基于OPC技术的单晶硅提拉过程控制研究

赵 捷，高 辉(.国家保密科技测评中心（河北省）分中心，河北 石家庄 050000；.河北科技大学，河北 石家庄 050000)

基于OPC技术的单晶硅提拉过程控制研究

赵 捷1，高 辉2(1.国家保密科技测评中心（河北省）分中心，河北 石家庄 050000；2.河北科技大学，河北 石家庄 050000)

针对传统PID控制无法满足单晶硅提拉过程中电机转速的控制要求，以及PLC难以实现复杂控制算法的问题，本文采用OPC技术实现MATLAB与PLC之间的通信，在MATLAB中实现神经网络PID在线调节PID参数，采用OPC技术将结果传输给PLC，从而实现单晶硅提拉过程中的快速、准确控制。

单晶硅；OPC；神经网络PID；电机转速控制

0 引言

PLC又叫可编程逻辑控制器，相对于工业计算机，它结构单一，易于编程，且具有较高的可靠性，这是其他控制器无法比拟的地方，但是限于它的结构和功能，PLC只能实现简单的程序，对于复杂的控制算法却无能为力。MATLAB又叫矩阵实验室，包含许多智能算法工具箱，同时具有可以自由编程、计算能力强等特点，但是它不能直接在工控现场安装。所以可以采用OPC技术作为桥梁，连接MATLAB和PLC，实现两者之间的数据通信，发挥各自的优点，从而实现复杂算法在工控现场的应用。

本文以直拉式单晶炉提拉过程控制系统为例，简单介绍了单晶硅提拉过程控制要求和基于神经网络PID的智能控制策略，用PLC实现控制系统硬件，着重介绍了采用OPC技术实现OPC与MATLAB、OPC与PLC之间的连接，从而实现MATLAB与PLC之间的数据通信。

1 控制要求及控制算法研究

单晶硅是一种晶体非金属材料，是半导体器件、太阳能电池必不可少的组成成分。近年来，由于清洁能源的环保、方便特性，太阳能等新能源广泛应用于生产和生活，同时电子技术的发展，使得人们对于半导体材料的需求越来越高，所以对于单晶硅的需求量也逐年上升，对单晶硅的直径的技术要求也越来越高。

现在工艺上普遍采用提拉法生产单晶硅，提拉法是把多晶硅放入石英坩埚加热熔化，再把籽晶投放入多晶硅熔液，在适宜温度下，向上提拉籽晶，熔化的多晶硅原子就会一层层地排列成规则的单晶体。由上述内容可知，提拉速度的变化直接影响单晶体晶柱直径的粗细，也就是单晶硅质量的优劣。提拉速度过高，晶柱就会变细，过低则产生相反的效果。所以控制单晶硅的提拉速度尤为重要。

在工业生产中检测到单晶硅直径后，控制系统对直径的给定值和测量值进行比较，依据比较结果对电机转速的给定值进行调整。单晶炉提拉系统的运行过程中，单晶硅的晶体生长过程是连续的，同时对单晶硅晶体直径尺寸的精度有着很高的要求，所以要求单晶硅的提拉系统具有非常高的快速性和抗干扰能力。

双闭环的电机调速系统的控制系统结构和系统中的参数是随着系统的运行发生变化的。在具有多变量和时变性的非线性系统中，传统的PID控制并不适用，而且不存在绝对不发生变化的系统。由于传统PID控制算法自身存在不可避免的缺陷，近些年来随着智能控制算法研究的不断深入，已经有许多人开始将神经网络、模糊控制等算法与传统PID控制相结合，形成了诸如神经网络PID、模糊PID控制等智能算法[1]，并且其可行性在理论上得到证实。

2 基于OPC技术的单晶硅提拉过程控制

本文采用神经网络PID算法控制电机转速[2]，神经网络PID是神经网络控制和传统PID控制的结合，神经网络PID的输出层包括传统PID控制的比例、积分、微分3个参数，其隐含层的神经元是由比例、积分和微分函数构成的输入、输出函数，这些神经元既有静态的又有动态的。神经网络PID各连接层神经元的连接方式、各层神经元的个数、各层间的初始权值是根据传统PID控制的控制规律来确定的。神经网络PID算法通过对误差的计算反相传播来对连接的权值进行修改，通过对神经网络参数的在线调整，对控制系统的目标函数进行优化[3]，其算法流程如图1所示。

图1 神经网络PID实现流程图

由以上阐述可知，神经网络PID控制具有如下特点：

(1) 神经网络PID算法是神经网络和传统PID控制的结合，所以神经网络PID具有神经网络的优秀品质，神经网络PID和多层前向神经网络一样具有对任何函数进行逼近的能力。

(2) 神经网络PID具有动态的网络结构，具有对信号高效处理的特性，当电机转速给定值变化时，它能够立刻调整权值，从而改变PID参数，快速跟踪给定信号。当系统存在扰动时，神经网络PID也可以快速反应，调节参数，迅速使系统正常运行。

(3) 神经网络PID采用在线调整的方式，依照系统实际的控制效果进行自学习，从而使系统达到更好的控制效果。

单晶硅提拉过程中一般采用PLC作为控制器，但是因为PLC自身在处理高级算法上的局限性，用PLC编程实现神经网络算法非常困难。因此本文用MCGS(Monitor and Control Generated System)搭建PLC和MATLAB软件的通信，利用MATLAB软件的强大的运算功能进行神经网络的计算。利用MCGS软件的交换功能把MCGS作为连接PLC和MATLAB软件的桥梁，其中通信的搭建是实现这一过程控制的重要技术。

OPC是用于过程控制当中的一个工业标准，它基于微软的OLE(Active X)、COM和DCOM技术[4]。到目前为止，采用这种技术的企业遍布全球，几乎囊括全世界所有的涉及自动化控制、仪器仪表及过程控制的公司。OPC采用现阶段较为流行的客户端/服务器模式。它的出现为基于计算机程序和工控现场控制应用建立了桥梁。在OPC技术出现之前，为了接收和发送工控现场设备的数据信息，每个软件开发商都要为其编写专用的接口命令，但是工控现场设备种类多，升级快，会给用户和软件开发商带来很大负担，由于实际现场的迫切需要，这种既高速、可靠，又开放、稳定的设备驱动程序被设计出来。OPC首先定义了COM对象和它的接口规范，COM （Component Object Model）是OLE机制的基础，是一种与编程语言无关的标准，在计算机中为独立单元存在，而在访问这些单元时可以不受程序限制，所以这种标准可以使两个不同的应用程序通过对象化接口进行通信，而双方在不知道对方的创建方式。与此同时当COM规范扩展到本机以外时，就使得应用程序不再局限于一台计算机上，可以遍布在整个网络中，这种扩展叫做DCOM。通过DCOM和OPC标准就可以解决工控现场的数据交换问题。综上可以看出，只要符合OPC标准，客户端或服务器就可以通过OPC互联来交换数据。

2.1 PLC与MCGS之间的通信实现

MCGS具有用作OPC客户端和OPC服务器的双重功能，可以实现远程访问和本地访问，需要手动设置OPC设备的一系列参数来建立和OPC. Simatic NET服务器的联通。包括调节设备属性页面、连接通道属性页面和基本属性页面。用户可以通过MCGS软件的本地和远程访问的OPC SERVER配置点进入MCGS系统，其功能主要有：查看OPC的项目；查看OPC服务的数据；从远程服务器导入所需要的项目；从本地服务器导入所需要的项目；远程查看OPC服务器；本地查看OPC服务器；开启OPC服务器；关闭OPC服务器[5]。

2.2 MATLAB与MCGS之间的通信实现

MCGS中的组对象用户是看不出来的，它是被隐藏起来的。用户可以通过浏览方式查看，这时只需要一个指定的服务器。在MATLAB中提供了OPC工具箱，它为OPC的客户端和服务器提供了一套完整的指令符，这样MATLAB与其他软件之间建立实时通信就变得异常方便。以MCGS为OPC服务器、MATLAB为客户端对MCGS进行数据存取的流程图如图2所示。间建立连接，还需要在OPC服务器和客户端分别进行分布式COM设置。

图2 MATLAB与MCGC数据交换流程图

(3) 在MATLAB中编写m文件：

da=opcda(’local host’，’DCS.Server’)；

connect(da)；

%创建客户端对象，建立连接，添加对象、组和项。

grp=addgroup(da)；

itml=additem(grp，’level11，)；

itm2=additem(grp，’levell2’)；

itm3=additem(grp，’levell3’)；

itm4=additem(grp，’levell4’)；

%读取DCS OPC服务器中速度参数。

reallevel=get(itml，’value’)；

setlevel=l10；

%调用神经网络优化PID参数函数。

[KP1，KI1，KDl]=zlpBPPlD(setlevel，reallevel)；

%更新DCSOPC服务器中的PID参数

writeasync(itm2，KPl)；

%KPl为优化后的PID参数KP。

writeasync(itm3，KI1)；

%KI1为优化后的PID参数KI。

writeasync(itm4，KD1)；

%KD1为优化后的PID参数KD。

3 结论

本文介绍了OPC技术在单晶硅提拉过程中的应用，主要研究通过OPC技术实现MATLAB与PLC之间的数据通信，为高级控制算法在工业现场的应用搭建了桥梁，同时提高了PLC的控制精度和速度。

[1] 黄油瑞, 曲国立. PID控制器整定与实现[M]. 北京∶ 科学出版社, 2010.

[2] 唐春林. 复合机控制系统的设计与实现[D]. 长沙∶ 中南大学, 2008.

[3] 仲元昌, 郭耿涛, 贾年龙, 等. 晶体生长炉的PID神经网络温度控制算法[J]. 人工晶体学报, 2010(5)∶1302-1307.

[4] 柴兆森. 基于工业以太网和OPC 技术的异构系统集成研究[D]. 兰州∶ 兰州理工大学, 2009.

[5] 王明武, 陈曼龙, 杨明亮. 基于OPC技术的MCGS实时数据监控应用[J]. 陕西理工学院学报(自然科学版), 2013(5)∶10-14.

The pulling control of the monocrystalline silicon based on OPC technology

Zhao Jie1，Gao Hui2

(1.National Secrecy Science and Technology Evaluation Center，Hebei Branch , Shijiazhuang 050000, China; 2. Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050000, China)

The traditional PID control can not be satisfied the requirement of the motor speed in the pulling process of the monocrystalline silicon. The Programmable Logic Controller (PLC) is difficult to realize the complex control algorithm. In response to these issues, this paper adopts the OLE for process control (OPC) technology to build the communication between MATLAB and PLC. The PID parameters are adjusted by the neural network online in MATLAB. The OPC technology transmits the results to the PLC, so as to realize the rapid and accurate control in the pulling process.

monocrystalline silicon; OPC; neural network PID; motor speed control

TP391.8

A

1674-7720(2015)17-0001-03

赵捷, 高辉.基于OPC技术的单晶硅提拉过程控制研究[J]. 微型机与应用, 2015,34(17)∶1-3.

2015-06-09）

赵捷（1984-），男，学士，助工，主要研究方向：计算机应用。

高辉（1989-），男，硕士，主要研究方向：复杂工业过程控制。

利用MATLAB OPC Toolbox实现MATLAB与MCGS实时通信的准备工作主要包括以下几个方面：

(1) 在MATLAB中，有些OPC工具箱的核心组件可能没有安装，所以在使用OPC Toolbox之前需要检查是否安装，在MATLAB中可以使用opcregister（‘install’）来安装。

(2) 为了使OPC Toolbox中的对象与MCGS的对象之