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應用于磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計 (聶延森)
摘 要：本文介紹了一種成功應用的磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計，重點討論了計算機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置、軟件設計、通信協(xié)議、控制過程實現(xiàn)以及軟件編程的控制算法。
關 鍵 詞：磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線；計算機監(jiān)控系統(tǒng)；易控（INSPEC）；通信協(xié)議；控制算法
肇慶市大力真空設備有限公司生產(chǎn)的DJW（L）系列臥式（立式）磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線采用DC電源或中頻電源控制平面靶、圓柱旋轉(zhuǎn)靶或中頻孿生靶在工件上濺射成膜，廣泛應用于各種建筑玻璃、ITO透明導電玻璃、家電玻璃、高反射后視鏡及亞克力鍍膜等行業(yè)。該系列生產(chǎn)線在吸收歐洲同類生產(chǎn)線的先進技術(shù)和鍍膜工藝的同時，融合了獨特的操作人性化、使用簡便化設計理念，在用戶群體中得到了充分的肯定。
在該系列磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線中，一臺10.4寸pro-face彩色觸摸屏作為主要操作界面已經(jīng)成為標準配置，工作亦較穩(wěn)定.由于鍍膜生產(chǎn)中需要控制的工藝參數(shù)較多，為了更大地提高工作效率和鍍膜工藝的可控性，我們設計了一套計算機監(jiān)控系統(tǒng)來完成整個生產(chǎn)過程的監(jiān)控和參數(shù)優(yōu)化，從而使鍍膜生產(chǎn)具有很好的工藝重復性，更適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)的需要。
1 監(jiān)控系統(tǒng)的功能設計
根據(jù)生產(chǎn)線工作狀況和生產(chǎn)要求，該計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計有以下功能。
（1） 模式選擇：為了滿足生產(chǎn)線的工作需要，該計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計了兩種運行模式一一 用于鍍膜生產(chǎn)的自動監(jiān)控模式和用于調(diào)試及檢修的手動監(jiān)控模式，兩種運行模式可自由切換。
（2）工藝方案選擇：為了實現(xiàn)對多種工件的鍍膜自動化，該監(jiān)控系統(tǒng)設計了多種工藝方案供使用者選擇，設備運行前選擇要使用的方案，或自行設定新的方案，然后開始鍍膜生產(chǎn)。
（3）數(shù)據(jù)檢測記錄：為了方便用戶監(jiān)控工藝過程，分析研究工藝參數(shù)的作用，及時調(diào)整工藝參數(shù)以獲得更好的鍍膜效果，該監(jiān)控系統(tǒng)：1）實時顯示各磁控靶電源電壓、電流、各真空計數(shù)值、氣體流量等參數(shù)數(shù)值；2）定時記錄設備運行情況，每30分鐘記錄一次，或按要求隨時記錄；3）記錄重要工藝參數(shù)，并形成報表文件和歷史曲線。
（4）故障報警記錄：1）在設備出現(xiàn)故障時監(jiān)控系統(tǒng)自動彈出報警畫面和文字提示，同時報警燈閃爍；2）記錄所有報警信息，以備檢修時查詢；3）根據(jù)故障的輕重緩急，可對報警信息進行分類。
（5）自動診斷保護：這是一種保護措施，減少因故障對設備造成的損害，主要表現(xiàn)在：1）當設備出現(xiàn)嚴重故障時，監(jiān)控系統(tǒng)可自動關機；2）磁控電源開啟后，對其電壓和電流實行緩升，緩降以保護電源；3）可自行檢測上、下位機通信是否正常。
（6）操作權(quán)限限定：利用該功能可以限制一般用戶的權(quán)限，防止誤操作，減少出錯幾率；同時還可以實現(xiàn)控制和監(jiān)控的統(tǒng)一。
（7）其它功能：該計算機監(jiān)控系統(tǒng)還設置了系統(tǒng)時鐘、設備輸入輸出點監(jiān)控界面、設備操作說明界面等方便用戶查詢、使用的一些實用功能。
2 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成
本計算機監(jiān)控系統(tǒng)由上位機、下位機和通信協(xié)議三部分構(gòu)成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
上位機用于監(jiān)控生產(chǎn)運行狀況和生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，完成對鍍膜生產(chǎn)的全部控制，并將獲取的歷史數(shù)據(jù)，作為鍍膜效果檢測分析的一項憑據(jù)。由于上位機所處的環(huán)境干擾較小，所以選用普通的PC機，操作系統(tǒng)采用通用性好、功能強的Microsoft WindowsXP。監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件選用北京九思易自動化軟件有限公司開發(fā)的易控（INSPEC）E20通用組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件,它是全球首款基于Microsoft最新操作平臺.NET的同類產(chǎn)品，具有監(jiān)控功能強大、性能穩(wěn)定、圖形精美、易學易用、開發(fā)高效及擴展容易等一系列優(yōu)點，它采用高級語言C#作為用戶程序（腳本）語言，能很好地滿足控制的要求。采集和數(shù)據(jù)顯示的功能也比較完善，只要安裝好設備的驅(qū)動程序就能與各種PLC、智能儀表、板卡及變頻器等設備進行通信，還可以與其它計算機相連，組成一個企業(yè)的分布式生產(chǎn)管理網(wǎng)絡。
應用易控（INSPEC）通用組態(tài)式監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)自動化控制的畫面，通過上位機畫面可以對鍍膜生產(chǎn)進行實時監(jiān)控，并將重要數(shù)據(jù)記到文件保存下來。當生產(chǎn)發(fā)生異常時，進行越限或故障聲音報警及文字提示，同時彈出有關畫面，便于操作人員快速分析、處理，以便在最短的時間內(nèi)恢復生產(chǎn)。
下位機由三菱PLC加上各種模塊構(gòu)成，包括：一臺FX2N-128MR主機，一個FX2N-16EYR輸出擴展模塊，四個FX2N-4DA模擬輸出模塊，兩個FX2N-4AD模擬輸入模塊一個FX2N-232-BD通信板。
易控（INSPEC）通用組態(tài)式監(jiān)控系統(tǒng)支持OPC服務器，可連接第三方的軟件：由于三菱PLC有專門的通信驅(qū)動程序，上位機和下位機之間采用串口RS-232屏蔽電纜進行數(shù)據(jù)交換。上位機與下位機之間以問答方式進行數(shù)據(jù)通信，采用由上位機向下位機發(fā)送通信命令（下行命令），上位機在接收下位機發(fā)回的相應回答命令（上行命令）后，繼續(xù)發(fā)送下行命令的通信形式。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)功能的要求，通信協(xié)議采用周期命令方式進行發(fā)送，數(shù)據(jù)傳送采用事件驅(qū)動的通信方式。對于接收的數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議在進行幀長度校驗、字符校驗和超時校驗后發(fā)送給上位機。若校驗時發(fā)現(xiàn)錯誤，則應用重發(fā)機制對錯誤幀進行重發(fā)，直至正確接收。
所有控制工作都由下位機完成，上位機只負責提供人機交互界面，進行指令接收和發(fā)送、自動化進程控制、數(shù)據(jù)顯示存儲、參數(shù)設定、報表打印和數(shù)據(jù)處理等。在系統(tǒng)運行過程中，上位機一直和下位機實時通信，從而保證界面上顯示的數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)相一致；操作人員在上位機上發(fā)出的操作命令和設定的參數(shù)也都可以實時的送到下位機上執(zhí)行。由于配備觸摸作為冗余操作設備，生產(chǎn)線可隨時脫離計算機監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到觸摸屏操作模式，而不影響生產(chǎn)，便于設備維護，增進了系統(tǒng)的可靠性。
3系統(tǒng)工藝流程的設計的控制過程實現(xiàn)
依據(jù)磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線的工藝要求，鍍膜生產(chǎn)控制可設計成四個分時動作過程。
第一個過程是真空獲得，為保證鍍膜的質(zhì)量，系統(tǒng)要求必須具備一定的基礎真空；
第二個過程是離子轟擊，為了提高膜層的附著力，采用高能離子轟擊清洗工件表面，以去除表面雜物及臟物；
第三個過程是磁控濺射鍍膜，從陰極發(fā)身出來的電子，在磁場和電場中受到洛侖茲力的作用，沿著磁場的方向作擺線動力前進，沉積到工件表面開成薄膜；
第四個過程是系統(tǒng)開關機，這是鍍膜前后對整個設備的處理操作。
3．1真空獲得過程的自動化控制設計
磁控鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)采用滑閥真空泵一羅茨真空泵一高真空油擴散泵機組來獲取低真空和高真空，采用微機型數(shù)顯真空計來檢測真空度，該過程的自動化控制包括：①機械泵、擴散泵、真空計、水泵的啟停控制；②各真空計的高、低真空值輸出控制；③各真空閥門、翻板閥的開閉控制。
整套設備采用循環(huán)水處理冷卻，所以系統(tǒng)在沒有接收到水壓指示前不能開啟真空機組。翻板閥用來實現(xiàn)大氣與低真空室以及低真空室與高真空室之間的隔離；真空閥門用來控制真空抽氣通路的通斷。系統(tǒng)通過控制氣動裝置來實現(xiàn)對閥門的打開與關閉。
3．2離子轟擊過程的自動化控制設計
對于某些機型（如亞克力鍍膜生產(chǎn)線），為了提高薄膜的附著力，本系統(tǒng)采用了高能離子轟擊作為鍍前處理工藝。在轟擊清洗過程中，控制指標是氬氣質(zhì)量流量、轟擊電壓、轟擊電流、轟擊時間和傳動速度等；為了滿足鍍膜工藝的要求，可以選擇工件緩慢地通過轟擊室，一邊行進一邊轟擊；也可以選擇工件停留在轟擊室，轟擊一段時間后再進入緩沖室，這就實現(xiàn)了對工件的高能離子清洗。
3．3鍍膜過程的自動化控制系統(tǒng)設計
為了滿足鍍膜工藝的要求，鍍膜過程中需要控制氬氣質(zhì)量流量、反應氣體質(zhì)量流量、各靶濺射電壓、濺射電流和鍍膜傳動速度等指標。當工件行進至磁控靶前，靶電流由維持狀態(tài)自動轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)，對工件進行鍍膜，直至工件離開該靶后，回復至維持狀態(tài)，最大限度地節(jié)省靶材。
為有效地保護磁控靶及靶電源，系統(tǒng)設計了水壓、真空度控制和過流、過熱故障報警功能，以及靶電源電壓、電流的緩升降功能。
3．4系統(tǒng)開關機的自動化控制設計
自動開機，是從擴散泵預熱開始，真空抽氣系統(tǒng)自動工作直至鍍膜室真空度達到后，磁控靶自動啟動，這一段過程的所有操作均由設備自動完成。
自動關機，是生產(chǎn)線鍍膜工作完成后，自動關閉磁控靶，并逐步關閉真空抽氣系統(tǒng)，這一段過程的所有操作均由設備自動完成。
4 算法控制
4．1反饋算法
在系統(tǒng)應用過程中，磁控電源的設定值與顯示值總存在一定的誤差，為使二者達到統(tǒng)一，我們應用軟件設計了一套反饋算法，用于電源數(shù)據(jù)設定與顯示上，效果非常理想。
設當前電源顯示數(shù)據(jù)（采集數(shù)據(jù)）為X n，經(jīng)過時間T后，顯示數(shù)據(jù)為X n+1,電源初始設定值為S1，修正設定值為S2，具體計算流程如圖2所示。
流程圖中的d、k、e、為選取的常數(shù)。︳X n+1-X n ︳<d說明顯示值趨于穩(wěn)定，不再增減，
△ =k〔S1-（X n+1+X n）/2〕為所求的反饋量。
4．2量程轉(zhuǎn)換算法
整套監(jiān)控系統(tǒng)量程轉(zhuǎn)換分為兩個部分，三個階段。
第一部分：數(shù)據(jù)顯示器：
1） 電源量程轉(zhuǎn)換成0～10V輸出
2） 0～10V輸出轉(zhuǎn)換成0～2000整型輸入到計算機
3） 0～2000整型再轉(zhuǎn)換成電源量程進行顯示
第二部分：數(shù)據(jù)設定
1） 電源量程轉(zhuǎn)換成0～500整型輸出計算機
2） 0～500整型轉(zhuǎn)換成0～10V輸入電源
3） 0～10V輸入轉(zhuǎn)換成電源量程式進行設定
每一階段的轉(zhuǎn)換都是一個線性模擬過程，只需要計算轉(zhuǎn)換斜率即可求出相應的轉(zhuǎn)換值，例如0～10V輸出轉(zhuǎn)換成0～2000整型，它的轉(zhuǎn)換斜率K=2000/10=200，則對于任意輸入X，其轉(zhuǎn)換值Y=KX=200X
5 結(jié)束語
本文介紹的磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線計算機監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過運行使用，工作平穩(wěn)、性能可靠，畫面逼真富于表現(xiàn)力，具有較好的監(jiān)控效果，提升了用戶系統(tǒng)形象。作為一套成功的鍍膜生產(chǎn)線計算機監(jiān)控系統(tǒng)，我們計劃作出相應改用到多種鍍膜設備上，因此具有極大的推廣價值和應用前景，從而促進我國真空鍍膜設備計算機監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。
參考文獻
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