CC BY
66
та, 1985. С. 255 - 262. 24. Тевяшев А.Д., Гибкина Н.В., Сидоров М.В. Об одном подходе к математическому моделированию плоских стационарных течений вязкой несжимаемой жидкости в конечных односвязных областях // Радиоэлектроника и информатика. 2007. № 2. С. 50 -57.
Поступила в редколлегию 20.12.2007
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Колосов А.И.
Артюх Антон Владимирович, студент группы ПМ-04-1 факультета ПММ ХНУРЭ. Научные интересы: математическое моделирование, математическая физика, численные методы. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-14-36.
УДК546.28 '
АРХИТЕКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ДВУХУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫРАЩИВАНИЕМ СЛИТКОВ КРЕМНИЯ
ОКСАНИЧ А.П., ПЕТРЕНКО В.Р.,
ПРИТЧИН С.Э._______________________________
Рассматриваются вопросы управления процессом выращивания слитков кремния диаметром до 200 мм. Предлагается архитектура двухуровневой системы управления процессом выращивания слитков монокристаллического кремния. Описываются функции подсистем верхнего и нижнего уровней.
Введение
В настоящее время получение слитков кремния, выращиваемых методом Чохральского, качество и диаметр которых соответствует мировым требованиям, возможно только при высоком качестве функционирования системы управления процессом выращивания.
Современные системы управления должны обеспечивать воспроизводимость результатов технологических процессов при достаточно высоких значениях показателей качества выращенных кристаллов, которые определяются техническими условиями и требованиями заказчика. Это может быть достигнуто только путем использования в контурах управления математических моделей с настраиваемыми параметрами систем оперативной идентификации этих моделей и систем оптимизации режимов. При таком подходе до минимума сводится влияние на процесс «человеческого фактора».
Вопросу создания систем управления уделялось достаточно большое внимание с самого начала промышленного производства слитков кремния. Уровень автоматизации на том или ином этапе определялся степенью развития базы и средств вычислительной техники [1-4].
Г ибкина Надежда Валентиновна, канд. техн. наук, доцент кафедры прикладной математики ХНУРЭ. Научные интересы: экономический риск, актуарная математика, математическая физика, оптимальное управление динамическими объектами. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-14-36.
Сидоров Максим Викторович, ассистент каф. прикладной математики ХНУРЭ. Научные интересы: математическое моделирование, математическая физика, теория R-функций и ее приложения. Увлечения и хобби: история культуры. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-14-36.
Достаточно подробный анализ развития автоматизации управления процессом выращивания монокристаллов по методу Чохральского представлен в работе
[5].
Первые системы динамических моделей, описывающих процесс выращивания монокристаллов [4,5], были получены на основе классического подхода к решению задачи идентификации объекта управления. Модель процесса выращивания в пространстве состояний была предложена и развита Г. А. Сатункиным [7,8].
В работах [12-14] развит подход к моделированию передаточных функций, необходимых для регулирования диаметра растущего кристалла, на основе использования класса комбинированных моделей «передаточная функция - шум» [15]. Описание процедуры синтеза схемы регулирования с применением такой модели представлено в [16].
Современные подходы к проектированию эффективных автоматизированных систем управления процессом выращивания слитков по методу Чохральского достаточно подробно изложены в работах [9, 10], а принципы построения системы управления технологическим процессом выращивания бездефектного кремния с поддержанием заданных диаметра и температуры расплава описаны в [11, 12]. Примером реализации этих подходов и принципов может служить автоматизированная система «Кремень» [17]. Именно эксплуатация этой системы позволила выявить дальнейшие пути повышения эффективности систем управления процессом выращивания. Основные из них: замена локальной стойки управления установкой в целях обеспечения возможности реализации ею всех локальных контуров регулирования параметров процесса, оставляя за основной ПЭВМ настройку параметров регуляторов; обеспечение возможности с помощью одной ПЭВМ управлять работой нескольких установок; ведение информационной базы системы на основе использования промышленных СУБД; обеспечение информационной связи с другими технологическими участками производства; применение систем идентификации управляемых процессов и систем адаптации параметров используемых моделей.
РИ, 2007, № 4
49
Реализация этих путей требует построения двухуровневой системы управления.
Целью данной работы является описание архитектуры двухуровневой системы управления группой технологических установок выр ащивания монокристаллов кремния и определение базовой функциональности каждого уровня. Система нижнего уровня базируется на использовании РС - контроллера, а верхнего - на применении ПЭВМ в промышленном исполнении.
1. Обобщенная структура системы управления
Структурная схема системы управления представлена на рис. 1. Здесь приняты следующие обозначения: a -вектор параметров модели процесса; Х - истинное состояние процесса; У -измеряемый выход; U - управляющие воздействия; P - вектор параметров оце-нивателя состояния процесса; K - вектор параметров регулятора; % - оценка состояния процесса;Б - вектор вспомогательных входных воздействий(для возможности идентификации процесса); Ху, иу - режимные уставки.
Модуль идентификации управляемых процессов по результатам обработки измерений у восстанавливает вектор параметров модели процесса a. При этом на вход о бъекта могут подаваться специальным обр азом сформированные входные воздействия D. Процедура идентификации периодически повторяется в целях отслеживания изменяющихся условий.
Модуль адаптации параметров регуляторов позволяет по оценкам состояния процесса % и по вектору параметров модели процесса a настраивать вектор параметров регуляторов K.
Модуль адаптации параметров оценивателей состояния предназначен для того, чтобы в темпе с процессом по информации о параметрах модели процесса а, по измерениям выхода у и по текущим оценкам состояния % уточнять значение вектора параметров Р системы оценивания состояния процесса. Данная система, которая входит в состав подсистемы нижнего уровня, по зашумленным наблюдениям и по модели процесса строит наилучшую в некотором
Рис. 1. Обобщенная структура двухуровневой системы управления
50
РИ, 2007, № 4
смысле оценку состояния. В системе реализованы три типа оценок состояния: сглаживание, фильтрация и прогноз. Выбор типа оценки для каждого канала регулирования определяется характеристиками регулируемого процесса( в первую очередь, временем запаздывания).
Модуль ведения базы данных обеспечивает регистрацию в базе данных системы значений всех контролируемых параметров и управлений в соответствии с заданным регламентом, а также значений показателей качества кристаллов после обработки слитков и информации о готовой продукции. Вся информация, которая зафиксирована в технологической карте слитка, регистрируется в базе данных.
2. Подсистема нижнего уровня
Система управления нижнего уровня обеспечивает автоматическое и ручное управление технологическим процессом выращивания слитков кремния методом Чохральского. В автоматическом режиме управление процессом проводится от этапа затравления до этапа выращивания обратного конуса. В ручном режиме система позволяет оператору (в случае отказа управляющего компьютера) довести процесс выращивания до конца с индикацией основных параметров процесса. Распределение функций по режимам работы приведено в табл. 1.
Система управления нижнего уровня отображает следующие параметры технологического процесса:
- текущее значение температуры расплава и изменение температуры нагревателя;
- текущее значение скорости перемещения штока затравки;
- текущее значение скорости перемещения штока тигля;
- текущее значение частоты вращения штока затравки;
- текущее значение частоты вращения штока тигля;
- длину слитка кремния;
- положение тигля;
- текущее значение диаметра кристалла;
- среднее значение отклонения диаметра кристалла от заданного;
- текущее значение температуры охлаждающей воды на входе и выходе с установки и наличие ее на каждом контуре;
- текущее значение давления инертного газа в камере;
- текущее значение напряжения, тока, мощности нагревателя и сопротивления нагревателя;
- ток нагрузки электродвигателей привода Vт, V з, Wr,
Wз;
- длительность проведения процесса с момента подачи напряжения на нагреватель.
Таблица 1.
Режимы работы подсистемы нижнего уровня
Наименование функций Ручное управление Автомати- ческое управление
1 2 3
1. Включение питающей сети и сигнализации наличия питающей сети + -
2. Световая и звуковая сигнализация наличия охлаждающей воды на каждом контуре + +
3. Включение и световая сигнализация включения форвакуумного насоса + -
4. Включение насоса Рутса, световой сигнализации его включения и блокировки включения насоса Рутса при выключении форвакуумного насоса и увеличения давления в камере + -
5. Включение (отключение) автомата ПТ Д и сигнализации его включения (отключения); + -
6. Включение нагревателя, блокировка включения нагревателя по расходу охлаждающей воды и блокировка включения нагревателя при включении форвакуумного насоса + +
7. Включение и реверс вращения двигателя рабочего перемещения и вращения штоков затравки и тигля, ускоренного перемещения штоков затравки и тигля + +
8. Ограничение перемещения и вращения штока затравки, перемещения штока тигля и блокировка ограничения перемещения штока тигля + +
9. Дистанционное включение (выключение) масляной станции + -
10. Сброс защиты ПТД и сигнализация наличия защиты + +
11. На стойке управления осуществляется регулирование частоты вращения двигателей перемещения и вращения штоков затравки и тигля + +
На рис.2 представлена схема подсистемы нижнего уровня. Объект управления (установка для выращивания слитков кремния ) оснащен устройством вытягивания слитка (УВС), устройством вращения слитка (УОС), устройством подъема тигля (УПТ), устройством вращения тигля (УОТ), телевизионным датчиком диаметра (ТД), пирометрическим датчиком тем-
РИ, 2007, № 4
51
пературы (ПДТ), радиационным измерителем температуры (РДТ). Датчики оборотов двигателей УВС, УОС, УПТ, У ОТ и сами двигатели подключены соответственно к контрольно-управляющим блокам (УК1, УК2, УК3, УК4).
Функции блоков УК приведены в табл. 2. Блоки контроля К1, К2, К3 предназначены для контроля температуры воды на входе и выходе установки, расхода аргона и глубины вакуума.
Таблица 2
Функции контрольно-управляющих блоков
Блок Функция
УК1 Контроль скорости выращивания слитка кремния, формирование управляющего сигнала на двигатель перемещения гибкого штока слитка.
УК2 Контроль частоты вращения слитка кремния, формирование управляющего сигнала на двигатель вращения слитка.
УКЗ Контроль частоты вращения тигля, формирование управляющего сигнала на двигатель перемещения штока тигля.
УК4 Контроль скорости подъема тигля, формирование управляющего сигнала на двигатель вращения штока тигля.
Информация о скорости протока аргона, температуре охлаждающей жидкости в верхней и нижней камерах, состоянии аварийных реле протока воды поступает на контрольные блоки К1 и КЗ. Информация о состоянии устройств сигнализации, таких как сигнализация открытия верхней и нижней камеры, положение концевых выключателей штоков слитка и затравки, поступает на контрольный блок К2.
Выводы
1. Предложена архитектура двухуровневой автоматизированной системы управления группой технологических установок вытягивания слитков монокристаллического кремния. Определены функции подсистем верхнего и нижнего уровней.
2. На верхнем уровне решаются задачи идентификации управляемых процессов, адаптации параметров регуляторов нижнего уровня, параметров оценивате-ля состояния процесса, формирования оптимальных уставок для регуляторов(оптимизация режимов).
3. Подсистема нижнего уровня предлагаемой системы обеспечивает контроль всех основных технологических параметров, включая температуру расплава и нагревателя, диаметр выращиваемого слитка, температуру воды на входе и выходе, расход аргона, а также управление температурой расплава, диаметром слитка, вращением и подъемом слитка и тигля.
УВС < £>КУ1 1<=Ы
У \ V ( <=d
с=УОС :=:)КУ2
l<^
ЖУ4 <--s (2
>
Связь с
верхним
уровнем
Рис. 2. Структурная схема подсистемы нижнего уровня
52
РИ, 2007, № 4
Литература: 1. Satunkin G.A., Rossolenko S.N. Analysis of dinamics of the controlled crystallization process using the Czochralski method // Cryst. Res. Technol., 1986. Vol.21, n.9. P.1125 - 1138. 2. Бурчас С.Ф., СтадникП.Е., ТимманБ.Л. Автоматизация процессов роста кристаллов// ВНИИ монокристаллов (Хим. Пром. Монокристаллы и особо чистые в-ва. Обз. инф.): М.: НИИТЭХИМ, 1984. 69 с. 3. Стадник П.Е., Суздаль В.С., Заславский Б.Г. Об автоматизации процессов получения кристаллов больших размеров// Получение и свойства кристаллов. Харьков, ВНИИ монокристаллов: 1986. №17. С. 91-105. 4. Лейбович В.С. Математические модели в АСУТП. Вып. 47 // М.: Энергоиздат, 1983. 5. Татарченко В.А. Устойчивый рост кристаллов. / / М.: Наука, 1988. 310 с. 6. Суздаль В.С., Стадник П.Е. Системы управления процессами получения монокристаллов из расплава // Под ред. В. П. Семиноженко // «Функциональные материалы для науки и техники», Харьков, Институт монокристаллов: 2001. С. 514-525. 7. Satunkin G.A. Mathematical modilling and control sustem disign of Czochralski and lignid encapsulated Czochralski process: the basic low order mathematical model.// J. Crystal, Growth: 1995. Vol. 154. Р. 172-188. 8. Satunkin G.A., Leonov A.G. Weigting control of the avtomatic crystallization process from the melt. // J. Crystal Growth: 1990, v. 102, pp. 592-608.
9. Пузанов Н. И., Эйдензон А. М. Опасные микро дефекты в верхней части слитков кремния большого диаметра // Неорганические материалы: 1997. Т. 33, №8. С. 912 - 917.
10. Оксанич А.П., Петренко В.Р. Автоматизация выращивания монокристаллов полупроводников по методу Чох-ральского // В сб. «Научные труды КГПИ»: Кременчуг: КГПИ, 2000, вып 1/(8). С. 364-367. 11. Oksanich A.P., Pritchin S.E., Vdovichenko N.D. Principles of the control system for dislocation-free silicon single crystal diameter and melt temperature // Functional materials: 2001. Vol. 8, №2. Р. 377380. 12. Оксанич А.П., Петренко В.Р. Автоматизация и моделирование процессов выращивания структурно-совершенных монокристаллов кремния большого диаметра // АСУ и приборы автоматики. 2001. Вып. 117. С. 165175. 13. ОксаничА.П., Петренко В.Р. Разработка стохасти-
ческих моделей передаточных функций для системы управления процессом выращивания монокристаллов кремния большого диаметра // Вестник Херсонского государственного технического университета: Херсон, 2002. Вып. 2(15). С. 360 - 363. 14. Оксанич А.П., Петренко В.Р. Оценивание адекватности стохастических моделей передаточных функций системы управления процессом выращивания монокристаллов кремния //Нові технології. Науковий вісник Інституту економіки та нових технологій. 2004. №3(6). С. 12-14. 15. Петренко В.Р. Синтез схемы регулирования диаметра слитка кремния в процессе выращивания по методу Чохральского // Праці ЛВ МАІ, 2005. №1 (10). С. 77- 80. 16. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление/ Под ред. Писаренко. М.: Мир, 1974. Вып.2. С.197. 17. ОксаничА.П., ПетренкоВ.Р., Притчин С.Э. Автоматизированная система управления процессом выращивания совершенных монокристаллов кремния по методу Чохральского (АСУ «Кремень») // Нові технології. Науковий вісник Інституту економіки та нових технологій. 2002. №1(1). С. 7-13.
Поступила в редколегию 19.12.2007
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Гордиенко Ю.Е.
Оксанич Анатолий Петрович, д-р техн. наук., про ф., ректор Кременчугского университета экономики, информационных технологий и управления, зав. кафедрой компьютеризированных систем автоматики. Научные интересы: методы и средства контроля структурного совершенства монокристаллов полупроводников.
Петренко Василий Радиславович, канд. техн. наук, доцент, проректор по начной работе, зав. кафедрой информатики Кременчугского университета экономики, информационных технологий и управления. Научные интересы: автоматизация процессов управления.
Притчин Сергей Эмильевич, канд. техн. наук, доцент, проф. кафедры компьютеризированных систем автоматики. Научные интересы: автоматизированные системы управления технологическими процессами.
УДК629.13
МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЦЕНТРА МАСС КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА И ПРИНЦИПЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
КАЧУР С.А.
Рассматривается задача построения модели движения космического аппарата (КА) в целях повышения точности расчета траектории при межпланетных полетах. Приводятся соображения относительно справедливости законов Ньютона при движении КА с несубсветовыми скоростями.
1. Введение
Рассмотрение различных типов управления движением космического аппарата (КА) начинается с задачи получения заданной траектории полета (управление движением центра масс)[1-3].
Актуальность исследования. При расчете траектории полета возникает задача коррекции орбиты, фактически приобретенной КА, и приближение ее к орбите, необходимой для выполнения программы полета. Причинами отклонения траектории полета от расчет-
РИ, 2007, № 4
ной указывают [1]: 1) достижение требуемой скорости (ее величины и направления) с некоторой технически возможной точностью; 2) сложность определения абсолютно точно точки отделения ракеты-носителя от КА; 3) долговременное действие малых сил по сравнению с «обычной» гравитационной силой взаимодействия небесных тел. После того, как эволюция орбиты приведет к недопустимым отклонениям от заданной, возникает потребность в проведении ее коррекции.
Цель исследования — поиск модели движения КА как один из путей, позволяющих повысить точность расчета траектории полета при межпланетных полетах.
Постановка задачи. Уравнения трехмерного движения центр а масс КА в прямоугольной системе координат с началом в центре Земли при учете притяжения Земли и Солнца имеют вид [4]
x + fM—- = Px - fmj r3
y + fM^3 = Py - fm r3
Z + fM— = Pz -fmi r3 Z 1
(
x ~ x1 ,
3 3
V r1 r10,
(
y ~ y1 , У1
3 3
v r1 r10
(
z - Z1 , _z1_ 3 3
V r1 r10,
\ ( \
- fm2 / x - x2 ! x2 3 3 1 r2 r20 J
\ ( >
- fm2 y - y 2 . y 2
/ 1 r2 r20,
( \
- fm2 z - z2 . z2 3 3 ’ у r2 r20)
(1)
53
