|
應用于磁控濺射鍍膜生產線的計算機監控系統的設計 (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線計算機監控系統的設計，重點討論了計算機監控系統的硬件配置、軟件設計、通信協議、控制過程實現以及軟件編程的控制算法。
關 鍵 詞：磁控濺射鍍膜生產線；計算機監控系統；易控（INSPEC）；通信協議；控制算法
肇慶市大力真空設備有限公司生產的DJW（L）系列臥式（立式）磁控濺射鍍膜生產線采用DC電源或中頻電源控制平面靶、圓柱旋轉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。該系列生產線在吸收歐洲同類生產線的先進技術和鍍膜工藝的同時，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線中，一臺10.4寸pro-face彩色觸摸屏作為主要操作界面已經成為標準配置，工作亦較穩定.由于鍍膜生產中需要控制的工藝參數較多，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控系統來完成整個生產過程的監控和參數優化，從而使鍍膜生產具有很好的工藝重復性，更適合工業化大批量生產的需要。
1 監控系統的功能設計
根據生產線工作狀況和生產要求，該計算機監控系統設計有以下功能。
（1） 模式選擇：為了滿足生產線的工作需要，該計算機監控系統設計了兩種運行模式一一 用于鍍膜生產的自動監控模式和用于調試及檢修的手動監控模式，兩種運行模式可自由切換。
（2）工藝方案選擇：為了實現對多種工件的鍍膜自動化，該監控系統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。
（3）數據檢測記錄：為了方便用戶監控工藝過程，分析研究工藝參數的作用，及時調整工藝參數以獲得更好的鍍膜效果，該監控系統：1）實時顯示各磁控靶電源電壓、電流、各真空計數值、氣體流量等參數數值；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，并形成報表文件和歷史曲線。
（4）故障報警記錄：1）在設備出現故障時監控系統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，主要表現在：1）當設備出現嚴重故障時，監控系統可自動關機；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）操作權限限定：利用該功能可以限制一般用戶的權限，防止誤操作，減少出錯幾率；同時還可以實現控制和監控的統一。
（7）其它功能：該計算機監控系統還設置了系統時鐘、設備輸入輸出點監控界面、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 監控系統的構成
本計算機監控系統由上位機、下位機和通信協議三部分構成，系統硬件結構如圖1所示。
上位機用于監控生產運行狀況和生產工藝數據，完成對鍍膜生產的全部控制，并將獲取的歷史數據，作為鍍膜效果檢測分析的一項憑據。由于上位機所處的環境干擾較小，所以選用普通的PC機，操作系統采用通用性好、功能強的Microsoft WindowsXP。監控和數據采集軟件選用北京九思易自動化軟件有限公司開發的易控（INSPEC）E20通用組態監控系統軟件,它是全球首款基于Microsoft最新操作平臺.NET的同類產品，具有監控功能強大、性能穩定、圖形精美、易學易用、開發高效及擴展容易等一系列優點，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。采集和數據顯示的功能也比較完善，只要安裝好設備的驅動程序就能與各種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，組成一個企業的分布式生產管理網絡。
應用易控（INSPEC）通用組態式監控系統軟件開發自動化控制的畫面，通過上位機畫面可以對鍍膜生產進行實時監控，并將重要數據記到文件保存下來。當生產發生異常時，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恢復生產。
下位機由三菱PLC加上各種模塊構成，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）通用組態式監控系統支持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屏蔽電纜進行數據交換。上位機與下位機之間以問答方式進行數據通信，采用由上位機向下位機發送通信命令（下行命令），上位機在接收下位機發回的相應回答命令（上行命令）后，繼續發送下行命令的通信形式。根據監控系統功能的要求，通信協議采用周期命令方式進行發送，數據傳送采用事件驅動的通信方式。對于接收的數據通信，通信協議在進行幀長度校驗、字符校驗和超時校驗后發送給上位機。若校驗時發現錯誤，則應用重發機制對錯誤幀進行重發，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，進行指令接收和發送、自動化進程控制、數據顯示存儲、參數設定、報表打印和數據處理等。在系統運行過程中，上位機一直和下位機實時通信，從而保證界面上顯示的數據和實際數據相一致；操作人員在上位機上發出的操作命令和設定的參數也都可以實時的送到下位機上執行。由于配備觸摸作為冗余操作設備，生產線可隨時脫離計算機監控系統轉換到觸摸屏操作模式，而不影響生產，便于設備維護，增進了系統的可靠性。
3系統工藝流程的設計的控制過程實現
依據磁控濺射鍍膜生產線的工藝要求，鍍膜生產控制可設計成四個分時動作過程。
第一個過程是真空獲得，為保證鍍膜的質量，系統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
磁控鍍膜生產線真空系統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。
整套設備采用循環水處理冷卻，所以系統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。系統通過控制氣動裝置來實現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（如亞克力鍍膜生產線），為了提高薄膜的附著力，本系統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量流量、反應氣體質量流量、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，靶電流由維持狀態自動轉至工作狀態，對工件進行鍍膜，直至工件離開該靶后，回復至維持狀態，最大限度地節省靶材。
為有效地保護磁控靶及靶電源，系統設計了水壓、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，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，為使二者達到統一，我們應用軟件設計了一套反饋算法，用于電源數據設定與顯示上，效果非常理想。
設當前電源顯示數據（采集數據）為X n，經過時間T后，顯示數據為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。︳X n+1-X n ︳<d說明顯示值趨于穩定，不再增減，
△ =k〔S1-（X n+1+X n）/2〕為所求的反饋量。
4．2量程轉換算法
整套監控系統量程轉換分為兩個部分，三個階段。
第一部分：數據顯示器：
1） 電源量程轉換成0～10V輸出
2） 0～10V輸出轉換成0～2000整型輸入到計算機
3） 0～2000整型再轉換成電源量程進行顯示
第二部分：數據設定
1） 電源量程轉換成0～500整型輸出計算機
2） 0～500整型轉換成0～10V輸入電源
3） 0～10V輸入轉換成電源量程式進行設定
每一階段的轉換都是一個線性模擬過程，只需要計算轉換斜率即可求出相應的轉換值，例如0～10V輸出轉換成0～2000整型，它的轉換斜率K=2000/10=200，則對于任意輸入X，其轉換值Y=KX=200X
5 結束語
本文介紹的磁控濺射鍍膜生產線計算機監控系統經過運行使用，工作平穩、性能可靠，畫面逼真富于表現力，具有較好的監控效果，提升了用戶系統形象。作為一套成功的鍍膜生產線計算機監控系統，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控技術的發展。
參考文獻
⑴ 易控（INSPEC）通用組態式監控系統用戶手冊。北京九思易自動化軟件有限公司 2006
⑵FX2A系列微型可編程序控制器使用手冊。日本三菱公司。2001
⑶李云奇，真空鍍膜技術與設備（M），沈陽：東北工學院出版社，1992。
⑷達道安，真空設計手冊（K） 北京：國防工業出版社。1991
⑸李罡，丁莉Visual basic 6.0中文版編程實例詳解（M）北京：電子工業出版社。2000
⑹葉龍福，嚴峻，朱承軍，儲亞軍，發射機房自動化控制系統（J）.電視技術.1995（5）
|
