【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】明明PLC也能做高精度控制，為什么不選呢？這中間涉及到了硬件架構(gòu)、算法設(shè)計(jì)，以及整個系統(tǒng)易用性等方面的考量。
在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域，當(dāng)精度要求提升至±0.1℃甚至更高時，比如在半導(dǎo)體制造、精密材料加工等行業(yè)里，越來越多的人傾向于選擇專門的溫控器，而非傳統(tǒng)的PLC。
精度高只是第一道檻
談及PLC和專門溫控器做溫控的共同點(diǎn)，不管是溫控器還是PLC，PID控制都是應(yīng)用比較廣泛的原理之一。
在對溫度控制精度要求低的場景里，傳統(tǒng)的單一PID確實(shí)夠用。但當(dāng)面對更復(fù)雜的情況，比如半導(dǎo)體制造的芯片蝕刻、薄膜沉積等場景里，就會顯得捉襟見肘，因?yàn)椋?br />
■一方面，半導(dǎo)體制造工藝需要很高的采樣率、量測精度和顯示精度等，通常顯示精度要求至少達(dá)到0.01℃，控溫精度更是要小于0.1℃，部分場景甚至需達(dá)到0.05℃；
■另一方面，半導(dǎo)體制造設(shè)備自身的特性會阻礙溫控的精準(zhǔn)性，比如加熱爐通過熱輻射完成升溫，會有明顯的滯后性，很容易引發(fā)溫度超調(diào)或調(diào)節(jié)不及時，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。
對精度高的要求，已經(jīng)讓多數(shù)PLC產(chǎn)品望塵莫及，即便在硬件升級后，大部分PLC也很難穩(wěn)定達(dá)到如此高的精度標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)然，除了提升精度的難點(diǎn)，要減少測溫、讀數(shù)誤差，解決加熱系統(tǒng)滯后性，還需要引入更優(yōu)的算法，包括PID串級控制、前饋控制、引入AI溫控算法等。
■同樣精度，通用PLC“隱形成本”更高
我們姑且假設(shè)一臺PLC的硬件條件已經(jīng)達(dá)標(biāo)——比如某些高端性能的PLC具備10ms級采樣周期、16位以上的ADC分辨率。參數(shù)看似接近專用溫控器，但遇到一些非線性、大滯后、多變量耦合的溫控場景，這些短板就會被放大：
■從 “0” 到 “1” ，算法開發(fā)不易
部分PLC的本質(zhì)是通用型控制平臺。專用溫控器內(nèi)置的串級PID、前饋補(bǔ)償?shù)群诵乃惴ǎ赑LC中需依賴用戶自行編寫、調(diào)試參數(shù)，這對人員的要求很高。
■調(diào)試和試錯成本過高
PLC的溫度控制程序高度依賴人工調(diào)參，復(fù)雜場景下的PID參數(shù)整定(如半導(dǎo)體蝕刻爐的溫度超調(diào)抑制)需要具備多學(xué)科知識、經(jīng)驗(yàn)豐富的人才。
一般來說，光是前饋算法的調(diào)試周期就長達(dá)2-3周，這些都是不能忽視的“隱形成本”，且參數(shù)適配性差，更換設(shè)備后需重新開發(fā)，這和專用溫控器 “即插即用” 的功能形成鮮明對比。
技術(shù)固化和封裝——從“通用”到“專用”
綜合來看，PLC的開放性架構(gòu)固然靈活，但做精準(zhǔn)控溫時，專用溫控器的優(yōu)勢除了高精度、高可靠性的基礎(chǔ)功能外，它還將行業(yè)共性難題的解決方案，固化成了“知識庫”，在無形中能大幅減少企業(yè)的人員、資金與時間投入成本。
比如最近臺達(dá)推出的DTDM系列模塊化溫度控制器，有著出色的硬件規(guī)格和自研算法，在性能上已經(jīng)可以和國外一些優(yōu)秀的產(chǎn)品媲美。其中一些面向精準(zhǔn)溫控應(yīng)用的設(shè)計(jì)，對理解溫控技術(shù)發(fā)展有著參考價值：
■硬件采用模塊化設(shè)計(jì)
臺達(dá)DTDM系列溫控器采用了靈活的模塊化設(shè)計(jì)，4路通道、2個串級PID回路，單一DTDM群組最多可串接8臺測量機(jī)，進(jìn)行32組PID控制。
這樣用戶就能根據(jù)實(shí)際需求自由組合測量主機(jī)、測量擴(kuò)展機(jī)、數(shù)字輸入輸出模塊以及通訊模塊，所以不管是簡單還是復(fù)雜的功能應(yīng)用，都能夠隨意調(diào)用。
產(chǎn)品的采樣周期壓縮到了10ms，借助自帶的溫度校正折線表，能提供14 組溫度校正點(diǎn)以及轉(zhuǎn)折點(diǎn)或偏移量兩種補(bǔ)償方式，能有效消除誤差，確保測量的準(zhǔn)確性。
■控制算法提前封裝
串級PID控制：破解滯后性難題
DTDM系列溫控器把外/內(nèi)(主/從)兩個控制回路串聯(lián)運(yùn)作，主控制器根據(jù)目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度的偏差輸出控制信號，從控制器根據(jù)設(shè)定值控制加熱設(shè)備，二者協(xié)同就能快速消除因?yàn)檫t滯效應(yīng)或其他干擾造成的溫度落差，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控溫。
針對特殊加熱設(shè)備的溫度擾動狀況，前饋控制能在檢測到溫度變化的瞬間，預(yù)先補(bǔ)償已知的熱量損失，超前調(diào)節(jié)以降低溫度變化。和PLC產(chǎn)品相比，DTDM系列溫控器前饋補(bǔ)償功能，在半導(dǎo)體干式蝕刻這類工藝?yán)铮艽_溫度穩(wěn)定、提升產(chǎn)品質(zhì)量。
現(xiàn)在，很多溫控器廠商都會針對細(xì)分行業(yè)(如半導(dǎo)體蝕刻、薄膜沉積、鋰電池?zé)Y(jié))的工藝特點(diǎn)，內(nèi)置行業(yè)專屬控制算法。比如臺達(dá)在產(chǎn)品研發(fā)的過程中，就非常注重結(jié)合行業(yè)Know-How優(yōu)化算法。
DTDM系列特別適合半導(dǎo)體晶圓加工設(shè)備，如化學(xué)氣相沉積系統(tǒng) (CVD)、物理氣相沉積系統(tǒng) (PVD)、氧化擴(kuò)散爐、硅蝕刻機(jī)、原子層沉積系統(tǒng) (ALD) 等。以后，臺達(dá)也會繼續(xù)和行業(yè)用戶持續(xù)豐富系列產(chǎn)品的功能，做更多定制開發(fā)。
總結(jié)
專用控溫器之所以有不可替代性，是因?yàn)樵?ldquo;精準(zhǔn)控溫”的語境下，控制技術(shù)需要從 “通用” 走向 “專用”，從 “湊合用” 走向 “更精準(zhǔn)”。
硬件可靠靈活、算法前置封裝、應(yīng)用場景化——這也就是為什么在需要做精準(zhǔn)溫控的時候，大家更傾向于用專門的溫控器，而不是通用的PLC了！
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