Автоматизація управління технологічними процесами виробництва об'ємних Cz-Si-монокристалів

На другому етапі вирішується завдання мінімізації критерію виду

, (35)

де - шукана вага i-ої марки в умовній частині l-ого злитка, при обмеженнях: ;, де - загальна вага i-ої марки в умовній частині l-ого злитка;,, де - вага умовної частини l-ого злитка; де - сумарна вага i-ої і j-ої марки в умовній частині l-ого злитка.

У результаті вирішення розглянутих двох завдань визначається вага марки в умовних частинах злитків, після чого, знаючи розташування марки на злитку, здійснюється перехід до координат різів.

П'ятий розділ присвячено питанням розробки способу і пристрою для високоточного вимірювання діаметра кристала на різних стадіях технологічного процесу вирощування Cz-Si-монокристалів і контролю положення рівня розплаву щодо верхньої частини нагрівача. Розглянуті також завдання оптимізації параметрів алгоритму вимірювання діаметра і вибору оптимального варіанту дій при виникненні нештатної ситуації в процесі вирощування кристала.

Інформація про діаметр кристала, параметри меніска і положення рівня розплаву в тиглі є результатом обробки відеозображення зони кристалізації поточного процесу росту злитка, отриманого за допомогою розробленого пристрою і введеного в ЕОМ, шляхом використання розроблених алгоритмів. Структурна схема пристрою представлена на рис.6.

Вимірювання діаметра шийки злитка базується на аналізі відеозображення зони переходу меніск - злиток. Отримуване відеозображення процесу з частотою 30 кадрів в секунду вводиться в комп'ютер, перетворюється в числовий масив і сканується по рядках. Отримувані лінії є дискретними функціями, що залежать від освітленості об'єкту. Можна записати, що Pi = f (I), де I - рівень яскравості точки елементу відеозображення; Pi - дискретизований рівень яскравості в точці i.

У роботі це здійснюється шляхом аналізу значень похідної функції Pi, обчислених за допомогою чотиричленної формули Ньютона для інтерполяції і обчислення похідної.

Завдання зводиться до знаходження точок, в яких похідна має максимальне і мінімальне значення. Різниця між мінімальними значеннями з правої і лівої межі видимої частини шийки визначить діаметр шийки, різниця між максимальними значеннями з правої і лівої межі видимої частини меніска визначить діаметр меніска, різниця між діаметром злитка і діаметром меніска визначить подвоєну ширину меніска. Для виключення ефекту прецесії злитка сканування проводиться по декількох горизонтальних лініях відеозображення, знаходиться лінія з максимальним діаметром, який і береться за дійсний діаметр шийки для конкретного вимірювання.

Для фази росту шийки характерні два чітко виражених максимуми з незначним проміжком між ними. Значення Pi при різних i для одного рядка (лінія сканування) фази росту шийки злитка представлені на рис. 7. Таким чином, для визначення діаметра шийки необхідно досліджувати поведінку функції Pi.

Вимірювання діаметра конуса і діаметра циліндрової частини проводиться аналогічно вимірюванню діаметра шийки (див. рис. 8 і рис. 9). Відмінність при вимірюванні діаметра циліндрової частини полягає в тому, що аналізується зона переходу розплав - меніск на правій і лівій межі видимого зображення меніска - для отримання попереджуючої інформації про зміну діаметра, і зона переходу меніск - злиток на правій і лівій межі видимого зображення злитка в зоні кристалізації - для визначення ширини меніска.

Застосування даного методу дозволяє:

вимірювати діаметр на всіх основних стадіях технологічного процесу (вирощування шийки, розрощування прямого конуса, вирощування циліндрової частини);

виключити впливи прецесії злитка на точність вимірювання діаметра (що дозволяє підвищити точність вимірювання діаметра);

розрізняти малі і великі осі злитка (що дозволяє зменшити витрату сировини за рахунок регулювання процесу вирощування по малій осі злитка).

Принцип визначення рівня розплаву ґрунтується на визначенні за виглядом зображення положення верхнього краю меніска щодо певної базової точки, жорстко пов'язаної з верхнім торцем нагрівача. Схемний принцип визначення рівня розплаву представлений на рисунку 10.

Відеокамера 1, встановлена за допомогою штатива 2 на камері печі 3, геометрично жорстко пов'язана з верхнім торцем нагрівача 4. Отримуване відеозображення є двомірною проекцією затравки, розплаву і меніска на площину. Прийнявши на відеозображенні будь-яку лінію за базову 6, можна практичним шляхом визначити її геометричне положення щодо верхнього торця нагрівача в міліметрах. Позначимо цю величину як Lр. Визначивши різницю в положенні базової лінії на відеозображенні і лінії верхньої межі меніска 7 в зоні затравлення 8 на відеозображенні, можемо знайти положення рівня розплаву щодо базової лінії в рядках відеозображення Н₁. Знаючи геометричну величину в міліметрах, що належить одному рядку, а також кількість рядків, що є складовими різниці між базовою лінією і лінією верхньої межі меніска, при відомій Lр можемо визначити рівень розплаву щодо верхнього торця нагрівача.

У даному розділі розглянуті також питання, пов'язані з оптимізацією параметрів алгоритму визначення діаметра кристала, заснованого на використанні розглянутого раніше телевізійного методу. Для кращого розуміння суті алгоритму вимірювання діаметра зіставимо прямокутну систему координат (номер рядка, номер піксела) з відеозображенням кристала, що росте, так, як показано на рис. 11. На приведеному рисунку використовуються наступні позначення: - кількість рядків у відеокадрі; - кількість пікселів в рядку відеокадру; - ширина зони відеокадру в пікселах, в яку завідомо не потрапляє кристал, що росте; - -й піксел на рядку ; - ідентифікують ліву і праву частину відеокадру; - рядок з максимальною шириною «плями» кристала; - масив оцифрованих яскравостей пікселів відеокадру з елементами .

Позначимо через і яскравості фону розплаву в лівій і правій частинах відеокадру відповідно і, не втрачаючи загальності, допустимо, що непарне. Тоді для оцінки і скористаємося наступними співвідношеннями:

(36)

де - ціла частина х, а, .

При цьому повинні дотримуватися наступні співвідношення:

,

,

де - діаметр піксела, - максимально допустимий діаметр вирощуваного кристала.

Рядок з максимальною шириною «плями» () визначається за допомогою наступних співвідношень:

(37)

де задовольняє умовам

, , , (38)

а - умовам

, , . (39)

Після цього можна визначити межі робочої області відеокадру, яка використовується для обчислення значення діаметра:

де . (40)

За відсутності меніска (на стадії розрощування «прямого» конуса) діаметр кристала пропонується обчислювати за формулою

(41)

За наявності меніска (на стадіях вирощування «шийки» або «циліндра») для оцінки діаметра кристала використовується наступне співвідношення

, де визначається за допомогою (41), а - ширина меніска.

Обчислення здійснюється таким чином:

. (42)

Тут, визначаються за допомогою (38), (39), а, за допомогою наступних співвідношень:

(43)

(44)

Зазначимо, що описаний алгоритм містить три параметри: б - визначає площу зони обробки кадру; г - визначає поріг яскравості, що фільтрує її випадкові коливання; и - визначає число ліній сканування, що використовуються для усереднення виміряного значення діаметра. У роботі досліджено вплив цих параметрів на точність вимірювання діаметра і час обробки кадру, визначено їх раціональні значення. Вплив параметра г (як найбільш критичного) на точність вимірювання діаметра показано на рис.12.

У даному розділі виконано також рішення задачі про вибір варіанту продовження процесу при виникненні НС, постановка якої була здійснена в розділі 2. Приведені співвідношення, що дозволяють для кожного варіанту дій при виникненні НС оцінити можливий прибуток на завершення процесу за цим варіантом і пов'язані з ним витрати. Вибирається той варіант дій, який максимізує очікуваний прибуток. На рис. 13 приведені оцінки економічної ефективності варіантів дій для двох різних ситуацій виникнення НС на фазі вирощування циліндрової частини (для процесу вирощування Cz-Si-монокристалів діаметром 150 мм на установці «Редмет-30»). Як видно на рис. 13, оптимальність варіантів дій залежить від довжини (маси) циліндрової частини кристала, вирощеної до моменту виникнення НС.

Шостий розділ присвячено аналізу і практичному вирішенню проблем структурної, алгоритмічної і програмно-технічної побудови ОТСУ технологічними процесами виробництва Cz-Si-монокристалів та її основних підсистем: оперативного аналізу ходу виробництва, «Компоновка», «Кремінь+», «Обробка злитків» .

Загальна структура системи управління виробництвом Cz-Si-монокристалів представлена на рис.14.

На ділянці компоновки виконуються наступні основні роботи: підготовка кремнію-сирцю і оборотного матеріалу, яка полягає в їх сортуванні за рядом зовнішніх ознак (розмір, чистота, наявність кілець зростання та ін.); кислотне травлення кремнію-сирцю і оборотного матеріалу (якщо в цьому є необхідність); сортування оборотного матеріалу за типом електропровідності і питомим електроопором; підготовка кварцових тиглів; приготування шихти з суміші кремнію-сирцю і оборотного матеріалу; приготування навішувань лігатури; транспортування компоновки (тигель, шихта, лігатура) на ділянку вирощування.

Основними завданнями, що вирішуються в складі АСУ «Компоновка», є:

· оперативний облік наявності кремнію-сирцю, кварцових тиглів і лігатури;

· напівавтоматичне зважування кремнію-сирцю і одиниць (шматків) оборотного матеріалу за допомогою електронних вагів;

· реєстрація одиниць оборотного матеріалу із забезпеченням можливості подальшої їх ідентифікації;

· реєстрація заявок на компоновку завантажень і контроль їх виконання;

· визначення оптимального складу шихти завантажень;

· розрахунок навішувань лігатури для завантажень;

· формування звітів про роботу ділянки.

Запропоновано архітектуру дворівневої системи управління групою технологічних установок вирощування монокристалів кремнію типу «Редмет-30», «Редмет-60» («Кремінь+») і визначено базову функціональність кожного рівня. Система нижнього рівня базується на використанні РС - контролера, а верхнього - на застосуванні ПЕОМ в промисловому виконанні.

Основними модулями системи верхнього рівня є: модуль ідентифікації керованих процесів - за наслідками обробки вимірювань виходу процесу відновлює вектор параметрів моделі процесу. При цьому на вхід об'єкту можуть подаватися спеціальним чином сформовані вхідні впливи. Процедура ідентифікації періодично повторюється з метою відстежування умов, що змінюються; модуль адаптації параметрів регуляторів - дозволяє за оцінкою стану процесу і за вектором параметрів моделі процесу настроювати вектор параметрів регуляторів; модуль формування режимних уставок (оптимізація режимів) - дозволяє здійснювати оптимальне програмування зміни значень основних режимних параметрів залежно від довжини вирощуваного злитка, використовуючи при цьому відомі моделі фізико-хімічних процесів, що лежать в основі вирощування кристалів за Cz-методом; модуль ведення бази даних - забезпечує реєстрацію в базі даних системи значень усіх контрольованих параметрів і управлінь відповідно до заданого регламенту, а також значень показників якості кристалів після обробки злитків і інформації про готову продукцію.

Система управління нижнього рівня забезпечує автоматичне і ручне управління технологічним процесом вирощування злитків кремнію методом Чохральського. У автоматичному режимі управління процесом проводиться від етапу затравлення до етапу вирощування зворотного конуса. У ручному режимі система дозволяє операторові (у разі відмови комп'ютера, що управляє,) довести процес вирощування до кінця з індикацією основних параметрів процесу.

При розробці системи управління обробкою злитків найбільше уваги приділено завданням автоматизації введення в інформаційну базу системи всіх результатів вимірювання фізико-технічних параметрів вирощених кристалів для забезпечення можливості вироблення дій, що коригують виробничий процес, а також завданням автоматизації управління процесами відторцювання і розкрою партії монокристалічних злитків. Синтезовано алгоритми вирішення цих завдань і програмне забезпечення, що їх реалізує. Розглянуто питання сполучення вимірювальних установок з ПЕОМ.

У додатках наводяться статистичні дані про основні технологічні параметри процесу вирощування кристалів, деякі математичні викладення, документи про практичне впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

Підсумок дисертаційної роботи - вирішення важливої науково-практичної проблеми підвищення ефективності виробництва об'ємних Cz-Si-монокристалів великого діаметра шляхом розробки і впровадження організаційно-технологічної системи управління, побудованої на основі концепції комплексної автоматизації управління технологічними процесами виробництва.

Основні результати і висновки дисертаційної роботи:

1. Аналіз специфіки технологічних процесів виробництва об'ємних Cz-Si-монокристалів великого діаметра, існуючих підходів до побудови систем управління ними показав, що подальшого підвищення ефективності виробництва можна досягти шляхом розробки і впровадження автоматизованої системи управління, що охоплює всі технологічні етапи виробництва і що базується на застосуванні стохастичних моделей і методів вирішення завдань оперативного планування і регулювання технологічних процесів.

2. Запропоновано підхід до комплексного рішення різних завдань автоматизації управління технологічними процесами виробництва об'ємних Cz-Si-монокристалів в рамках єдиної системи управління організаційно-технологічного типу, що дозволило за наслідками обробки злитків в режимі run-to-run здійснювати коригування параметрів технологічних процесів компоновки завантажень і вирощування злитків з метою підвищення їх ефективності.

3. Сформульовано основні принципи побудови ОТСУ і визначено її функціональну структуру, на основі методів концептуального аналізу синтезовано дерево цілей ОТСУ процесами виробництва об'ємних Cz-Si-монокристалів і сформовано комплекси вирішуваних завдань.

4. На основі використання теоретико-множинного підходу виконано формалізацію завдання оптимальної компоновки завантажень, запропоновано схему її рішення на основі використання методу випадкового пошуку і виконано її програмну реалізацію, що дозволило виключити вплив «людського чинника» на ефективність процесу компоновки, а також оптимізувати його за критерієм мінімізації наднормативної витрати кремнію-сирцю.

5. Розроблено алгоритмічні і програмні засоби синтезу комбінованих моделей типу «передавальна функція + шум», що реалізують етапи структурної і параметричної ідентифікації моделей і їх діагностичної перевірки, з їх використанням синтезовані моделі для основних каналів управління процесом вирощування об'ємних Cz-Si-монокристалів, що дозволило на їх основі розробити оптимальні регулятори з мінімальною середньоквадратичною похибкою, а також регулятор з прогнозуванням виходу.

6. Досліджено можливість використання для моделювання динаміки процесу вирощування об'ємних Cz-Si-монокристалів класу ARMAХ-моделей, розроблено алгоритм ідентифікації цих моделей, що дозволило отримати модель динаміки процесу вирощування, яка може бути використана для автоматизації управління процесом вирощування з одночасним уточненням параметрів моделі в режимі реального часу.

7. Розроблено новий спосіб вирощування монокристалів і пристрій для його реалізації (на паритетній основі із співавторами деклараційного патенту України), засновані на вимірюванні параметрів меніска і рівня розплаву в тиглі шляхом обробки отриманого з відеокамери зображення зони кристалізації, застосування яких дозволило підвищити точність автоматичного управління параметрами кристала в процесі його росту.

8. Вдосконалено телевізійний метод вимірювання діаметра кристала шляхом оптимізації його параметрів: ширини зони обробки кадру (у рядках ) і порогу яскравості (у градаціях сірого) фільтрації зображення (). Знайдені оптимальні значення цих параметрів =50 і =116 дозволили істотно зменшити час обробки одного кадру зображення і збільшити точність вимірювання діаметра кристала до ±1 мм на його циліндровій частині.

9. Сформульовано, формалізовано і вирішено завдання ухвалення ефективних рішень щодо продовження або припинення процесу вирощування при зривах його нормального протікання (виникненні нештатної ситуації), що дозволило зменшити непродуктивні витрати електроенергії, матеріальних ресурсів і праці.

10. Науково обґрунтовано архітектуру дворівневої автоматизованої системи управління групою ростових установок типу «РЕДМЕТ-30», «РЕДМЕТ-60», що дозволяє знизити витрати на технічні засоби системи управління і підвищити надійність її функціонування шляхом динамічного перерозподілу функцій щодо управління процесом вирощування між рівнями системи.

11. Розроблено структуру, технічне, алгоритмічне і програмне забезпечення системи реєстрації інформації про фізико-технічні параметри вирощених монокристалів на основі сполучення вимірювальних установок з ЕОМ, що забезпечило можливість ведення інформаційної бази з всіма характеристиками монокристалів і технологічними умовами їх виробництва.

12. Запропоновано формалізацію процедури відторцювання монокристалічних злитків, розроблено алгоритм оптимізації стратегії відторцювання злитків на заданому класі стратегій на основі використання методів статистичного моделювання і випадкового пошуку, що дозволяє відшукати стратегію, що мінімізує сумарні витрати, пов'язані з відторцюванням. Синтезовано адаптивну процедуру відторцювання, що базується на використанні адаптивної моделі зміни питомого електроопору за довжиною злитка, що дозволило забезпечити автоматичне налаштування процедури відторцювання на особливості злитків тієї або іншої марки продукції. Шляхом статистичного моделювання показана перевага адаптивної процедури відторцювання у порівнянні з лінійною стратегією і стратегіями, заснованими на використанні методу стохастичної апроксимації.

13. Здійснено постановку завдання оптимального розкрою партії монокристалічних злитків за критерієм ритмічності виконання планових завдань щодо марок продукції і розроблено двоетапний алгоритм його вирішення на основі використання на кожному етапі методів квадратичного програмування.

14. Розроблені математичні моделі і алгоритми управління технологічними процесами компоновки завантажень, вирощування і обробки монокристалічних злитків покладені в основу розробленої в Кременчуцькому університеті економіки, інформаційних технологій і управління організаційно-технологічної системи управління виробництвом об'ємних Cz-Si-монокристалів, до складу якої у вигляді функціональних підсистем увійшли: підсистема «Компоновка», що реалізує автоматизацію управління технологічним процесом компоновки завантажень; підсистема «Кремінь+ », що реалізує автоматизацію процесів управління вирощуванням монокристалічних злитків для групи установок; підсистема «Обробка злитків», що реалізує завдання збору інформації про фізико-технічні параметри вирощених монокристалів, відторцювання злитків і оптимального розкрою партії злитків. Впровадження цих підсистем у складі першої черги ОТСУ на ДП «Завод чистих металів» ВАТ «Чисті метали» і ТОВ «Силікон» (м. Світловодськ) дозволило отримати сумарний економічний ефект 572 тис. грн. на рік за рахунок збільшення виходу придатної продукції завдяки використанню науково-обґрунтованих методів формування шихти і компоновки завантажень, вищої точності регулювання діаметра і забезпечення однорідності розподілу легуючої домішки, зниження концентрації мікродефектів, зниження втрат матеріалу при обробці злитків, а також зменшення витрат електроенергії і матеріальних ресурсів, зниження трудовитрат на одиницю готової продукції завдяки використанню адаптивних алгоритмів управління процесом вирощування, прийняття ефективних рішень при зривах нормального протікання процесу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Оксанич А.П. Автоматизація вирощування монокристалів напівпровідників по методу Чохральського / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко // Проблеми створення нових машин і технологій. - 2000. - Вип. 1(8). - с. 364-367.

Здобувачем сформульовано вимоги до ефективної автоматизованої системи управління процесом вирощування об'ємних монокристалів кремнію, запропоновано її функціональну структуру.

2. Оксанич А.П. Автоматизація і моделювання процесів вирощування структурно-досконалих монокристалів кремнію великого діаметра / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко // АСУ і прилади автоматики. - 2001. - Вип. 117. - с. 165-175.

Для моделювання динаміки процесу вирощування монокристалів здобувачем запропоновано ARARMAX- структуру моделі і алгоритм її ідентифікації.

3. Петренко В.Р. Комп'ютеризована система регулювання діаметра монокристалів кремнію, що вирощуються за методом Чохральського / В.Р. Петренко, М.О. Ткаченко // Системні технології. Збірник наукових праць. - Дніпропетровськ, 2001. - Вип. 4(15). - с. 42-48.

Здобувачем запропоновано спосіб контролю діаметра монокристалічного злитка в процесі його росту.

4. Оксанич А.П. Розробка стохастичних моделей передавальних функцій для системи управління процесом вирощування монокристалів кремнію великого діаметра / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко // Вісник Херсонського державного технічного університету. - 2002. - № 2(15). - с. 360-363.

Здобувачем обґрунтовано доцільність використання при моделюванні передавальних функцій моделей класу APCC, описано алгоритм їх побудови.

5. Оксанич А.П. Оцінювання адекватності стохастичних моделей передавальних функцій системи управління процесом вирощування монокристалів кремнію / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко // Нові технології. - 2004. - № 3(6). - с. 12-14.

Здобувачем запропоновано алгоритми оцінки адекватності стохастичних моделей передавальних функцій і можливі способи її підвищення.

6. Оксанич А.П. Попередня ідентифікація двовходової об'єднаної моделі «передавальна функція - шум» в системі управління процесом вирощування монокристалів кремнію / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко // Системні технології. - 2003. - Вип. 1(24). - с. 164-170.

Здобувачем запропоновано двовходову модель передавальної функції і розроблено алгоритм її попередньої ідентифікації.

7. Оксанич А.П. Автоматизована система управління процесом вирощування досконалих монокристалів кремнію за методом Чохральського (АСУ «Кремінь») / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко, С.Е. Притчин // Нові технології. - 2002. - № 1(1). - с. 7-13.

Здобувачем розроблено функціональну структуру системи, математичне і алгоритмічне забезпечення її підсистем.

8. Авраменко В.П. Специфікація прогнозуючої моделі для системи оперативного управління виробництвом монокристалів кремнію / В.П. Авраменко, В.Р. Петренко, І.Г. Кротюк // Нові технології. - 2003. - № 2(3). - с. 11-17.

Здобувачем запропоновано алгоритмізацію процедури пошуку оцінок максимальної правдоподібності параметрів ARIMAX - моделі передавальної функції з використанням візуалізації області пошуку.

9. Оксанич А.П. Оптимізація алгоритму контролю діаметра злитка кремнію в процесі росту / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко, С.Е. Притчин // Нові технології. - 2004. - № 1-2(4-5). - с. 82-86.

Здобувачем сформульовано завдання оптимізації алгоритму вимірювання діаметра злитка кремнію, здійснено його формалізацію і дослідження.

10. Петренко В.Р. Синтез регулятора діаметра злитка кремнію в процесі вирощування методом Чохральського / В.Р. Петренко // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2008. - № 4 - с. 107-110.

11. Петренко В.Р. Статистичне моделювання процедури відторцювання монокристалічних злитків / В.Р. Петренко // Нові технології. - 2005.-№ 4(10).-с. 3-7.

12. Петренко В.Р. Формування системи показників економічної ефективності підприємства з виробництва монокристалічних напівпровідникових злитків / В.Р. Петренко, К.О. Куделіна // Нові технології. - 2005. - № 4(10). - с. 102-105.

Здобувачем запропоновано концепцію формування збалансованої системи показників економічної ефективності виробництва монокремнію, визначено ряд показників ефективності технологічних процесів.

13. Оксанич А.П. Архітектура і функціональність дворівневої системи управління вирощуванням злитків кремнію / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко, С.Е. Притчин // Радіоелектроніка та інформатика. - 2007. - № 4 (39). - с. 49-53.

Здобувачем запропоновано узагальнену структуру дворівневої системи управління і визначено функціональність верхнього рівня системи.

14. Петренко В.Р. Концептуальна модель організаційно-технологічної системи управління виробництвом монокристалічного кремнію / В.Р. Петренко // Нові технології. - 2006. - № 1(11). - с. 89-100.

15. Петренко В.Р. Синтез ARIMA - моделей динаміки техніко-економічних показників виробництва монокристалічного кремнію / В.Р. Петренко, К.О. Куделіна, Л.Г. Шепель // Нові технології. - 2006. - № 2(12). - с. 189-196.

Здобувачем запропоновано для моделювання і прогнозування ряду техніко-економічних показників виробництва монокремнію використовувати ARIMA-моделі, алгоритмізовано процедуру синтезу моделей.

16. Петренко В.Р. Адаптивна стратегія відторцювання монокристалічних злитків / В.Р. Петренко, Е.Е. Холопян // Нові технології. - 2006. - № 3(13). - с. 76-81.

Здобувачем розроблено адаптивну стратегію відторцювання монокристалічних злитків і запропоновано алгоритм її реалізації.

17. Оксанич А.П. Автоматизована система управління компоновкою завантажень при вирощуванні монокристалів кремнію для сонячних ФЕП / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко // Автоматизовані системи управління і прилади автоматики. - 2008. - Випуск 142. - с. 17-42.

Здобувачем обґрунтовано доцільність розробки системи, синтезовано функціональну структуру системи, виконано формалізацію завдання оптимальної компоновки завантажень і запропоновано алгоритм її рішення.

18. Петренко В.Р. Порівняльний аналіз стратегій відторцювання монокристалічних злитків / В.Р. Петренко // Вісник Херсонського національного технічного університету. - 2007. № 3(29). - с. 179-183.

19. Петренко В.Р. Прийняття оптимальних рішень при виникненні умов дислокаційного зростання монокристалів кремнію за методом Чохральського / В.Р. Петренко, Л.Г. Шепель // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - 2007. - № 2(15). - С. 100-104.

Здобувачем здійснено формальну постановку завдання, визначено можливі варіанти рішень при зриві бездислокаційного росту кристала, синтезовано критерії оптимальності варіантів рішень.

20. Оксанич А.П. Оптимізація рішень при виникненні нештатних ситуацій в процесі вирощування монокристалів кремнію / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко, Л.Г. Шепель // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - 2007. - Ч. 2, Вип. 3/2007 (44). - С. 164-168.

Здобувачем визначено фактичні значення величин, що впливають на ефективність рішень, і виконано оцінку ефективності варіантів рішень за різних умов виникнення нештатної ситуації з подальшою графічною візуалізацією.

21. Петренко В.Р. Автоматизована система промислового контролю параметрів злитків монокристалічного кремнію / В.Р. Петренко, С.Е. Притчин // Нові технології. - 2007. - № 4(18). - С. 95-101.

Здобувачем виконано аналіз особливостей промислового контролю параметрів злитків монокристалічного кремнію. Розроблено функціональну схему автоматизованої системи контролю параметрів злитків кремнію на базі локальної мережі і запропоновано протокол обміну даними між вимірювальними установками і ЕОМ.

22. Петренко В.Р. Алгоритмізація вирішення задачі оптимальної компоновки завантажень у виробництві Cz-Si монокристалів / В.Р. Петренко, І.В. Шевченко // Нові технології. - 2008. - №1(19). - С.173-177.

Здобувачем на змістовному і формальному рівнях сформульовано завдання оптимальної компоновки завантажень з використанням оборотного кремнію у виробництві Cz-Si монокристалів. Розроблено алгоритм рішення задачі, заснований на використанні методу випадкового пошуку, досліджено його роботу і надано рекомендації щодо вибору раціональних значень параметрів алгоритму.

23. А. с. 1410400 СРСР, МКИ B 28 D 5/00, G 06 F 15/20. Пристрій для управління відторцюванням напівпровідникових матеріалів / О.К. Ілюнін, В.А. Коросташов, В.Р. Петренко, А.Г. Рогалін, В.В. Сергійчук (СРСР). - № 3994395/31-33 ; заявл. 24.12.85 ; опубл. 14.04.87, Бюл. № 12.

Здобувач запропонував використовувати в пристрої математичну модель зміни питомого електроопору, що навчається, залежно від довжини кристала.

24. А. с. 1457648 СРСР, МКИ G 06 F 15/20. Обчислювальний пристрій для управління відторцюванням напівпровідникових монокристалів / О.К. Ілюнін, А.Г. Рогалін, Б.І. Мовшиц, В.Р. Петренко, В.В. Сергійчук (СРСР). - № 4179171 ; заявл. 07.01.87 ; опубл. 07.08.88, Бюл. №.29.

Здобувачем запропоновано спосіб пошуку оптимальної послідовності параметрів управляючого алгоритму.

25. Пат. 47988А Україна, З 30 В 15/20, З 30 В 15/126. Спосіб вирощування монокристала та пристрій для його здійснення / О.В. Третьяков, А.П. Оксанич, С.Е. Притчин, В.Р. Петренко, О.О. Слюсаренко.; заявники і патентовласники О.В. Третьяков, А.П. Оксанич, С.Е. Притчин, В.Р. Петренко, О.О. Слюсаренко. - № 2002021161 ; заявл. 12.02.02 ; опубл. 15.07.02, Бюл. №7

Здобувачем запропоновано і науково обґрунтовано способи визначення параметрів меніска і рівня розплаву в тиглі на основі обробки отримуваного з відеокамери зображення зони кристалізації.

26. Петренко В.Р. Система перевірки працездатності датчиків і виконавчих механізмів системи управління виробництвом монокристалів кремнію / В.Р. Петренко, В.І. Яценко // Наука - незалежній Україні. Наукові праці УАННП. - 2000. - с. 131-135.

Здобувачем визначено структуру і функціональність системи і запропоновано алгоритм її функціонування.

27. Вашерук О.В. Нові підходи до побудови автоматизованої системи вирощування злитків монокристалічного кремнію діаметром 200-300 мм методом Чохральського / О.В. Вашерук, І.Г. Кротюк, А.П. Оксанич, В.Р. Петренко,С.Е. Притчин // Матеріали П'ятої міжнародної конференції [«Ріст монокристалів і тепломасоперенос» (ICSC-03)], (Обнінськ, Росія, 19-21 вересня 2003 р.). - Обнінськ: ГНЦ РФ ФЕІ, у 4-х томах, 2003. - с. 109-117.

Здобувачем запропоновано функціональну структуру системи, виконано структурно-параметричну ідентифікацію моделей передавальної функції, що використовується в каналі регулювання діаметра кристала.

28. Оксанич А.П. Керування об'ємом міжрівневого інформаційного обміну в дворівневій системі управління вирощуванням зливків кремнію / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко // Матеріали Ювілейної Х Міжнародної конференції [«Фізика і технологія тонких плівок» (МКФТТП)], (Івано-Франківськ, 16-21 травня 2005 р., Івано-Франківськ, Т. 2) / М-во освіти і науки України, Нац. Акад. наук України [та ін.]. - Івано-Франківськ: Гостинець, 2005, у 2-х томах. - с 194-195.

Здобувачем запропоновано новий підхід до організації інформаційного обміну між рівнями в дворівневій системі управління вирощуванням монокристалічних злитків.

29. Петренко В.Р. Автоматизована дворівнева система управління процесом витягування злитків монокристалічного кремнію / В.Р. Петренко, А.П. Оксанич, С.Е. Притчин // Матеріали Шостої міжнар. конф. [«Ріст монокристалів і тепломасоперенос» (ICSC-05)], (Обнінськ, Росія, 25-30 вересня 2005 р.). - Обнінськ: ГНЦ РФ ФЕІ, у 4-х томах, 2005. - с 255-261.

Здобувачем запропоновано узагальнену структуру дворівневої системи управління і визначено її функціональність.

30. Петренко В.Р. Удосконалення вимірювального тракту спектрофотометра з метою підвищення точності вимірювання кисню в злитках кремнію / В.Р. Петренко, С.Е. Притчин, Роїк В.В. // Зб. наук. праць за матеріалами 2-го Міжнародного радіоелектронного форуму «Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку» МРФ-2005, 19-23 вересня 2005 р., Харків, Т. 7 / Акад. наук прикладної радіоелектроніки. Харк. нац. ун-т. радіоелектроніки [та ін.] - Харків: АНПРЕ, ХНУРЕ, 2005. - с 283-286.

Здобувачем виконано теоретичний аналіз похибок вимірювання концентрації кисню в злитках кремнію.

31. Оксанич А.П. Алгоритмізація процедури компоновки загрузок при вирощуванні монокристалів кремнію для сонячних ФЕП / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко, В.А. Тербан, Л.Г. Шепель // Зб. наук. праць за матеріалами першої міжнар. конф. «Глобальні інформаційні системи. Проблемі та тенденції розвитку», 3-6 жовтня 2006 р. / М-во освіти і науки України, Харк. нац. ун-т радіоелектроніки. - Харків: ХНУРЕ, 2006. - с. 63-65.

Здобувачем запропоновано модельний опис завдання оптимальної компоновки завантажень і запропоновано алгоритм його вирішення.

32. Оксанич А.П. Оптимізація процесу контролю діаметра зливка кремнію у процесі росту / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко, С.Е. Притчин // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології. Тези доповідей на першій науковій конференції з міжнародною участю: 14-17 квітня 2004 р.. Кременчук, Україна. Збірник тез доповідей. - Кременчук: ІЕНТ, 2004. - с. 86-89.

Здобувачем виконано формалізований опис завдання оптимізації алгоритму вимірювання діаметра злитка, встановлено оптимальні значення параметрів алгоритму.

33. Петренко В.Р. Концептуальна модель організаційно-технологічної системи управління виробництвом монокристалічного кремнію / В.Р. Петренко // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології. Тези доповідей на ІІ науково-технічної конференції з міжнародною участю (МЕТІТ-2): 17-19 травня 2006 р., Кременчук, Україна. - Кременчук: КУЕІТУ, 2006. - с. 145-146.

34. Oksanych A.P. TWO-level system of controlling the process of Cz-Si single crystals growing / A.P. Oksanych, V.R. Petrenko // Proceedings “Forum on Higher Education”. Congress of the Black Sea Universities Network, April 2-5, 2008. - Kyiv, 2008. - p. 111-112.

Здобувачем синтезовано структуру дворівневої системи управління процесом вирощування об'ємних Cz-Si монокристалів та визначено функціональні системи.

35. Петренко В.Р. Алгоритмізація вирішення задачі оптимальної компоновки завантажень при виробництві Cz-Si монокристалів / В.Р. Петренко, І.В. Шевченко // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології. Тези доповідей на ІІІ міжнародній науково-практичній конференції МЕТІТ-3, присвяченій 90-річчю НАНУ : 21-23 травня 2008 р., Кременчук. - Кременчук, КУЕІТУ. - 2008. - с. 236-237.

Здобувачем розроблено алгоритм вирішення задачі оптимальної компоновки завантажень, виконано дослідження роботи алгоритму при різних значеннях його параметрів з метою їх оптимізації.

36. Петренко В.Р. Про нештатні ситуації у процесі вирощування Cz-Si монокристалів / В.Р. Петренко, Н.О. Фаріонова // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології. Тези доповідей на ІІІ міжнародній науково-практичній конференції МЕТІТ-3, присвяченій 90-річчю НАНУ : 21-23 травня 2008 р., Кременчук. - Кременчук, КУЕІТУ. - 2008. - с. 239-240.

Здобувачем запропоновано визначення поняття «нештатна ситуація» та його формалізований опис, на основі якого синтезовано інформаційну технологію автоматичного виявлення нештатних ситуацій.

АНОТАЦІЯ

Петренко В.Р. Автоматизація управління технологічними процесами виробництва об'ємних Cz-Si монокристалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - Автоматизація процесів керування. - Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, Кременчук, 2008.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-практичної проблеми - підвищення ефективності виробництва об'ємних Cz-Si-монокристалів шляхом розробки й впровадження організаційно-технологічної системи керування технологічними процесами компоновки завантажень, вирощування й обробки монокристалічних злитків на основі синтезованих моделей, адаптивних алгоритмів і програмно-технічних засобів керування багатовимірними стохастичними й нестаціонарними технологічними процесами.

Формалізовано завдання оптимальної компоновки завантажень, запропонована схема його вирішення на основі використання методу випадкового пошуку для мінімізації наднормативної витрати кремнію-сирцю.

Розроблено алгоритмічні й програмні засоби синтезу комбінованих моделей типу «передавальна функція + шум», що реалізують етапи структурної й параметричної ідентифікації моделей і їхньої діагностичної перевірки, а також синтезовані регулятори на основі цих моделей. Розроблено новий спосіб вирощування монокристалів і пристрій для його реалізації, засновані на вимірі параметрів меніска й рівня розплаву в тиглі шляхом обробки отриманого з відеокамери зображення зони кристалізації.

Розроблено адаптивну процедуру відторцювання злитків, модель та алгоритм вирішення задачі оптимального розкрою партії злитків.

Концепція комплексної автоматизації керування технологічними процесами виробництва об'ємних Cz-Si-монокристалів, розроблені математичні моделі й алгоритми керування технологічними процесами покладені в основу розробленої ОТСУ виробництвом об'ємних Cz-Si-монокристалів.

Ключові слова: технологічний процес, автоматизація керування, стохастичні моделі, ідентифікація, моделювання, алгоритм, адаптивне керування, регулювання, монокристалічний кремній.

Петренко В.Р. Автоматизация управления технологическими процессами производства Cz-Si монокристаллов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.07 - Автоматизация процессов управления. - Кременчугский университет экономики, информационных технологий и управления, Кременчуг, 2008.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-практической проблемы - повышения эффективности производства объемных Cz-Si-монокристаллов путем разработки и внедрения организационно-технологической системы управления технологическими процессами компоновки загрузок, выращивания и обработки монокристаллических слитков на основе синтезированных моделей, адаптивных алгоритмов и программно-технических средств управления многомерными стохастическими и нестационарными технологическими процессами.

Анализ специфики технологических процессов производства объемных Cz-Si-монокристаллов большого диаметра, существующих подходов к построению систем управления ими показал, что дальнейшего повышения эффективности производства можно достичь путем разработки и внедрения автоматизированной системы управления, охватывающей все технологические этапы производства и базирующейся на применении стохастических моделей и методов решения задач оперативного планирования и регулирования технологических процессов.

Предложен подход к комплексному решению различных задач автоматизации управления технологическими процессами производства объемных Cz-Si-монокристаллов в рамках единой системы управления организационно-технологического типа, что позволило по результатам обработки слитков в режиме run-to-run осуществлять корректировку параметров технологических процессов компоновки загрузок и выращивания слитков с целью повышения их эффективности.

Сформулированы основные принципы построения организационно-технологической системы управления (ОТСУ) и определена ее функциональная структура, что позволило на основе методов концептуального анализа синтезировать дерево целей ОТСУ процессами производства объемных Cz-Si-монокристаллов и сформировать комплексы решаемых задач.

На основе использования теоретико-множественного подхода выполнена формализация задачи оптимальной компоновки загрузок, предложена схема ее решения на основе использования метода случайного поиска, что позволило исключить влияние «человеческого фактора» на эффективность процесса компоновки, а также оптимизировать его по критерию минимизации сверхнормативного расхода кремния-сырца.

Разработаны алгоритмические и программные средства синтеза комбинированных моделей типа «передаточная функция + шум», реализующие этапы структурной и параметрической идентификации моделей и их диагностической проверки. На основе синтезированных моделей разработаны регуляторы для основных каналов управления процессом выращивания объемных Cz-Si-монокристаллов, оптимальные в смысле минимума среднеквадратичной ошибки, и регулятор с прогнозированием выхода.

Исследована возможность использования для моделирования динамики процесса выращивания объемных Cz-Si-монокристаллов класса ARMAХ-моделей, разработан алгоритм идентификации этих моделей, что позволило получить модель динамики процесса выращивания, которая может быть использована для автоматизации управления процессом выращивания с одновременным уточнением параметров модели в режиме реального времени.

Разработана методика синтеза прогнозного регулятора на основе полученных в работе соотношений, позволяющих существенно упростить расчеты, связанные с синтезом регулятора.

Разработан новый способ выращивания монокристаллов и устройство для его реализации, основанные на измерении параметров мениска и уровня расплава в тигле путем обработки полученного с видеокамеры изображения зоны кристаллизации.

Усовершенствован телевизионный метод измерения диаметра кристалла путем оптимизации его параметров: ширины зоны обработки кадра (в строках, ) и порога яркости (в градациях серого) фильтрации изображения (). Найденные оптимальные значения этих параметров =50 и =116 позволили существенно уменьшить время обработки одного кадра изображения и увеличить точность измерения диаметра кристалла до ±1 мм на его цилиндрической части.

Научно обоснована архитектура двухуровневой автоматизированной системы управления группой ростовых установок типа «РЕДМЕТ-30», «РЕДМЕТ-60», позволяющей снизить затраты на технические средства системы управления и повысить надежность ее функционирования.

Разработана адаптивная процедура оторцовки слитков, базирующаяся на использовании адаптивной модели изменения удельного электросопротивления по длине слитка, что позволило обеспечить автоматическую настройку процедуры оторцовки на особенности слитков той или иной марки продукции. Предложен двухэтапный алгоритм решения задачи оптимального раскроя партии слитков.

Разработана структура, техническое, алгоритмическое и программное обеспечение системы регистрации информации о физико-технических параметрах выращенных монокристаллов на основе сопряжения измерительных установок с ЭВМ, что обеспечило возможность ведения информационной базы с полным набором характеристик монокристаллов и технологических условий их производства.

Концепция комплексной автоматизации управления технологическими процессами производства объемных Cz-Si-монокристаллов, разработанные математические модели и алгоритмы управления технологическими процессами компоновки загрузок, выращивания и обработки монокристаллических слитков положены в основу разработанной ОТСУ производством объемных Cz-Si-монокристаллов, внедрение первой очереди которой на ДП «Завод чистых металлов» ОАО «Чистые металлы» и ООО «Силикон» (г. Светловодск) позволило получить значительный экономический эффект.

Ключевые слова: технологический процесс, автоматизация управления, стохастические модели, идентификация, моделирование, алгоритм, адаптивное управление, регулирование, монокристаллический кремний.

Petrenko V.R. Automation of controlling technological processes for solid Cz-Si-monocrystals production. - Manuscript.

The thesis on obtaining the Doctor's Degree of Engineering Sciences on speciality 05.13.07 - Automation of controlling processes. - Kremenchuk University of Economics, Information Technologies and Management, Kremenchuk, 2007.

The thesis deals with the solving of scientific-practical problem - to increase the efficiency of producing solid Cz-Si-monocrystals by developing and introducing organizational and technological system of technological process control of loading arrangements, monocrystals bars growing and treatment on the synthesized models basis, adaptive algorithms and program technical tools of controlling multimeasuring stochastic and non-stationary technological processes.

The task of optimum loading arrangements was formalized, the scheme of its solving on the basis of genetic algorithm for minimization of supernormative silicon raw usage was offered.

The algorithmic and program means of synthesis for “transmitting function+noise” combined models which implement the stages of structural and parametrical models' authentication and diagnostic verification were developed, as well as regulators on the basis of these models were synthesized. The new method for monocrystal growing and the device for its implementation were developed, which are based on measuring the meniscus parameters and fusion levels in crucible by processing the representation of crystallization zone obtained from the camcorder.

The adaptive procedure of ingots' facing, the model and algorithm for solving the task of optimum ingots' cutout were developed.

The conception of complex automation control for technological processes of producing solid Cz-Si-monocrystals was presented, the mathematical models and algorithms for controlling technological processes are used as a basis for developed OTSU production of solid Cz-Si- monocrystals.

Keywords: technological process, automation of controlling, stochastic models, authentication, design, algorithm, adaptive control, adjustment, monocrystal silicon.

Размещено на Allbest.ru

...