针对在磷酸二氢钾晶体生长过程中，生长溶液自发结晶导致杂晶颗粒不断增加，破坏溶液的稳定性，损害晶体的光学品质等问题，设计了连续过滤系统。该系统对生长溶液进行连续过滤循环，溶解杂晶，滤除杂质，为晶体生长提供更加稳定的溶液环境。同时设计了晶体培养过程自动控制系统，为获得高质量晶体提供保证。

KDP晶体一般多采用水溶液缓慢降温法来生长，因为其水溶液具有较大的温度系数、较高的溶解度和较宽的亚稳定区域［1］。水溶液法培养KDP晶体，生长溶液的过饱和度为晶体生长提供驱动力，直接影响着晶体的生长速度。过饱和度越大，晶体的生长速度越快。同时溶液的过饱和度又影响着溶液的稳定性，溶液的过饱和度越大，其稳定性越低，越容易出现自发结晶成核现象。在生长大尺寸KDP晶体时，要兼顾生长速度与溶液的稳定性，使晶体的生长速度、尺寸大小、光学品质等都能达到要求。

为了解决上述问题，使KDP晶体具有大尺寸、快速生长、高光学质量的特性，对传统的育晶槽进行改进，加入连续过滤装置［2-3］。

控制要求

本文所采用的晶体培养连续过滤装置总体上可以分为两部分：育晶槽部分和连续过滤部分。育晶槽部分需要控制的环节有温度、PH、载晶架和搅拌器，连续过滤部分需要控制的环节有温度和流量。

温度控制系统

温度控制子系统的控制任务包括两方面，一方面对育晶槽内的温度环境进行调整，使溶液的过饱和度稳定变化；另一方面对连续过滤装置中的相关温度节点进行调整，使之达到连续过滤的温度要求。

温度控制子系统中设计3个控制回路：育晶槽温度控制回路、热水浴温度控制回路、平衡水浴温度控制回路。对于每一个控制回路，其硬件结构是相同的，都包括：温度传感器、温度采集模块、控制器、执行器(固态继电器或中间继电器)、电加热器、冷却水阀，其结构如图1所示。

为了让热水浴和平衡水浴中各处的温度均匀一致，在热水浴和平衡水浴中分别配备搅拌器和搅拌电机。搅拌电机不需要调速控制，其功率也很小，只需配合温度控制系统完成启停控制即可，其硬件组成包括：控制器、交流接触器、热继电器、搅拌电机。

流量联动控制子系统

流量联动控制子系统的控制目的有两个，一是对管路中的流量进行调整，使之保持在合适的流量范围内；二是对输送泵与计量泵的启停进行联动(同时启停)控制，避免出现部分管路溶液聚集、部分管路溶液断流的情况。其硬件组成主要包括：流量计、控制器、计量泵，其结构如图2所示。

输送泵的启停受热水浴接收槽中生长溶液温度的控制，计量泵的启停受平衡水浴中生长溶液温度的控制，当两个温度都满足要求时，输送泵与计量泵才启动。

输送泵箱与计量泵箱分别处于热水浴和平衡水浴的上部，晶体生长的初始阶段两种水浴温度都在65℃以上，而且泵要连续长期运行，为了缓解泵体老化和提高系统的可靠性，分别选用两台输送泵与两台计量泵各自交替运行，互为备用。

状态监视与异常报警子系统

状态监视与异常报警子系统的控制目的是，对整个系统中的状态变量进行监测，出现异常立即报警，对于输送泵与流量泵出现的异常情况不仅报警，同时切换备用泵继续工作。还设置了系统急停，对于突发状况需要急停的，可以做出立即响应。

监视的状态量包括温度、载晶架电机与育晶槽底部搅拌电机的转向与转速、pH值、流量值、输送泵泵箱与流量泵泵箱的温度、输送泵与计量泵的工作状态等。

控制系统设计

根据系统控制要求，实现整个过滤系统的温度控制和转速控制，并能够实现报警监控，控制系统由上位机触摸屏和下位机两个部分组成，上位机采用台达的HMI(DOP-B)；下位机采用台达的DVP14SS11R2系列PLC；电机转速控制采用台达的VFD系列变频器实现。

上位机程序界面设计

晶体培养过程自动控制系统的上位机信息定义为两部分：显示信息和参数设置信息，具体模块组成如图3所示。显示信息是指运行过程中用户需要了解的运行状况，例如，当前的系统状态、被控量的测量值等，该信息仅作显示不可修改。参数设置信息则是系统运行过程中的重要参数，例如，泵的交替运行时间、被控量设定值等，这些参数可根据要求进行修改。

运行界面设计

运行界面分为常规运行界面与调试界面。常规运行界面作为显示界面，从整个系统的角度直观地显示了设备的运行状态与动态的工艺流程，是系统运行的主界面。系统进入自动运行模式后，用户不再干预，可正常浏览相关设备与流程的在线状态。常规运行界面如图4所示。

系统运行过程中对多路温度点进行监测，当热水浴、平衡水浴的生长溶液的温度同时满足条件后泵才启动。当泵工作时泵本身会闪烁，相应的管道也会有液体流动的动画。此时满足温度条件的热水浴接受槽和平衡水浴接受槽温度显示的背景色由绿色变为粉色。当热水浴管路溶液温度不符合条件或者平衡水浴管路溶液未能降回到规定范围时，泵全部变为停止状态，对应的热水浴接受槽和平衡水浴接受槽温度显示框颜色由粉色变回绿色。

系统处于加热状态时，加热器会在红、绿之间交替闪烁，搅拌器处于工作状态时也会显示出在转动。当进水阀打开，进冷却水时，冷却阀和所在管路会显示液体流动的画面。

界面左上角设置“急停”按钮，系统需要紧急停机时可按此按钮。当系统进入急停状态后，“急停”按钮的颜色由红变蓝，显示成“恢复”按钮。当需要重新启动系统的时候可按“恢复”键。

调试运行界面一般情况下是看不到的，需要高权限的密码才能进入访问。主要针对在工程师在调试过程可能遇到的问题进行一个预测，然后设置了相应的数据监视窗口和可能用到的操作按钮。

参数设置界面

参数设置界面上的图形对象按作用分为两种类型，参数输入和功能按钮。参数输入类型包含温度参数、流量设定、转速设定、时间设定以及流量PID参数设定等。功能按钮包含手动与自动切换按钮、相关设备的启动停止按钮等。当控制参数需要调整、传感器需要进行零点与斜率校对或触摸屏的按键不够灵敏时可进入此界面进行相应调整。图5截取了参数设置界面中的部分界面。

报警界面

报警分为数字量报警和模拟量报警，通过闪烁灯光和声响等醒目信号通知工作人员事故发生。每个参数可根据需要设置报警提醒。例如，设置热水浴与冷水浴绝对温度上下限报警，来规避异常情况可能对晶体培养过程带来的不利影响。对泵箱(输送泵与计量泵)温度设置报警，当温度超过报警线后提醒用户关注泵箱，注意散热，如图6所示。

小结

本文采用台达PLC和人机界面及控制器件根据连续过滤系统的特点设计了一套自动控制系统，该系统的开发成本低，运行稳定，操作方便，能够实现在线的监控和报警。目前已经处于实际运行过程，减少了操作过程中的干扰，减轻操作人员的工作压力，保证了持续生产的可靠性。

【参考文献】
[1] 叶李旺，李征东，苏根博，等.生长温度对KDP晶体光学性质影响的研究[J].人工晶体学报，2008，37(1):11-14.
[2] N.Zaitseva, J.Atherton, R.Rozsa, et al. Design and benefits of continuous filtration in rapid growth of large KDP and DKDP crystals [J]. Journal of Crystal Growth, 1999, 197:911-920.
[3] P.F.Bordui, G.M.Loiacono. In-line bulx supersaturation measurement by electrical conductometry in KDP crystal growth from aqueous solution [J]. Journal of Crystal Growth, 1984(6):168-172.
[4] 汪剑成，郑国宗，苏根博，等.KDP和DKDP晶体快速生长的研究[J].光学学报，2009，29:198-201.