的开发和运用；

2、运用 TestStand 的ActiveX 技术开发富 Hg 液相外延生长炉控制过程的执行

模块；

3、高精度的温度和位置控制。

§1.4 论文的主要内容

本文阐述了富 Hg 液相外延生长炉分布式控制系统的开发过程。对控制对象和

目标分析的基础上，设计并实现了系统的结构和方案。方案采用了分布式的控制

网络结构，硬件上能够满足制备大面积实用化的碲镉汞材料的工艺要求，软件上

利用 LabVIEW 的强大功能做到组态化、模块化和接口化。本文涉及的内容及论文

结构安排如下：

第一章，绪论。首先介绍了本课题来源、研究意义以及和国内外的研究现状，

并简要的列举了本文的主要研究内容与关键技术，最后对论文的主要内容和论文

组织形式进行了说明。

第二章，系统的构成。首先简单叙述了富 Hg 液相外延生长系统的生长原理及

过程并列举了其主要的控制要求，然后提出本系统的结构设计，分别从硬件、软

件和分布式网络介绍其基本结构。为下面章节的内容作铺垫。

第三章，硬件平台与 PLC 部分的设计。详细分析了本文硬件部分的设计，先

介绍各部分硬件的选型和调试，再重点展开 PLC 对各模块的配置方法，最后介绍

PLC 整体程序流程的设计和部分源程序代码。

第四章，基于 LabVIEW 的软件平台的设计。简述了系统软件部分的主要功能。

在设计上分四个模块来实现这些功能，一是图形化的用户操作界面，它完成界面

及其动作响应；二是 I/O Server，这部分实现与硬件设备的通信；三是过程执行模

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摘要：

摘要西方国家采用碲镉汞红外焦平面技术的侦查、预警和制导系统在航天和常规武器系统中已进入实用化，在技术上遥遥领先于我国目前使用的各类红外探测系统。为了获得集超大规模、多色探测和智能化处理技术于一身的新一代红外焦平面探测技术，迫切需要具有高可靠性的自动化控制装置，来实现大面积材料富Hg热处理技术。本课题在了解了富Hg液相外延生长工艺的基础上，结合了计算机监控和数据采集技术、分布式控制技术和可编程控制器的现场控制技术，设计并开发了一套富Hg液相外延生长炉的控制系统。该系统具有实时监控、数据分析处理、网络化控制管理以及安全保护功能。系统主要分为硬件、软件和分布式结构三个组成部分，本文详尽深入地阐述了这...

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