一种工业冷热温控机组的能耗优化过程控制方法及系统与流程

本发明涉及一种工业冷热温控机组的能耗优化过程控制方法领域，尤其涉及一种工业冷热温控机组的能耗优化过程控制方法及系统。

背景技术：

1、本发明涉及工业温控技术领域，具体而言，涉及一种面向半导体制造设备工艺冷板的工业冷热温控机组能耗优化过程控制方法及系统。随着集成电路制造工艺的不断微缩与晶圆尺寸的增大，光刻、刻蚀、薄膜沉积等核心工序对工艺环境的温度稳定性提出了极为苛刻的要求。作为关键的热管理单元，工艺冷板通过循环介质与晶圆载台或腔室壁面进行热交换，以实现快速且精确的温度调节。目前在该类应用中普遍采用水乙二醇混合液作为循环介质，其兼具优良的导热性能与较低的凝固点，能够适应宽温域的工作需求。典型的工艺程序通常包含预冷、低温保持、升温及恒温四个阶段，各阶段之间需要在短时间内完成大幅度的温度切换，例如从常温降至低温后再迅速升至高温，这对温控系统的响应速度与能效水平构成了严峻挑战。

2、在实际工程部署中，由于半导体制造设备内部空间布局的限制以及洁净环境的要求，冷热温控机组往往被安置在远离工艺冷板的区域，二者之间由较长的供回液管路相连。这种长距离输送结构使得循环回路中容纳的水乙二醇混合液总体积显著增大，远超出机组内部换热器及工艺冷板自身所持有的容积。较大的液体容积意味着系统具有巨大的热容量，当机组根据工艺指令从制冷模式切换至制热模式（或反之）时，管路内残留的大量处于前序工况温度下的循环介质会持续流入工艺冷板，形成所谓的“残余冷量”或“残余热量”干扰。例如，在预冷阶段结束后进入低温保持阶段，若紧接着需要执行升温操作，则管路中尚存的低温液体将严重拖慢升温速率，并导致实际工艺温度出现超调或长时间偏离设定值；同样地，从高温向低温切换时，残余的高温液体会使降温过程滞后并增加额外的冷负荷。

3、传统的温控策略主要基于瞬时温度偏差的比例-积分-微分（pid）调节或其改进算法，这类方法仅关注当前时刻测量值与目标值之间的误差，并据此调整加热器功率或阀门开度。然而，在面对上述因管路大容积带来的强热惯性及冷热状态反转时的残余能量冲击时，单纯依靠瞬时偏差反馈往往力不从心。一方面，pid控制器对延迟环节敏感，长管路引入的传输滞后容易引发系统振荡甚至失稳；另一方面，残余能量的释放是一个随时间衰减的非线性过程，常规控制律无法主动预估其影响幅度与持续时间，只能被动等待偏差收敛，这不仅延长了工艺转换时间，还造成了大量的无效能耗——例如在升温初期，加热器需要额外消耗电能来抵消残余冷量的吸热效应，而待残余冷量耗尽后又可能因过冲而需要制冷介入，形成能量对冲。因此，现有技术难以同时满足半导体制造对温度快速响应的动态性能要求以及对工业温控系统日益严苛的节能降耗指标。

4、综上所述，亟需开发一种能够充分考虑系统热惯性特征、有效抑制残余能量扰动并实现全过程能耗优化的控制方法与系统，从而提升冷热温控机组在半导体工艺冷板应用中的运行效率与温度调控品质。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供一种工业冷热温控机组的能耗优化过程控制方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种工业冷热温控机组的能耗优化过程控制方法，包括：

3、s1：获取工业温控过程的过程控制数据和工艺温度程序；

4、其中，过程控制数据包括工艺对象温度、循环介质供液温度、回液温度、循环流量、制冷输入量和加热输入量；

5、s2：根据工艺温度程序和过程控制数据确定当前工艺阶段对应的动态温度容差域；

6、s3：根据过程控制数据确定表征未释放冷量或热量的带符号残余热量状态；

7、s4：基于带符号残余热量状态和温度动态模型，预测候选过程控制序列对应的未来工艺对象温度和过程能耗；

8、以未来工艺对象温度位于动态温度容差域内为约束，以降低过程能耗和冷热切换代价为目标进行滚动优化，得到目标过程控制序列；

9、s5：当目标过程控制序列指示冷热工作状态反转时，根据带符号残余热量状态确定残余热量释放过程和相反冷热工作状态的启动条件；

10、按照目标过程控制序列执行过程控制，并根据实际工艺对象温度更新温度动态模型和带符号残余热量状态。

11、本发明一个较佳实施例中，在s2中，动态温度容差域通过以下方式确定：

12、识别当前工艺阶段，获取目标温度、允许温度偏差、允许升温速率、允许降温速率和阶段剩余时间；

13、结合工艺对象热惯性参数，生成预测时域内各时刻的温度上边界和温度下边界，进而得到动态温度容差域。

14、本发明一个较佳实施例中，在s3中，带符号残余热量状态通过以下方式确定：

15、根据供液温度、回液温度和循环流量确定换热量；

16、根据制冷输入量、加热输入量、换热量、工艺热负荷及环境换热损失确定热量收支差值；

17、根据上一控制周期的残余热量状态、热量收支差值及残余热量保持系数更新当前残余热量状态，其中，正值表示残余热作用，负值表示残余冷作用。

18、本发明一个较佳实施例中，在s4中，滚动优化包括：

19、确定各候选过程控制序列对应的制冷能耗、加热能耗、循环输送能耗、温度越界量、冷热切换次数及控制量变化幅度；

20、在制冷输出与加热输出互斥、温度变化速率和循环流量满足预设约束的条件下，选取综合评价值满足预设优化条件的候选过程控制序列。

21、本发明一个较佳实施例中，在s5中，残余热量释放过程包括：

22、降低当前冷热工作状态对应的输出量后停止制冷输出和加热输出；

23、根据带符号残余热量状态及工艺对象温度与对应温度边界之间的温度余量，调节循环流量和流路分配量；

24、预测残余热量引起的温度变化，在满足启动条件时启动相反冷热工作状态。

25、本发明一个较佳实施例中，启动条件至少包括：

26、带符号残余热量状态的绝对值不大于残余热量阈值；

27、预测温度变化不会使工艺对象温度越过对应温度边界；

28、在不启动相反冷热工作状态时，工艺对象温度无法在预设时间内进入动态温度容差域。

29、本发明一个较佳实施例中，在s5中，更新包括：

30、获取实际工艺对象温度与预测工艺对象温度之间的温度预测偏差；

31、根据温度预测偏差及过程控制数据，更新等效热容量、传热系数、输送迟滞时间和残余热量保持系数；

32、当温度预测偏差大于预设阈值时，重新执行滚动优化。

33、一种工业冷热温控机组的能耗优化过程控制系统，包括：

34、采集模块，用于获取过程控制数据和工艺温度程序；

35、生成模块，用于确定动态温度容差域；

36、观测模块，用于确定带符号残余热量状态；

37、预测模块，用于预测未来工艺对象温度和过程能耗；

38、优化模块，用于在动态温度容差域约束下得到目标过程控制序列；

39、控制模块，用于确定残余热量释放过程和相反冷热工作状态的启动条件；

40、输出模块，用于输出制冷、加热、循环流量和流路分配对应的过程控制指令；

41、更新模块，用于更新温度动态模型和残余热量状态。

42、本发明一个较佳实施例中，采集模块包括工艺对象温度传感器、供液温度传感器、回液温度传感器、流量检测器及能量输入检测器；输出模块包括制冷输出控制接口、加热输出控制接口、循环流量控制接口和流路分配控制接口；各模块设置于过程控制器中。

43、本发明一个较佳实施例中，还包括与工艺对象换热流路并联的内部缓冲流路及流路切换机构；控制模块用于根据带符号残余热量状态和温度余量控制流路切换机构，并在满足启动条件前禁止输出极性相反的制冷或加热过程控制指令。

44、本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

45、（1）本发明提供了一种工业冷热温控机组的能耗优化过程控制方法及系统，通过获取过程控制数据和工艺温度程序，在动态温度容差域约束下，基于带符号残余热量状态，对未来工艺对象温度和过程能耗进行预测与滚动优化，实现了能耗的精细化控制，通过计算循环系统中的净能量，并将其作为带符号的过程状态，准确识别冷热源停止后管路中残余冷量或热量的传播效应，改变了传统温控仅依赖瞬时温度偏差进行控制的局限，从工艺周期全局视角出发，在满足温度精度前提下，有效减少了冷热执行机构的无效启停与相互抵消造成的能源损耗，克服了现有温控技术在冷热切换过程中容易导致二次超调和能量浪费的问题，显著提升了工业温控系统的运行能效与控制稳定性。

46、（2）本发明提供了一种工业冷热温控机组的能耗优化过程控制方法及系统，通过构建动态温度容差域，将温度控制边界由固定的死区扩展为随时间变化的预测空间，使控制器能够主动利用工艺对象、管路及换热器的热惯性进行能量调节，从而在允许偏差范围内提前卸载冷热源，通过循环介质的残余能量完成部分温度过渡，相较于传统控制方法单纯追求跟踪固定目标温度而频繁启动压缩机或加热器，本发明引入的三阶段极性切换机制，通过在冷热工作状态反转时，对残余热量释放过程进行主动规划与分流调节，不仅缓解了冷热切换过程中的剧烈热流冲击，还消除了因过早启动相反极性机构导致的先制冷后加热或先加热后制冷的反向能耗，在保证复杂工业工艺控温精度和升降温速率要求的条件下，实现了对机组能耗的深度优化。

47、（3）本发明提供了一种工业冷热温控机组的能耗优化过程控制方法及系统，通过在控制架构中集成了对温度动态模型和残余热量状态的在线更新机制，通过实时获取实际工艺对象温度与预测偏差，能够根据运行参数变化动态修正等效热容量、传热系数和输送迟滞时间，确保了优化控制模型与实际工业生产环境的高适配性，以此解决了多源数据异步、量程不同及短时数据缺失导致的模型输入不一致难题，使系统能够适应不同管路长度、循环流量及工艺负载变化，克服了传统温控系统因参数固化而无法应对复杂工况波动的缺陷，实现了温控机组在全运行周期内低能耗、高跟随能力的协同控制，进一步强化了系统在半导体、化工及精密制造等高精度工业应用场景下的鲁棒性。