張浩 任正云 馮雪 汪文斌

摘? 要 自動化技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，自動化專業(yè)也隨之興起。但是，由于自動化專業(yè)課程較多，有些課程枯燥乏味，缺乏趣味性，因此，許多學(xué)生缺少學(xué)習(xí)興趣。加強本科生自動化工程項目的參與，使學(xué)生在項目參與中了解專業(yè)課程的重要性，從而提高對于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，就顯得勢在必行。

關(guān)鍵詞 自動化專業(yè);工程項目;單晶硅

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）14-0096-03

Strengthen Participation of Undergraduate Automation Project and Enhance Undergraduate Students Interest in Professional Course： A Case Study of Single Crystal Silicon Growth Furnace//

ZHANG Hao， REN Zhengyun， FENG Xue， WANG Wenbin

Abstract Automation technology is applied more and more widely， and automation specialty is also rising. However， there are many courses of automation specialty， some of which are boring， so many

students lack interest in learning. Therefore， it is necessary to streng-

then the participation of undergraduate automation engineering pro-jects， so that students can understand the importance and interesting aspects of professional courses in the project participation， so as to enhance their interest in professional courses.

Key words automation specialty; engineering projects; single crystal

silicon

1 引言

自動化技術(shù)形成于18世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代，是指機器設(shè)備、系統(tǒng)或過程在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經(jīng)過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)的過程。近些年，隨著自動化技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、商業(yè)、醫(yī)療和家庭等方面的應(yīng)用，從事自動化專業(yè)以及自動化專業(yè)相關(guān)的人逐漸增多，因此，高校中的自動化專業(yè)隨之興起。目前，我國設(shè)有自動化專業(yè)的高校已經(jīng)達(dá)到400多座，基本上工科院校都開設(shè)有自動化專業(yè)或自動化相關(guān)專業(yè)[1]。

自動化專業(yè)涉及領(lǐng)域十分廣泛，學(xué)習(xí)的課程也比較多，譬如電路原理、計算機原理及應(yīng)用、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動控制理論、現(xiàn)代控制理論、微機原理與接口技術(shù)、單片機原理與應(yīng)用、信號與系統(tǒng)分析、自動化概論、嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計、最優(yōu)化技術(shù)、C語言程序設(shè)計、數(shù)學(xué)建模、自動檢測技術(shù)等。但是，當(dāng)今許多高校的學(xué)生在學(xué)習(xí)這些課程時并不知道課程的目的是什么，學(xué)了有什么用，或者與具體的工業(yè)過程、工程項目有什么關(guān)系，再加上課程本身缺乏趣味性，導(dǎo)致許多學(xué)生對相關(guān)課程缺少學(xué)習(xí)興趣。本文通過具體的工程項目，指出本科教學(xué)與工程項目之間的關(guān)系，明確學(xué)習(xí)相關(guān)課程的意義和目的，以提高學(xué)生對自動化專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣。

2 單晶硅生長爐項目

單晶硅即硅的單晶體，是一種良好的半導(dǎo)體材料，是信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料，由高純度的多晶硅在單晶硅生長爐內(nèi)拉制而成，在我國的現(xiàn)代化建設(shè)中有著十分重要的地位。單晶硅的直徑誤差是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要標(biāo)志，這就要求盡可能減少人工參與。然而我國單晶硅生產(chǎn)的自動化控制水平還比較低，國內(nèi)消耗的大部分高質(zhì)量的單晶硅還是依賴進(jìn)口。因此，研究出一種好的單晶硅的控制方法是十分有必要的，必將帶來巨大的經(jīng)濟效益。本項目就是提出了一種新的單晶硅生長的控制方法。

單晶硅的具體生產(chǎn)過程為：把高純度的多晶硅原料放入石英坩堝，通過石墨加熱器產(chǎn)生的高溫使其熔化，然后將一根固定在軸上的籽晶浸入溶液表面;如果溫度合適，溶液中的硅原子以特定的結(jié)構(gòu)在固液面分布結(jié)晶，構(gòu)成單晶體，然后沿豎直方向旋轉(zhuǎn)且緩慢地提拉籽晶，晶體便會在籽晶下端生長;晶體不斷生長，待大部分硅原子完成結(jié)晶時，通過控制溫度和晶體提拉速度，使晶體直徑逐漸縮小成一個錐體，單晶硅棒由此成型[2]。單晶硅生長爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

影響單晶硅直徑的主要因素是提拉速度和液面溫度，提拉速度變快時，直徑也迅速變小;液面溫度升高時，硅棒的直徑也變小，但由于熱場過程是大滯后、非線性過程，因此反應(yīng)比較慢。經(jīng)過綜合考慮，本項目采用雙重預(yù)測PI方法來進(jìn)行控制[3]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

通過單晶硅生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)建立起“灰箱模型”，確定模型的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。根據(jù)模型設(shè)計相應(yīng)的控制器，并通過實時監(jiān)測軟件獲取信息，監(jiān)測界面如圖3所示。

3 工程項目與課程之間關(guān)系

在一個自動化項目實施過程中需要許多本科課程的知識，需要課程之間的相互配合。以單晶硅生長爐項目為例，所需知識如下。

設(shè)計如圖1所示的系統(tǒng)框圖需要用到自動控制原理課程第二章“自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”、第六章“控制系統(tǒng)的綜合與校正”中的知識和過程控制系統(tǒng)課程第三章“過程控制系統(tǒng)設(shè)計”中的知識，主要是如何確定控制目標(biāo)、控制方案。

通過生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)建立相關(guān)模型，需要過程控制系統(tǒng)課程第二章“過程控制系統(tǒng)建模方法”中機理建模法、測試建模法、具有純延遲的單容對象特性等相關(guān)知識，數(shù)學(xué)模型課程中簡單的優(yōu)化模型、微分方程模型、差分方程模型等知識。

模型建立起來需要Matlab控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計課程第三章“Simulink仿真”中Simulink模型如何創(chuàng)建、仿真運行、遇到問題后如何調(diào)試，第四章“經(jīng)典控制理論設(shè)計與仿真”中單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)和單位斜坡響應(yīng)等知識。

相關(guān)算法的編寫則需要C程序設(shè)計課程第二章“算法——

程序的靈魂”、第三章“簡單的C程序設(shè)計——順序程序設(shè)計”、第四章“選擇結(jié)構(gòu)程序設(shè)計”中的知識。以上幾章都只是編寫一個簡單算法所需要的知識，此外還需要了解自動控制原理課程中的離散控制系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型課程中的離散模型等知識。

相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲需要數(shù)據(jù)庫與軟件工程課程第一章“數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識”中關(guān)于數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理的知識，包括組織和保存數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)的維護、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計;還有第八章“數(shù)據(jù)庫保護技術(shù)”中數(shù)據(jù)庫的安全性、完整性、恢復(fù)技術(shù)等知識。

監(jiān)測單晶硅生長爐的狀態(tài)則需要數(shù)字圖像處理課程與自動檢測技術(shù)課程的知識。例如，想要監(jiān)測生長爐中的壓力狀態(tài)，則需要自動檢測技術(shù)課程第四章“壓力測量”中的知識;想要監(jiān)測液面溫度和溶液溫度，則需要第五章“溫度測量”中的知識，這樣才知道是選用電阻式測溫、電偶式測溫、輻射式測溫還是紅外式測溫;想要監(jiān)測生長爐中的物位，決定什么時候收尾，則需要第七章“物位測量”中的知識，決定是選擇浮力式、電容式還是超聲波液位測量。此外，想要準(zhǔn)確確定單晶硅生長的不同狀態(tài)，則需要運用CCD圖像測量技術(shù)，這就需要數(shù)字圖像處理課程的知識。

而不同軟件通過網(wǎng)絡(luò)連接一起進(jìn)行仿真時，需要工業(yè)以太網(wǎng)的原理與應(yīng)用課程的知識，需要了解第一章“自動化領(lǐng)域中的以太網(wǎng)”中以太網(wǎng)、路由器、虛擬局域網(wǎng)、建立連接與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫娴闹R，第三章“組態(tài)與規(guī)劃”中OPC、以太網(wǎng)/工業(yè)協(xié)議（Ethernet/IP）、Modbus TCP的知識。

工程項目與自動化本科課程之間的關(guān)系如圖4所示，可以看出二者之間的密切關(guān)系。只有認(rèn)真學(xué)習(xí)了本科的相關(guān)課程，才能做好一個工程項目;同樣，只有通過一個工程項目，才能讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)相關(guān)課程的意義，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)語

本科課程的學(xué)習(xí)是為了工程項目的更好實施，為了工程項目的順利實施，才會認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)課程。所以，二者相輔相成，想要提高本科生對于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，則需要加強其對本科工程項目的參與度。■

參考文獻(xiàn)

[1]王娜，李浩.淺談自動化專業(yè)發(fā)展前景[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（14）.

[2]劉秀.基于雙重預(yù)測PI的單晶硅直徑控制系統(tǒng)[D].上海：東華大學(xué)，2016.

[3]劉秀，任正云，李春陽.雙重預(yù)測PI算法在單晶硅生長爐中的應(yīng)用[J].控制工程，2016（6）：890-894.