Sapphire technology EFG growth management Software

1. Российская академия наук
Федеральное государственное унитарное предприятие
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ЗАВОД НАУЧНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
со Специальным конструкторским бюро
УТВЕРЖДАЮ
Гл. инженер ФГУП ЭЗАН
______________А.А. Апаршин
_________________2004 г.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ “АЛМАЗ”
Руководство пользователя программного комплекса
автоматического выращивания
профилированных кристаллов
КУНИ.442199.001 Д5
2004 г.

2. Первичная применяемость
СОДЕРЖАНИЕ
1 Общие сведения…………………………………………………………………...... 4
1.1 Требования к компьютеру…………………………………………………....... 4
1.2 Состав программы………………………………………………………............. 4
1.3 Установка программы……………………………………………….................. 4
1.4 Первый запуск…………………………………………………………………... 4
1.5 Управляющие элементы программы…………………….…………….............. 4
2 Главное меню……………………………………………………………………….. 5
2.1 Файл………………………………………………………………….………....... 5
Справочный №
2.2 Настройка……………………………………………………………………....... 5
2.3 Команды……………………………………………………………………......... 6
2.4 Панели ………………………………………………………………………....... 6
2.5 Окна…………………………………………………………………………........ 7
2.6 Справка………………………………………………………………………....... 7
3 Панели инструментов……………………………………………………………... 7
3.1 Панель “Процесс” ……………………….…………………………………....... 8
3.2 Панель “Настройка и управление”…………………………………………...... 8
3.3 Панель “Отображение параметров”………………………………………........ 9
3.4 Панель управления окнами…………………………………………………...... 10
3.5 Строка состояния……………………………………………………………...... 10
Взам.Инв.N Инв.№ дубл. Подпись и дата
Инв. № подл. Подпись и дата
КУНИ.442199.001 Д5
Изм. Лист № докум. Подпись Дата
Разраб. Юдин Литера Лист Листов
Пров. Ивлев Программное обеспечение 1 31
Т.контр “Алмаз”
Н.контр. Калигина
НТБ ЛРК
Утв. Бородин
ФГУП ЭЗАН

3. 4 Диалоги управления процессом роста………………………………………….. 10
4.1 Панель управления процессом роста…………………………………………. 11
5 Диалоги ввода параметров………………………………………………………... 12
5.1 Настройка интервалов и фильтров……………………………………………. 12
5.2 Настройка программы…….………….………………………….......…………. 12
5.3 Настройки процесса……………………………………………………............. 13
6 Пульт ручного управления……………………………………….......................... 14
7 Окна графического представления информации……………………................ 15
8 Окно численного представления данных…………………………………......... 16
9 Настройка Алгоритмов автоматизации технологических режимов….......... 17
9.1 Режимы "Нагрев"…………………….…………………………………………. 18
9.2 Режим “Поднятие тигля”………………………………………………………. 19
9.3 Режим “Затравливание”……………………………………………………....... 19
9.4 Режим “Рост”…………………………………………………………………… 22
9.4.1 Настройка расписания сечения кристаллов………………………………… 25
9.4.2 Настройка регуляторов ……………………………………………………… 26
9.5 Режим "Отрыв"…………………………………………………………………. 26
9.6 Режим “Охлаждение”………………………………………………….............. 27
Взам.Инв.N Инв.№ дубл. Подпись и дата
Инв. № подл. Подпись и дата
Лист
КУНИ. 442199.001 Д5
2
Изм. Лист № докум. Подпись Дата

4. 10 Процесс выращивания………………………………………………………….
28
10.1 Запуск программы…………………………………………………………... 28
10.2 Плавление загрузки тигля………………………………………………….. 28
10.3 Поднятие тигля……………………………………………………………… 28
10.4 Затравливание………………………………………………………………. 28
10.5 Автоматическое управление процессом роста…………………………… 29
10.6 Управление процессом роста при помощи полуавтомата………………. 29
10.7 Управление процессом роста при помощи полуавтомата для Степанова 29
10.8 Ручное управление процессом роста……………………………………… 30
10.9 Отрыв кристаллов от формообразователя………………………………… 30
10.10 Охлаждение………………………………………………………………... 30
10.11 Завершение программы…………………………………………………… 30
11 Калибровка датчика веса………………………………………………........... 30
Взам.Инв.N Инв.№ дубл. Подпись и дата
Инв. № подл. Подпись и дата
Лист
КУНИ. 442199.001 Д5
3
Изм. Лист № докум. Подпись Дата

5. 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Программный комплекс “Алмаз” является управляющей программой для
ростовой установки “NIKA-S” и осуществляет автоматическое управление
процессом выращивания кристаллов методом Степанова и реализует
возможность "сквозной автоматизации" всего ростового процесса, начиная от
плавления шихты и заканчивая постепенным охлаждением выращенных
кристаллов.
Для работы с программой оператор установки должен обладать
начальными навыками работы с программными продуктами Microsoft.
Некорректное использование программы может привести к порче ростового
оборудования или выходу из строя компьютера.
1.1 Требования к компьютеру
Компьютер должен обладать процессором класса Pentium или выше.
Быстродействие от 166MHz, 100 Mb свободного места на жестком диске. На
компьютере должна быть установлена операционная система Windows 98.
1.2 Установка программы
Установка программы производится путем копирования папки с файлами
программы в специально созданный каталог.
1.3 Состав программы
В состав программы входят следующие файлы:
1) Diamond.exe – программа управления;
2) PlantDrv.dll – файл драйвера устройств управления ростовой установкой;
3) PlantDrv.ini – настроечный файл драйвера;
4) FindPID.exe – вспомогательный файл.
1.4. Первый запуск
Для запуска программного комплекса “Алмаз” необходимо запустить
программу Diamond.exe. При первом запуске программы возможно неоптимальное
расположение панелей инструментов, в этом случае их требуется разместить
нужным образом. При последующих запусках программы будет восстановлено
последнее расположение окон, панелей и т.д.
1.5 Управляющие элементы и поля индикации программы
К управляющим элементам относятся:
1) меню;
2) панели инструментов;
3) диалоги;
4) панель управления аппаратурой.
Поля индикации:
1) строка состояния;
2) окна графического представления данных (динамические графики);
3) окно численного представления данных.
4

6. 2 Главное меню
Файл – используется для открытия и сохранения файлов данных
предварительных настроек процесса роста и данных настройки регулятора, а так
же для выхода из управляющей программы.
Настройка – этот раздел главного меню содержит команды настройки
режимов процесса роста, фильтров, регулятора, а также для настройки
программы.
Команды – используется для включения/отключения записи текущих
параметров процесса в файл протокола, обнуления показаний датчика веса и
счетчиков перемещения и угла поворота верхнего штока и тигля, а так же для
активации ручного режима управления перемещением и вращением штока и
тигля.
Панели – отображение панелей инструментов.
Окна – меню служит для вызова динамических графиков параметров
процесса, для упорядочения отображенных окон с графиками, а так же для
выбора активного окна.
Справка – меню помощи.
2.1 Файл
Этот пункт меню содержит следующие команды:
Новый процесс Используется для сброса всех текущих настроек
алгоритмов ростового процесса.
Загрузить процесс Используется для открытия файла настроек
алгоритмов автоматизации режимов ростового
процесса, а так же физических параметров кристалла.
Стандартный диалог Windows.
Сохранить процесс как Используется для сохранения в файл настройки
алгоритмов автоматизации режимов ростового
процесса, а так же физических параметров кристалла.
Стандартный диалог Windows.
Выход Выход из программы.
2.2 Настройка
Режимы процесса Вызов диалога ввода мощности нагрева согласно
кусочно-линейным функциям времени, диалога
настройки автоматизации процессов поднятия тигля,
затравливания, роста, отрыва и охлаждения; диалога
выбора метода выращивания и настройки регулятора.
Также в этом окне производится настройка
физических параметров кристалла и присваивается
заголовок данному процессу.
5

7. Настройка интервалов Вызов диалогового окна настройки периода опроса
и фильтров датчика веса, периода управления и фильтров для
весового сигнала, производной веса, рассогласования
управления и производной рассогласования
управления.
Настройка регулятора Вызов диалога для настройки текущих значений
регулятора.
Настройка программы Вызов диалога для настройки «горячих» клавиш
управления, а также для калибровки датчика веса.
2.3 Команды
Используется для включения/отключения записи текущих параметров
процесса в файл протокола, обнуления показаний датчика веса и счетчиков
перемещения и вращения верхнего и нижнего штока, а так же для активации
ручного режима управления перемещением и вращением штоков.
Сохранять протокол Включение/отключение записи текущих параметров
процесса в файл протокола.
Обнулить вес Обнуление показаний датчика веса.
Обнулить Обнуление показаний счетчика перемещения верхнего
перемещение штока штока.
Обнулить угол Обнуление показаний счетчика угла поворота верхнего
поворота штока штока.
Обнулить Обнуление показаний счетчика перемещения нижнего
перемещение тигля штока.
Обнулить угол Обнуление показаний счетчика угла поворота нижнего
поворота тигля штока.
Ручное управление Включает ручной режим управления перемещением и
вращением штока и тигля.
2.4 Панели
Этот пункт меню служит для отображения соответствующих панелей.
Процесс Отображает/скрывает панель настройки процесса
роста.
Настройка и управление Отображает/ скрывает панель команд.
Отображение Отображает/скрывает панель управления
параметров графиками.
Окна Отображает/скрывает панель упорядочения
активных окон.
Пульт Отображает/ скрывает пульт управления
процессом роста.
Полуавтомат Отображает/ скрывает диалог полуавтомата для
проведения автоматического выращивания
кристалла по заданной производной веса.
Полуавтомат для Отображает/ скрывает диалог полуавтомата для
Степанова проведения автоматического выращивания
кристалла методом Степанова по заданной
площади поперечного сечения кристалла.
6

8. 2.5 Окна
Пункт является стандартным для MDI приложения. Состоит из команд:
Показать реальный и Вызывает окно с графиками реального и
фильтрованный вес сглаженного при помощи фильтра скользящего
усреднения веса кристалла.
Показать реальную и Вызывает окно с графиками реальной и
модельную производную модельной производной по времени веса
веса кристалла.
Показать мощность Вызывает окно с графиком мощности.
Показать рассогласование Вызывает окно с графиком рассогласования
управления регулирования.
Показать интеграл Вызывает окно с графиком интеграла
рассогласования рассогласования регулирования.
управления
Показать производную Вызывает окно с графиком производной
рассогласования рассогласования регулирования.
управления
Показать спектр сигнала Вызывает окно со спектром сигнала веса.
веса
Показать отладочную Вызывает окно с отображением информации о
информацию текущем состоянии регулятора.
Каскадом Упорядочить окна с перекрытием.
Горизонтально Упорядочить окна горизонтально.
Вертикально Упорядочить окна вертикально.
Упорядочить свернутые Упорядочить свернутые окна.
2.6 Справка
Вызов подсказки:
Вызов справки Справка по работе с программой.
О программе О программе, стандартный диалог.
3 ПАНЕЛИ ИНСТРУМЕНТОВ
Процесс Используется для открытия и сохранения файлов с данными
процесса роста, вызова диалога настройки процесса, а также
для настройки интервалов и фильтров для динамических
графиков.
Настройка и Используется для текущей настройки регулятора, настройки
управление «горячих» клавиш, включения и отключения записи данных
процесса роста в файл, обнуления счетчиков перемещения и
вращения, аварийной остановки всех двигателей и для
активации диалога ручного управления.
Отображение Управление выводом информации о процессе роста.
параметров
Окна Стандартные операции работы с окнами.
7

9. 3.1 Панель “Процесс”
Используется для сброса всех текущих настроек
Сбросить алгоритмов ростового процесса.
настройки процесса
Используется для открытия файла настроек алгоритмов
Открыть файл
автоматизации режимов ростового процесса, а так же
физических параметров кристалла. Стандартный диалог
Windows.
Используется для сохранения в файл настройки
Запись файла
алгоритмов автоматизации режимов ростового
под именем
процесса, а так же физических параметров кристалла.
Стандартный диалог Windows.
Вызов диалога настройки параметров процесса роста.
Настроить
режимы ростового
процесса
Вызов диалогового окна настройки периода опроса
Настроить датчика веса, периода управления и фильтров для
интервалы времени весового сигнала, производной веса, рассогласования
и фильтров управления и производной рассогласования
управления.
3.2 Панель “Настройка и управление”
Вызов диалога настройки текущих параметров
Настройка регулятора.
регулятора
Вызов диалога настройки «горячих» клавиш и
Настройка калибровки датчика веса.
программы
Включение/отключение записи текущих параметров
С Сохранять процесса в файл протокола.
протокол
Обнуление показаний датчика веса.
Обнулить вес
Обнуление показаний счетчика перемещения верхнего
Обнулить штока.
перемещение штока
8

10. Обнуление показаний счетчика угла поворота верхнего
Обнулить угол штока.
поворота штока
Обнуление показаний счетчика перемещения нижнего
Обнулить штока.
перемещение тигля
Обнуление показаний счетчика угла поворота нижнего
Обнулить угол штока.
поворота штока
Аварийная остановка всех двигателей.
Остановить все
двигатели
Включение ручного режима управления ускоренным
Ручное перемещением и вращением верхнего и нижнего штоков
управление при подготовке установки к процессу роста.
3.3 Панель “Отображение параметров”
Эта панель содержит команды вызова динамических графиков параметров
процесса и таблицы численного представления параметров.
Вес Вызывает окно с графиками реального и
Реальный и сглаженного при помощи фильтра скользящего
фильтрованный вес усреднения веса кристалла.
Вызывает окно с графиками реальной и модельной
Производная веса производной по времени веса кристалла.
Вызывает окно с графиком мощности.
Мощность
Вызывает окно с графиком рассогласования
Рассогласование регулирования.
регулирования
Вызывает окно с графиком интеграла
Интеграл рассогласования регулирования.
рассогласования
регулирования
Вызывает окно с графиком производной
Производная рассогласования регулирования.
рассогласования
регулирования
Вызывает окно с графиком спектра сигнала веса.
Спектр сигнала
веса
Вызывает окно с информацией о текущем
Отладочная состоянии регулятора.
информация
Вызывает окно численного отображения
Параметры параметров процесса.
процесса
9

11. 3.4 Окна (панель управления окнами)
Панель Окна содержит следующие команды:
Упорядочить окна с перекрытием.
Упорядочить
каскадом
Расположить окна горизонтально без перекрытия.
Упорядочить
горизонтально
Упорядочить Расположить окна вертикально без перекрытия.
вертикально
Упорядочить значки (минимизированные окна).
Упорядочить
свернутые
3.5 Строка состояния
Строка состояния служит для отображения состояния процесса и содержит
следующие поля:
1) состояние процесса: отображение значка говорит о неисправности
канала управления весом либо канала управления двигателями;
2) поле индикации веса W, (граммы);
3) поле индикации фильтрованного веса Wf, (граммы);
4) поле индикации мощности P, (коды);
5) поле индикации длины перемещения верхнего штока S, (мм);
6) поле индикации угла поворота верхнего штока SR, (град);
7) поле индикации перемещения нижнего штока C, (мм);
8) поле индикации угла поворота нижнего штока CR, (град);
9) текущее время.
4 ДИАЛОГИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РОСТА
Пульт Используется для управления процессом выращивания
кристалла.
Полуавтомат Диалог для проведения автоматического выращивания
кристалла по заданной производной веса.
Полуавтомат Диалог для проведения автоматического выращивания
для Степанова кристалла методом Степанова по заданной площади
поперечного сечения кристалла.
Описания диалогов полуавтомата и полуавтомата для Степанова
приведены в 9.6 и 9.7 соответственно.
10

12. 4.1 Панель управления процессом роста
Панель управления служит для отображения и
контроля следующих параметров:
1) скорость перемещения верхнего и нижнего
штока, мм/мин (mm/min);
2) скорость вращения верхнего и нижнего
штока, об/мин (rpm);
3) максимальное расстояние, на которое
возможно переместить шток и тигель (данный
параметр играет роль так называемых «программных
концевиков» - ограничителей хода верхнего и нижнего
штоков), мм (mm);
4) мощность нагрева, коды;
5) текущий режим роста;
6) состояние регулятора.
Значения скоростей перемещения/вращения
верхнего штока и тигля, а также величину мощности
можно изменять путем непосредственного ввода
значения в соответствующее окно и нажатием клавиши
Enter, либо при помощи функциональных клавиш (см.
ниже). Для плавного изменения скорости двигателя или
мощности нагрева надо в соответствующе окно через
двоеточие ввести начальное значение, конечное значение
и время изменения. Например, если в окно задания
скорости перемещения штока ввести 0.83:5:10 , то
скорость верхнего штока будет изменяться с 0,83 до 5
мм/мин в течение 10 минут. Для прекращения изменения скорости надо
установить курсор в это окно и нажать клавишу Enter. При этом шток продолжит
движение с той скоростью, которая была на момент нажатия клавиши Enter.
На этой панели отображается текущий режим роста: ручной, нагрев,
затравливание, разращивание, рост, охлаждение (выделяется жирным шрифтом),
и наличие автопереключения между режимами, которое означает, что по
завершении текущего режима автоматически запускается следующий ( для
активации автопереключения необходимо установить метку напротив
соответствующего режима).
Для более удобного управления процессом роста используются следующие
функциональные, так называемые «горячие», клавиши, настройка которых
производится в соответствующем меню:
F1 – для уменьшения мощности нагрева;
F2 – для увеличения мощности нагрева;
F3 – для остановки перемещения верхнего штока;
F4 – для остановки вращения верхнего штока;
F5 – для уменьшения скорости подъема верхнего штока;
F6 – для увеличения скорости подъема верхнего штока;
F7 – для уменьшения скорости вращения верхнего штока;
F8 – для увеличения скорости вращения верхнего штока;
F9 – для уменьшения скорости подъема нижнего штока;
F10 – для увеличения скорости подъема нижнего штока;
F11 – для уменьшения скорости вращения нижнего штока;
F12 – для увеличения скорости вращения нижнего штока.
11

13. 5 ДИАЛОГИ ВВОДА ПАРАМЕТРОВ
5.1 Настройка интервалов и фильтров
Для задания интервалов и фильтров предназначена команда
Настройка/Фильтры и интервалы процесса. Она представляет собой
диалоговое окно для ввода следующих параметров:
1) период опроса – интервал времени между двумя последующими
опросами датчика веса, с;
2) период управления (количество периодов опроса) - интервал времени
между двумя последующими управляющими воздействиями по мощностному
каналу. Так, например, если период опроса равен 2, а период управления 10,
то интервал времени между двумя последующими воздействиями по
мощности будет составлять 20 секунд (данный параметр действителен только
в случае ПИД- управления мощностью нагрева);
3) величина фильтра для весового сигнала;
4) величина фильтра для производной веса;
5) величина фильтра для рассогласования управления;
6) величина фильтра для производной рассогласования управления.
Следует отметить, что величина фильтров может изменяться в пределах
от 0 до 1. Т.е. нулевое значение фильтра означает отсутствие фильтрации
данного параметра, а 1 – соответствует максимальному значению фильтра.
Типичные значение фильтров приведены на рисунке.
5.2 Настройка программы
При выборе команды Настройка/Настройка программы на экране
появляется диалоговое окно, в котором производится настройка «горячих»
клавиш управления: настраивается величина шага изменения мощности нагрева и
скорости перемещения/вращения штока при одном нажатии на соответствующие
клавиши управления. Здесь также производится калибровка датчика веса (см.
пункт 11).
12

14. 5.3 Настройки процесса
Команда меню Настройка/Режимы процесса используется для вызова
диалога, предназначенного, главным образом, для настройки режимов ростового
процесса (см. 9.1 – 9.6). Но здесь также задаются параметры, общие для всех
режимов роста и присваивается имя данному процессу:
1) плотность кристалла, г/cм3;
2) плотность расплава, г/cм3;
3) сечение тигля, мм2;
4) загрузка шихты, кг;
5) капиллярная постоянная, мм;
6) угол роста, град.
13

15. 6 ПУЛЬТ РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Пульт ручного управления вызывается на экран при помощи команды меню
Команды/Ручное управление и используется для более удобного управления
двигателями перемещения/вращения при подготовке теплового узла к
проведению процесса роста.
Для начала перемещения, например, верхнего штока необходимо
поставить метку рядом с полем задания скорости перемещения штока (мм/мин),
указать нужную скорость, нажать клавишу Enter и нажать кнопку “Старт”. Теперь
пуск двигателя осуществляется нажатием на клавишу мыши, причем при нажатии
на правую клавишу шток перемещается вниз, а на левую – вверх. Остановка
двигателя производится нажатием на любую клавишу мыши. Выход из этого
режима производится нажатием клавиши Esc.
Остальные четыре пункта идентичны между собой. При выборе любого из
них и нажатии на кнопку Start мышь прекращает выполнять обычные функции и
превращается в своеобразный пульт. Нажатие на правую кнопку мыши означает
перемещение вниз или вращение в отрицательном направлении, нажатие на
левую – перемещение вверх или вращение в положительном направлении.
Повторное нажатие любой из этих кнопок приводит к остановке двигателя.
14

16. 7 ОКНА ГРАФИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Таких окон всего восемь. На каждом из них выводится один либо два
графика. При этом текущее значение указывается в заголовке окна. Каждое из
окон может настраиваться индивидуальным образом при помощи всплывающего
меню.
Настраиваются пять цветов и период вывода информации. Вывод
производится один раз в период опроса или один раз в период управления.
Цвета настраиваются при помощи стандартного диалога:
1) цвет линий;
2) цвет основного фона окна;
3) цвет текста окна;
4) цвет сетки;
5) цвет нулевой отметки.
При работе с окном можно изменять масштаб и положение графика при
помощи клавиатуры. Для этого используются кнопки PgUp, PgDown и стрелки
вверх, вниз, влево или вправо. Клавиша PgUp увеличивает выводимый диапазон
(соответственно, график становится меньше), клавиша PgDown – уменьшает.
Стрелки сдвигают диапазон вывода в соответствующую сторону.
Пункт “Автослежение”. Включает слежение за графиком. При достижении
крайнего значения пределы сдвигаются на четверть диапазона.
Пункт “Шкала пользователя”. Жестко задаваемые пределы (При помощи
клавиш PgUp, PgDown).
Пункт “Автошкала”. Пределы графиков определяются минимальным и
максимальным значениями выводимых аргументов.
15

17. После разделителя находятся еще два пункта: Период опроса и Период
управления. Состояние этих пунктов определяет, с какой частотой производится
вывод информации: один раз в период опроса или один раз в период управления.
В нижней строке всплывающего меню можно отобразить/скрыть легенду с
пояснением для выводимых графиков в данном окне.
8 ОКНО ЧИСЛЕННОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ
Окно численного представления данных вызывается только на панели
«Отображение параметров» и содержит стандартный элемент Windows –
графический список. Размеры колонок настраиваются при помощи мыши.
Данные вносятся в верхнюю строку таблицы и по мере поступления новых
сдвигаются вниз, а по прошествии некоторого времени вытесняются из таблицы.
Данные могут сохраняться в файле, для чего необходимо нажать
соответствующую клавишу на панели инструментов.
Для просмотра данных, не вместившихся на экране, имеются полосы
прокрутки.
16

18. 9 НАСТРОЙКА АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ
Модуль автоматического управления для процесса выращивания
кристаллов методом Степанова реализует возможность "сквозной автоматизации"
всего ростового процесса, начиная от плавления шихты и заканчивая
постепенным охлаждением выращенных кристаллов.
Рассмотрим протекание всего технологического процесса выращивания
кристаллов методом Степанова при ручном управлении и выделим отдельные
технологические режимы. На рисунке 1 представлена последовательность
процесса выращивания кристаллов.
Нагрев Поднятие тигля Затравливание
Разращивание Вытягивание Отрыв Охлаждение
Рисунок 1. Процесс группового выращивания кристаллов методом Степанова.
Весь процесс выращивания кристаллов методом Степанова можно
разделить на следующие технологические режимы:
1) нагрев;
2) плавление шихты;
3) поднятие тигля в исходное положение;
4) затравливание;
5) разращивание;
6) вытягивание;
7) отрыв выросшего кристалла(ов) от формообразователя;
8) охлаждение.
Для автоматизации представленных технологических режимов были
реализованы следующие алгоритмы.
17

19. 9.1 Режим "Нагрев"
Режим "нагрев" предназначен для разогрева и плавления шихты в
автоматическом режиме. Автоматизация данного режима заключается в
предоставлении технологу возможности задавать зависимость изменения
мощности нагрева во времени. В разработанном программном обеспечении
задание этой зависимости осуществляется в виде кусочно-линейного закона.
Для настройки режима “Нагрев” необходимо воспользоваться командой
меню Настройка/Режимы процесса (данная команда представляет собой
диалоговое окно с закладками различных режимов ростового процесса) и выбрать
закладку Нагрев.
В этом диалоге задается расписание нагрева теплового узла в виде
временных зон, в каждой из которых задается временной интервал для изменения
мощности и конечное значение мощности нагрева. В качестве начального
значения мощности используется ее текущее значение. Для последующих строк
расписания нагрева начальная мощность равна конечной из предыдущей строки.
Для каждой последующей стадии нагрева временной интервал следует указывать
с учетом предыдущих циклов, т.е. на представленном примере разогрев до 500
кодов происходит за 10 мин, а с 500 до 1800 кодов за 20 мин. Таким образом, в
последней строке расписания указывается общее время нагрева.
Возможны следующие операции:
Добавить – кнопка “Добавить” добавляет новое значение в конец таблицы.
Изменить – кнопка “Изменить” изменяет текущую строку. Возможен вызов
двойным щелчком мыши на соответствующей строке.
Удалить – кнопка “Удалить” удаляет текущую строку.
Для выхода из диалога применяются кнопки Ok (с сохранением изменений)
или Отмена (без сохранения).
18

20. 9.2 Режим “Поднятие тигля”
Настройка данного режима производится в диалоге «Настройка процесса» -
закладка Поднятие тигля.
Используется для поднятия тигля с расплавом на величину, достаточную
для того, чтобы формообразователь погрузился в расплав. В этом диалоге
задается скорость поднятия тигля и величина его перемещения до начала
процесса затравливания.
Для выхода из диалога применяются кнопки Ok (с сохранением изменений)
или Отмена (без сохранения).
9.3 Режим “Затравливание”
Затравливание является чрезвычайно важной технологической процедурой,
надлежащее выполнение которой во многом определяет отсутствие блочной
структуры в кристаллах. При затравливании следует обеспечить необходимую
площадь контакта поверхности формобразователя с затравочным кристаллом
через образовавшийся жидкий мениск и оптимальный температурный режим на
момент начала вытягивания.
Блок-схема алгоритма затравливания представлена на рисунке 2. Алгоритм
затравливания состоит из двух частей. Первая часть (цикл до касания с
формообразователем и цикл подплавления при холодном касании) служит для
детектирования поверхности формообразователя по достаточно резкому
изменению показаний датчика при контакте с ней затравочного кристалла,
опускающегося со скоростью V1 . Если первый контакт происходит без
образования жидкого мениска, что сопровождается падением значения
регистрируемого веса ниже параметра настройки W1 min , перемещение штока
прекращается и проводится цикл подготовительного подогрева. При образовании
жидкого мениска в области первого контакта показания датчика W возвращаются
на прежний уровень близкий к W0 , что служит условием начала выполнения
основного цикла затравливания, необходимого для гарантированного контакта
затравочного кристалла с поверхностью формообразователей с образованием
жидких менисков. Шток возобновляет движение вниз, но уже со значительно
меньшей скоростью V3 . Включается счетчик пройденного затравочным
кристаллом расстояния и регистрируется производная весового сигнала. В
основном цикле происходит касание затравочным кристаллом новых рабочих
поверхностей. Из-за неоднородности прогрева всего формообразующего
19

21. устройства возможен контакт без образования жидкого мениска, в этом случае
также проводится цикл дополнительного подогрева. Вычисление производной
весового сигнала позволяет точнее наблюдать монотонность увеличения веса при
затравливании. Температурный режим затравливания косвенно задается
величиной dWmin . Процесс затравливания считается завершенным при
перемещении штока на расстояние, превышающее параметр Lmax , который
выбирается исходя из величин разброса в длине затравочных кристаллов и
объема жидкого мениска, исключающего отрыв от формообразователя в начале
вытягивания.
Рисунок 2. Блок-схема алгоритма затравливания
20

22. Настройка режима “Затравливание” производится в диалоге «Настройка
процесса» - закладка Затравливание.
Режим “Затравливание” разделен на четыре взаимосвязанных цикла:
• Цикл до касания затравочного кристалла с формообразователем.
В этом цикле задаются следующие параметры:
- скорость опускания штока до первого касания затравки с
формообразователем, мм/мин;
- отрицательный прирост веса, г, т.е. показания датчика силы при
“холодном” затравливании, при котором необходимо остановить перемещение
штока и перейти к циклу дополнительного подогрева;
- положительный прирост веса, г, т.е. показания датчика силы при
“горячем” затравливании, при котором необходимо перейти к основному циклу
затравливания.
• Цикл подплавления при холодном касании. В этом цикле задаются
следующие параметры:
- изменение мощности, коды, т.е. величина увеличения мощности
нагрева при холодном касании;
- пауза, мин: интервал времени, в течение которого будет удерживаться
заданное значение мощности. По истечении этого периода времени в
зависимости от показаний датчика веса либо продолжается цикл подогрева, либо
осуществляется переход к основному циклу затравливания;
- предельный прирост веса, г. Разница показаний датчика силы в момент
начала данного цикла и текущего значения веса. При показании датчика силы
равному этому значению завершается цикл подплавления и осуществляется
переход к основному циклу затравливания.
• Основной цикл затравливания:
- скорость опускания штока, мм/мин т.е. скорость вплавления
затравочного кристалла в формообразователь;
- минимальная производная веса, г/с. При значениях производной веса
меньше этого значения, осуществляется остановка основного цикла
затравливания и переход к циклу подплавления;
- необходимое перемещение штока, отсчитываемое с момента касания
затравочным кристаллом формообразователя, обеспечивающее образование
менисков расплава между затравочным кристаллом и всей формообразующей
21

23. поверхностью. Этот параметр выбирается исходя из перекоса затравочного
кристалла относительно формообразователя.
• Цикл дополнительного разогрева. Этот цикл реализуется в том
случае, когда при соприкосновении с формообразователем одна часть затравок
горячая, а другая – холодная (вес вначале затравливания возрастает, а затем
резко падает вниз). Параметры этого цикла идентичны циклу подплавления. Если
текущее значение веса сравнялось с весом начала цикла дополнительного
подогрева минус Предельный прирост веса, то происходит завершение этого
цикла и возврат к основному циклу затравливания.
По окончании процесса затравливания существует возможность
ступенчатого изменения мощности нагрева с последующей выдержкой
временного интервала перед переходом к следующему режиму “РОСТ”. Это
можно использовать, например, в том случае, когда для образования начальной
перетяжки кристалла необходимо немного перегреть жидкий мениск.
Следует отметить, что в начале режима Затравливание происходит
автоматическое обнуление показаний датчика веса, а в начале основного цикла
затравливания обнуляется счетчик перемещения верхнего штока. При наличии
метки в Check-Box Обнулить перемещение штока, по завершении режима
затравливания вновь обнуляется счетчик перемещения верхнего штока.
Для выхода из диалога применяются кнопки Ok (с сохранением изменений)
или Отмена (без сохранения).
9.4 Режим “Рост” – режим разращивания и вытягивания кристалла
Целью автоматического управления является получение кристалла с
заданным профилем расширения от сечения, задаваемого затравочным
кристаллом, до сечения, определяемого кромками формообразующего
устройства, и его дальнейшее поддержание в ходе процесса роста.
Сущность управление профилем кристалла с весовым контролем размера
поперечного сечения и воздействием по каналу мощности нагрева состоит в
следующем. Датчик веса, установленный в верхней части вытягивающего
кристалл штока, регистрирует изменение силы, действующей на кристалл.
Программный блок вычисляет согласно уравнению наблюдения, модельное
значение силы, в котором управляемый параметр (сечение кристалла)
изменяется в соответствии с ранее определенными функциями. Регулятор
определяет рассогласование этих двух значений и вырабатывает сигнал
управления мощностью нагревателя на основе структуры своего алгоритма и
параметров его настройки. Программный модуль вычисляет “невозмущенное”
значение программной производной, соответствующее режиму роста кристалла из
мениска, высота которого лежит выше гидродинамического порога:
S (t ) Sc dS (t ) dΓ(t )
W ′(t ) = S (t )V0 ρ S + S (t )( ρ S V0 − ρ LV c ) + ρL H eff + σ LG cos(α + β ) ,
Sc − Sd Sc − Sd dt dt
t
ρ ∫
S (t )V0 dtt
Sc
Sc − Sd ∫
H eff = H eff 0 + S 0 − Vc dt , (1)
ρ L Sc − Sd 0
здесь ρ S , ρ L - плотности кристалла и расплава, S (t ) - площадь поперечного
сечения кристалла, V0 - скорость вытягивания, S c - площадь дна тигля, S d -
площадь сечения нижней части формообразующего устройства, погруженной в
расплав, Vc -скорость перемещения тигля с расплавом, β - угол наклона профиля
22

24. кристалла к направлению вытягивания, H eff 0 - расстояние между рабочей
поверхностью формообразователя и уровнем расплава в тигле на момент начала
вытягивания. Следует отметить, что при изменении площади сечения кристалла
на стадии его расширения третье слагаемое в (1), отлично от нуля и более того
вносит основной вклад в величину программной производной. Поэтому для
вычисления опорного сигнала в начале процесса, необходимо знать точное
значение H eff 0 , которое должно быть вычислено исходя из массы шихты,
загружаемой в тигель.
Для подавления колебательности управления необходимо ввести так
называемый “мертвый” коридор, и при условии нахождения рассогласования в его
границах блокировать изменение мощности. Наличие такой зоны
нечувствительности к малым рассогласованиям необходимо еще и потому, что
при выращивании группы кристаллов имеет место эффект размытия отклика на
возмущение. Проводить управление следует только при возникновении
рассогласования однозначно указывающего знак управляющего воздействия.
Рисунок 3. Изменение мощности и производной веса при
выращивании в автоматическом режиме
23

25. Параметрами его настройки являются значения границ коридора –dW и
+dW, задержки dT управляющих воздействий -dP и +dP. В ходе испытаний было
установлено, что, обеспечивая устойчивое управление необходимого качества на
стадии роста кристаллов с постоянным сечением, регулятор перегревает
кристаллы на стадии их расширения. Причиной является отличие динамических
характеристик системы при невыполнении условия зацепления. В отличие от
стационарного роста, отклик системы на отрицательное и положительное
воздействие практически симметричен. Поэтому в управляющей программе
используется два набора параметров настройки регулятора: для роста кристаллов
с постоянным сечением и для этапа расширения кристаллов.
На стадии роста кристаллов с постоянным сечением ( S (t ) = const в (1)) к
завершению вытягивания, после остановки перемещения тигля, наблюдается
уменьшение в ширине всех лент без накапливания рассогласования с опорным
сигналом. Для устранения этого эффекта необходимо ввести дополнительной
участок в расписание S (t ) , в котором абсолютное значения модельной площади
поперечного сечения кристаллов увеличить линейно на 10% от начального
значения. Эта поправка в расчете модельной производной связана с тем, что
после остановки перемещения тигля скорость падения уровня расплава
увеличивается, возрастает длина части не погруженных в расплав капиллярных
каналов, что увеличивает коэффициент их сопротивления течению расплава.
Обычно в ходе стационарного процесса роста профилированных
кристаллов наблюдается монотонное изменение мощности нагрева, связанное,
как отмечалось выше, с увеличением площади боковой поверхности. Для
группового процесса роста пластин изменение мощности достаточно хорошо
апроксимируется набором линейных функций. Это дает возможность включить в
обратную связь предиктор управляющего воздействия, то есть заранее
компенсировать возмущение и обеспечить оптимальный тепловой режим. Такой
предиктор был разработан и внедрен управляющую программу.
При управлении регулятором релейного типа в случае серии
последовательных выходов значения регистрируемой производной за одну из
границ “мертвого” коридора автоматически вычисляется линейная зависимость
P (t ) , согласно которой начинает изменяться мощность нагрева. Условием
управления предиктором является нахождение рассогласования внутри коридора.
На рисунке 3 представлено изменение мощности нагрева и производной
регистрируемого веса при управлении регулятором релейного типа и при
управлении предиктором. Следует отметить меньшую амплитуду осцилляций
производной в интервале управления предиктором, что соответствует более
высокому качеству управления.
24

26. 9.4.1 Настройка расписания сечения кристаллов
Для этого предназначена команда Настройка/Режимы процесса закладка
Рост.
Для обеспечения оптимального режима роста в автоматическом режиме
необходимо корректно составить расписание разращивания и дальнейшего роста
кристалла в виде кусочно-линейных функций изменения площади поперечного
сечения пакета кристаллов в зависимости от ростовой длины.
Для этого необходимо ввести в первую строку таблицы расписания
начальную длину (L=0 мм – счетчик ростовой длины автоматически обнуляется в
начале режима Рост) и площадь перекрытия затравочного кристалла и
формообразователя (S=50 мм2). Вторая строка из представленного на рисунке
расписания сечения кристаллов (L=5 мм, S=50 мм2) соответствует образованию
начальной перетяжки. Далее (L=50 мм, S=1100 мм2) – расширение кристаллов к
ростовой длине 50 мм до суммарной площади 1100 мм2. Для обеспечения более
плавного перехода от разращивания к процессу роста кристаллов с постоянным
поперечным сечением ростовая длина, на которой происходит смена
коэффициентов регуляторов, задается немного больше длины расширения
кристаллов по расписанию. Последняя строка расписания (L=360 мм, S=1200 мм2)
– выращивание пакета лент постоянного поперечного сечения, где изменение
площади на 10% связано с увеличением скорости падения уровня расплава в
тигле после остановки его перемещения (см. выше).
Возможны следующие операции:
Добавить – кнопка “Добавить” добавляет новое значение в конец таблицы;
Изменить – кнопка “Изменить” изменяет текущую строку. Возможен вызов
двойным щелчком мыши на соответствующей строке;
Удалить – кнопка “Удалить” удаляет текущую строку.
В данном диалоговом окне необходимо задать еще несколько параметров
ростового процесса:
1) скорость вытягивания кристалла, мм/мин;
2) скорость подъема тигля, мм/мин;
3) расстояние на которое необходимо поднять тигель во время роста, мм;
4) нижнее сечение формообразователя, мм2;
25

27. 5) расстояние от уровня расплава в тигле до рабочей поверхности
формообразователя на момент затравливания, Н0 eff;
6) предельная длина для переключения регулятора – ростовая длина, на
которой происходит смена коэффициентов регулятора.
9.4.2 Настройка регуляторов
Настройка регуляторов производится в том же диалоге (команда
Настройка/Режимы процесса закладка Рост), только необходимо еще выбрать
опцию Настроить для нужного регулятора. В управляющей программе
используется два регулятора. На каждом из двух участков управления можно
выбрать оптимальный регулятор и параметры его настройки.
Для настройки регулятора релейного типа необходимо ввести следующие
параметры:
1) границы коридора -dW, г/с; + dW, г/с;
2) величины управляющих воздействий –dP, коды; + dP, коды;
3) время задержки между следующим и предыдущим воздействием, dT,
такты;
4) количество возвратов в коридор для включения предиктора управления
(при отсутствии метки линейный предиктор не включается).
Для настройки ПИД- регулятора необходимо ввести значения
пропорционального, интегрального и дифференциального коэффициентов, а так
же ограничение воздействия за такт управления (+dP, -dP, коды) и время
включения.
Настройка регуляторов производится инженером- технологом.
Для выхода из диалога применяются кнопки Ok (с сохранением изменений)
или Отмена (без сохранения).
9.5 Режим "Отрыв"
Данный режим служит для того, чтобы произвести отрыв выросших
кристаллов от мениска расплава и опустить тигель. Для отрыва кристаллов от
формообразователя, необходимо поднять мощность нагрева, при необходимости
увеличить скорость подъема штока, переместить тигель на заданное расстояние
вниз.
26

28. Настройка режима “Отрыв” производится в диалоге «Настройка процесса» -
закладка Отрыв.
Для выхода из диалога применяются кнопки Ok (с сохранением изменений)
или Отмена (без сохранения).
9.6 Режим “Охлаждение”
Режим "охлаждение" служит для постепенного охлаждения выращенного
кристалла. Все параметры идентичны режиму “Нагрев”. Настройка режима
“Охлаждение” производится в диалоге «Настройка процесса» - закладка
Охлаждение.
Примечание – При включение режима Охлаждение автоматически
останавливаются все двигатели.
Для выхода из диалога применяются кнопки Ok (с сохранением изменений)
или Отмена (без сохранения).
27

29. 10 ПРОЦЕСС ВЫРАЩИВАНИЯ
10.1 Запуск программы
Запуск программы производится стандартными методами ОС Windows.
Можно производить запуск из меню или при помощи находящейся на Desktop
пиктограммы (двойной щелчок по ней мышью запускает программу).
При запуске программы происходит тестирование оборудования. Если при
запуске программы появляется сообщение об ошибке (значок в строке
состояния), следует проверить правильность подключения аппаратуры. Перед
повторным запуском программы нужно подождать около пяти секунд. Дело в том,
что при завершении работы программа должна завершить работу со всеми
файлами и устройствами, что занимает 5-8 секунд.
10.2 Плавление загрузки тигля
Для этого необходимо ввести функцию набора мощности от времени.
Используйте диалог Настройки процесса. Выберете закладку Нагрев,
введите время нагрева и конечную мощность (за начальную мощность
принимается ее текущее значение) и нажмите Добавить. Нажмите кнопку Ок.
Далее, дайте команду старта процесса, для чего на панели управления
двойным кликом мыши выберите текущий режим – Нагрев. При включении
режима Нагрев автоматически останавливаются все двигатели, поэтому, если во
время разогрева теплового узла необходимо, например, поднять шток, надо
переключиться на ручной режим (отключить режим Нагрев). Для продолжения
нагрева нужно вновь включить режим Нагрев, при этом текущее значение
мощности принимается за начальное, а время нагрева отсчитывается заново.
10.3 Поднятие тигля
В методе Степанова для начала затравливания необходимо, чтобы
формообразователь погрузился в расплав. Для этого нужно поднять тигель с
расплавом на некоторую высоту, используя режим Поднятие тигля . Во
избежание выплескивания расплава из тигля не следует задавать при этом
большую скорость подъема (не более 10 мм/мин) и высоту перемещения более
1/3 от хода тигля от его нижнего положения до верхнего.
10.4 Затравливание
Т.к. в начале вытягивания кристаллов не должно наблюдаться резкого их
расширения, то по завершении затравливания может быть необходимо провести
небольшой перегрев теплового узла, для чего в настройках режима
Затравливание предусмотрено ступенчатое изменение мощности нагрева с
последующей выдержкой временного интервала перед переходом к следующему
режиму “РОСТ”. Если установлена метка в Check- Box Автопереключение в
настройках режимов ростового процесса, то переход к следующему режиму роста
происходит автоматически.
Метку автопереключения можно также установить напротив
соответствующего режима на пульте управления аппаратурой.
28

30. 10.5 Автоматическое управление процессом роста
Для автоматического управления выращиванием кристалла необходимо
включить режим Рост, в настройках которого уже указаны все параметры
ростового процесса и настроены регуляторы.
10.6 Управление процессом роста при помощи полуавтомата
Поддерживать постоянное значение скорости нарастания массы при
вытягивании кристалла можно также и в ручном режиме роста при помощи
Полуавтомата.
Полуавтомат используется только в режиме стабильного роста, т.е. при
слабо изменяющимся значении скорости нарастания веса. При включении режима
“Обучение” начинается вычисление среднего значения скорости нарастания
(производной веса) за период обучения. В том случае, если это значение
перестало изменяться или изменяется незначительно (по прошествии 5-10 минут
в режиме “обучение”), можно запустить “полуавтомат”, включив, таким образом,
автоматическое поддержание вычисленного значения скорости нарастания веса с
использованием заданных коэффициентов регулятора. Тип регулятора
указывается на пульте управления аппаратурой. При включенном режиме
управления можно изменить текущее значение производной веса: если кристалл
растет “холодно”, то надо уменьшить скорость нарастания веса, если “горячо” –
увеличить.
10.7 Управление процессом роста при помощи полуавтомата для
Степанова
Данный вариант полуавтомата используется только при активном режиме
Рост и предназначен для автоматического поддержания заданного значения
указанной площади поперечного сечения кристалла с использованием заданных
коэффициентов регулятора. Тип регулятора указывается на пульте управления
аппаратурой.
При выключении полуавтомата, продолжается рост по расписанию
изменения сечения кристаллов в зависимости от текущей ростовой длины.
29

31. 10.8 Ручное управление процессом роста
Ручное управление процессом осуществляется с помощью панели
управления аппаратурой, которая содержит поля ввода скоростей перемещения и
вращения штоков и поле ввода мощности. При управлении скоростями и
мощностью нагрева можно воспользоваться функциональными клавишами F1 –
F12.
10.9 Отрыв кристаллов от формообразователя
По завершении процесса выращивания, необходимо произвести отрыв
выросших кристаллов от мениска расплава и опустить тигель во избежание его
оплавления или вмораживания в оставшийся расплав. Для этого необходимо
воспользоваться режимом Отрыв.
10.10 Охлаждение
Для начала постепенного уменьшения мощности нагрева выберите
закладку Охлаждение на пульте управления аппаратурой. Все параметры этого
режима идентичны режиму нагрев и начальное значение мощности также
принимается равным ее текущему значению.
10.11 Завершение программы
Завершение программы происходит в соответствии с правилами,
принятыми в ОС Windows. Для этого можно использовать пиктограмму креста в
правом верхнем углу окна или пункт меню Файл→Выход.
Перед завершением программы необходимо остановить двигатели и
снизить мощность, так как иначе процессы станут неуправляемыми, что может
привести к порче ростового оборудования.
Программа при завершении освобождает занятые ею ресурсы системы, на
это требуется несколько секунд. Не делайте повторного запуска раньше, чем
через пять секунд после завершения программы.
11 КАЛИБРОВКА ДАТЧИКА ВЕСА
Для калибровки датчика веса необходимо:
1) запустить ростовую программу;
2) открыть диалоговое окно настройки программы, воспользовавшись
командой меню Настройка/Настройка программы (см. пункт 5.2);
3) записать код, соответствующий ненагруженной весовой тяге, W0;
4) записать код, соответствующий нагрузке на тягу 1000 г, W1000;
5) записать разницу кодов с нагрузкой на тягу и ненагруженной весовой
тяги, W1000 – W0 ;
6) закрыть ростовую программу;
7) открыть файл PlantDrv.ini;
8) в строку Weight multiplier [codes]/[kg] записать разницу W1000 – W0 и
сохранить изменения.
30