开题报告石英晶体真空退火炉控制系统设计.docx

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开题报告石英晶体真空退火炉控制系统设计

毕业设计开题报告

题目：

石英晶体真空退火炉控制系统设计

学生姓名：

XXXX学号：

XXXXXXXXX

专业：

机械设计制造及其自动化

指导教师：

XXXXX（教授）

2011年03月06日

1.文献综述

1.1关于石英晶体

石英，一种常见的无机矿物质，主要成分是二氧化硅，化学式SiO2，常含有少量杂质成分如Al2O3，CaO，MgO等，，外观呈乳白色、灰白半透明状态，为半透明或不透明的晶体，质地坚硬（莫氏硬度为7），密度介于2.22~2.65之间。

[1]

石英是地球表面分布最广的矿产资源之一，其物理、化学性质均十分稳定，用途也相当广泛。

早在石器时代，就有人们用它制作简单的生产工具（如石斧、石箭等）；另外石英晶体对温度很敏感，采用它做成测温计的精度可达到百分之一摄氏度。

石英晶体由于其压电、震荡、储存记忆的特性，在机电领域发挥着举足轻重的作用，下面做简要介绍：

1将电信号转换为机械运动（压电晶体喇叭）

2将机械震动转换为电信号（门、窗震动报警）

3石英晶体元器件石英晶体元器件主要用于通信设备、微机系统、家用电器（彩电以及音像）、广播电视设备、各种电子仪器仪表等各个方面。

[2]

3.1石英晶体振荡器

石英晶体振荡器，简称为晶振器，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。

这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应[3]。

石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被广泛应用于家用电器和通信设备中。

石英晶体振荡器是目前精确度和稳定度最高的振荡器，在全球定位系统和移动通信等系统中随处可见。

3.2石英晶体滤波器

石英晶体滤波器就是采用石英晶体谐振器作为主要元件而构成的滤波器。

在石英基片表面配置若干对金属电极构成的带通或带阻滤波器，利用压电效应的能陷入理论，选择电极振子的几何尺寸、返回频率和电极振子间距，控制超声波的声耦合，从而达到滤波的目的。

石英晶体滤波器具有很高的品质因数（数万以上）、频率选择度十分陡峭、阻带衰减高、矩形系数好、频率温度稳定性好、体积小、损耗低等特点，被公认为电子产品的重要部件，其主要功能是作为各种电信号的提取、分隔、抑止干扰。

随着电子技术的飞速发展，电子产品门类及使用频段的不断扩展，各种电子设备之间的干扰也日趋严重，因而滤波器不但是确保电子产品本身正常可靠工作的重要部件，而且是减少相互影响、确保正常工作环境的重要器件，因而，可以毫不夸张地说，在具有特定功能的电子产品中均有滤波器的踪迹可寻。

在军、民用电子设备中应用极其广泛，特别是在中频范畴内具有不可替代的地位。

发展方向是开发新型压电材料、扩展带宽、减少带内延时波动、增大带外衰减、扩充和提高中频点及线性度、封装单片尺寸进一步小型化和片式化。

4石英晶体元器件的市场需求

随着电子信息产业的飞速发展和电子整机的小型化、高性能的发展趋势，石英晶体元器件的市场需求量还将快速增长。

目前全世界电子市场对石英晶体元器件的总需求量约为55亿只，年增长率为10％。

在电子信息产业得到广泛应用，从儿童电子玩具，电子手表，手机，电视，计算机到航空航天中占据着不可替代的位置。

而这些行业对石英晶体的质量有着极高的要求,真空退火是其中间和成品生产的重要工艺过程。

在无氧化和无污染状态下进行消除应力或再结晶退火,以消除加工硬化和恢复塑性。

加热退火处理的方法很多，但采用真空退火对石英晶体材进行退火处理，是晶体加工领域一项较新的技术和工艺。

它以热处理清洁、经济、无污染的特点越来越引起人们的重视。

1.2关于晶体真空退火炉

退火是将钢材或各种金属机械零件加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却，可以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。

其目的是为了细化组织、降低硬度、改善机械切削加工性能及去除内应力。

在机械制造行业，退火通常作为工件制造加工过程中的预备热处理工序。

石英晶体元器件是电子领域不可或缺的重要器件。

晶体真空退火炉是石英晶体元器件生产的重要设备之一，经过退火处理的石英晶体，消除了在加工过程中产生的应力及轻微表面缺陷。

毫不夸张的说，真空退火炉的温度控制水平直接决定了石英晶体的质量。

本课题为用PLC设计石英晶体真空退火炉的电气控制系统，根据课题我查阅了大量的文献和教材，现在就查阅的资料简述一下晶体真空退火炉的现状和发展前景。

1.21发展现状和趋势

目前国内石英晶体元器件生产线上采用的晶体真空退火炉大部分从国外进口，采购价格、维护经费高昂以及维修技术达不到等等使得我国在晶体退火方面倍加难堪。

该领域的一些关键性技术长期以来被欧美国家垄断，石英晶体又是现代电子信息时代的必要性元件，鉴于晶体真空退火炉的发展现状，国内已有人着手研究和开发，并且已在理论阶段取得可观的成就，投产的退火炉目前售后反馈基本良好，得到了大部分厂家的认可，填补了我国在该领域的长期空白。

玉田真空退火炉照片

1.3关于PLC

可编程控制器（PLC）是一种结构简单、通用性好、功能较完备的新型控制元件,其主要优点是抗干扰能力强,可以提高系统的可靠性和稳定性,提高生产效率,所以特别适用于工业控制[1]。

PLC控制的优点主要有一下几点：

（1）靠性高，抗干扰能力强

可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

（2）功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）编程容易

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

本课题要求设计石英晶体真空退火炉的控制系统，因此,在石英晶体真空退火炉研制过程中,设计了基于PLC的电气控制系统，该电控系统以PLC为控制核心,触摸屏为人机接口,使系统控制界面友好,简单直观,便于操作。

改造后解决了原有电控系统存在的问题,保证了控制系统的可靠性,增强了控制系统的操作性。

2课题总体方案设计

2.1本课题需要解决的问题及技术要求

该控制系统应能自动控制真空机组中各设备的启停，实现高低两种真空状态。

并在高真空状态下实现多工作区恒温控制，应有合适的人机界面实现设备状况监控和参数设置。

2.2晶体真空退火炉控制系统总体设计方案拟定

------真空退火炉的工艺过程

该退火炉主要由左右两个真空室、真空机组、冷却水系统、气路系统和电气控制系统等组成。

两个真空室可分别独立工作。

考虑到石英晶体元件体积较小,为充分利用真空室内工作空间,将每个真空室分割成7个工作区,如图所示,每区装有热电偶和电阻加热管,可单独控制该区的温度。

这样,每个真空室的真空度一致,但各工作区的温度可以是不同的,使用起来更加方便。

设备开机时首先启动机械泵和分子泵，并打开前阀进入待机状态。

当操作人员在左（右）真空室温控区放置晶体元件并设定好温度真空度等参数后，设备自动开始工作，首先关闭前阀FV，打开低阀RV1（RV2），由机械泵对左（右）真空室抽低真空；低真空到达后，关闭低阀RV1（RV2），打开前阀FV，打开主阀MV1（MV2），开始对左（右）真空室抽高真空；同时温控系统开始工作，加热管加热，使真空室温度跟随设定曲线，对晶体元件进行退火处理

设备的工艺过程主要分为3步：

第1步,抽真空。

真空机组将真空室由大气压抽到低真空（10Pa左右）,再抽到高真空（5*10-3Pa左右）。

第2步,温度控制。

由加热管对工作区加热,使工作区的温度跟随设定曲线变化,对晶体元件进行退火处理。

第3步,真空释放。

退火时间到后,依次打开放气阀和排气阀将真空释放,恢复到大气压力后可打开炉门取出晶体元件,完成真空退火处理。

真空系统程序流程图

图1真空退火炉工艺过程

2.3晶体真空退火炉控制系统的设计

选用西门子的S7-300系列（CPU224CN型）PLC作为控制中心。

该系列PLC具有数字输入、输出功能，有丰富的功能指令，14个24VDC输入，10个继电器输出端子EM223模块：

扩展数字量模块，8个24VDC输入端子，8个输出端子，总共22个输入端子，18个输出端子，能满足整个系统的控制要求。

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。

各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。

与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。

SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。

S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：

超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。

具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。

S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。

控制系统硬件结构

西门子的S7-300系列PLC采用STEP74.0编程语言在PC机上编程，最后下载固化到CPU中。

确保了程序的易操作和可靠性。

结论:

晶体真空退火炉及PLC系统控制已经投入生产运行。

实际表明：

PLC控制系统满足管材退火的生产工艺要求，退火炉加热效率高，操作方便，产品质量高具有清洁、经济、无污染小的特点,具有一定的运用和推广价值。

结语

本课题所设计的石英晶体真空退火炉在石英晶体加工领域应用广泛，可大大提高晶体的生产效率，降低劳动强度。

设计中，通过查阅了大量的资料和老师给予的指导，对真空退火炉控制系统有了深刻的认识。

同时，在对一些结构的认识过程中，巩固了所学的知识，深刻理解一些结构的优越性。

最后对常老师的指导、帮助由衷感谢！

指导教师意见：

指导教师：

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