許夫明 姚慶梅 張?zhí)炝?牟洵

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院1，山東 濟南 250101;山東省智能建筑技術(shù)重點實驗室2，山東 濟南 250101)

0 引言

建筑門窗及玻璃幕墻改造是建筑節(jié)能工作的重中之重。目前，對既有建筑中的玻璃窗(或幕墻)進(jìn)行節(jié)能改造的辦法一般是全部換上節(jié)能玻璃，或是給現(xiàn)有玻璃貼上建筑用的節(jié)能窗膜。較之第一種方法，第二種方法具有經(jīng)濟、快捷、環(huán)保、安全、健康、輕盈等優(yōu)點。建筑玻璃貼膜是由優(yōu)質(zhì)的聚酯膜與金屬鍍膜層通過真空磁射噴涂工藝粘合壓制而成，此貼膜能使各種玻璃實現(xiàn)陽光控制，具有冬季保溫、夏季隔熱的功能。

鑒于以上原因，根據(jù)我國建筑節(jié)能玻璃貼膜的發(fā)展現(xiàn)狀和市場需求，設(shè)計了一種新型的磁控濺射多層納米節(jié)能窗膜鍍膜生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線可高效、高質(zhì)地生產(chǎn)出用于老建筑中舊玻璃節(jié)能改造的玻璃貼膜，打破國外對貼膜生產(chǎn)線設(shè)計的壟斷，實現(xiàn)鍍膜生產(chǎn)線的國產(chǎn)化。本研究課題就是設(shè)計一套能夠自動控制鍍膜生產(chǎn)過程，并通過上位機對其進(jìn)行實時監(jiān)控的鍍膜生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

磁控濺射多層納米節(jié)能窗膜鍍膜生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)由管理級、控制級、現(xiàn)場級和通信網(wǎng)絡(luò)四部分組成。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.1 Composition of the system hardware

在管理級中，本文選用西門子工控機，并且給工控機配置了 CP1613卡，用于連接到工業(yè)以太網(wǎng)。CP1613自帶微處理器，受計算機CPU影響較小，具有極強的、穩(wěn)定的通信性能及數(shù)據(jù)處理能力［1］。

在控制級中，考慮到該監(jiān)控系統(tǒng)控制參數(shù)眾多、結(jié)構(gòu)龐大等特點，選用了西門子S7-400 PLC。同時為了保證數(shù)據(jù)通信的順暢、穩(wěn)定與實時性，在該控制系統(tǒng)中配置了兩塊獨立工作的CPU模塊。其中一個CPU模塊實現(xiàn)傳動系統(tǒng)以及與之相關(guān)的光電開關(guān)、門狀態(tài)的檢測與控制;另一個CPU模塊控制真空抽氣、磁控濺射、工藝氣體配氣系統(tǒng)［2］。

在現(xiàn)場級中，選用了分布式I/O模塊ET200M(60個)、陰極電源控制器(22個)、伺服控制器以及伺服電機(5個)。

在通信網(wǎng)絡(luò)的選用上，考慮到通信的實時可靠性要求，工控機和PLC通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，而PLC與分布式I/O模塊ET200M通過Profibus連接［3］。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計思路及解決方法

控制系統(tǒng)是以磁控濺射鍍膜工藝流程為指導(dǎo)思想，并對系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)該系統(tǒng)的控制功能。監(jiān)控系統(tǒng)的控制原理框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)控制原理框圖Fig.2 Control principle of the monitoring system

2.1 真空獲得系統(tǒng)

磁控濺射鍍膜的工作原理是稀薄氣體在低氣壓、高電壓的情況下通過異常輝光放電產(chǎn)生等離子體，等離子體在電場的作用下對陰極靶材進(jìn)行轟擊，把靶材表面的分子、原子、離子等濺射出來，沿一定方向沉積到基片上形成膜層［4］。因此，在磁控鍍膜的生產(chǎn)工藝中，獲得滿足工藝要求的真空度是保證鍍膜成功的第一步。

本生產(chǎn)線的鍍膜生產(chǎn)工藝要求濺射室的本底真空度為5.0×10－3Pa。鑒于此，采用機械泵、羅茨泵、分子泵三級泵來構(gòu)建真空獲得機組。其中，機械泵是抽速率非常大的設(shè)備，它可以直接進(jìn)行抽大氣。而羅茨泵是利用葉片高速旋轉(zhuǎn)對空氣進(jìn)行壓縮，本身不能直接抽大氣，它必須在機械泵啟動一段時間后才可以啟動。分子泵只有在高真空狀態(tài)下才可以工作，其工作原理是利用內(nèi)部安裝的高速旋轉(zhuǎn)斜行葉片，在分子撞到葉片時將其帶到分子泵出口。

真空獲得機組的的啟動順序是:首先啟動機械泵，當(dāng)濺射室內(nèi)真空度為6.0 Pa時，啟動羅茨泵繼續(xù)抽真空，當(dāng)濺射室內(nèi)真空度變?yōu)?.0×10－2Pa時，啟動分子泵。最后當(dāng)濺射室本底真空度達(dá)到5×10－3Pa時，就可以通入氣體開始濺射鍍膜。

2.2 真空度測量系統(tǒng)

在整個鍍膜過程中，真空度是保證成膜質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。因此，準(zhǔn)確獲得濺射室的真空度，并根據(jù)工藝要求進(jìn)行及時調(diào)節(jié)是生產(chǎn)出高質(zhì)量膜系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)的真空度采集器均為標(biāo)準(zhǔn)信號0～10 V，利用西門子S7-400的數(shù)據(jù)采集模塊對真空信號進(jìn)行采集計算，并通過人機界面進(jìn)行顯示。

根據(jù)對市場上現(xiàn)有真空度測量儀的了解和多次試驗測試之后，這里選用PKR251全量程真空計作為該真空度測量系統(tǒng)的測量裝置。

2.3 氣體流量控制系統(tǒng)

由于稀薄氣體的輝光放電現(xiàn)象發(fā)生在真空度為0.1～10 Pa的條件下［5］，所以為氣體輝光放電創(chuàng)造一定的真空條件是磁控鍍膜必不可少的環(huán)節(jié)。

在本系統(tǒng)中，需要在充入工藝氣體(包括反應(yīng)氣體和工作氣體)的過程中讓氣體流量和真空抽氣機組建立一個動態(tài)平衡，這樣才能滿足氣體所需的輝光放電要求。具體實現(xiàn)方法如下:在充入氣體前，PLC通過模擬量輸出模塊把分子泵抽數(shù)降到一個固定值，然后根據(jù)工藝要求設(shè)定工藝氣體流量。由于氣體的流入，濺射室內(nèi)的真空度被破壞，這時PLC需加大分子泵抽數(shù)直到真空條件滿足要求。而隨著輝光放電的進(jìn)行，真空室內(nèi)的工藝氣體逐漸減少，這時需要通過氣體流量控制器來對反應(yīng)氣體的充氣量進(jìn)行一定的控制調(diào)節(jié)。系統(tǒng)選用1179A質(zhì)量流量控制器來調(diào)節(jié)充氣流量，其原理［6］是將測量電壓與設(shè)定電壓進(jìn)行比較，然后將差值信號放大后去控制調(diào)節(jié)閥，通過此閉環(huán)控制來對通入的流量進(jìn)行控制。

2.4 陰極電源控制系統(tǒng)

由于磁控濺射鍍膜是在低氣壓、高電壓的苛刻環(huán)境下進(jìn)行的，而上述三個系統(tǒng)已滿足低氣壓的要求，因此現(xiàn)在需要研究怎樣才能實現(xiàn)高電壓的問題。首先介紹一下電場對鍍膜的影響。磁控濺射法［6］是在陰極位降區(qū)加上與磁場垂直的電場后，電子在既與磁場垂直又與電場垂直的方向上做回旋運動，其軌跡是一環(huán)線。這增加了電子與帶電離子以及氣體分子的碰撞幾率，提高了氣體的離化率，降低了工作氣壓;同時又把電子束縛在靶的表面，減小了對基片的轟擊，降低了由于電子轟擊而引起的基片溫度的升高。濺射電源為等離子體的形成建立了電場條件，而磁控濺射靶電源的不穩(wěn)定將導(dǎo)致等離子體放電的不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響成膜的質(zhì)量。

這里研究的是高功率大型磁控濺射靶的電源控制。目前這種電源基本采用三相全波整流電路模塊，但是這類電路在生產(chǎn)工作過程中存在靶電流不穩(wěn)定的缺點。電流的穩(wěn)定性除受濺射靶本身設(shè)計影響外，還受電網(wǎng)電壓波動和氣體放電情況變化兩大因素的影響。為了消除上述因素對靶電流穩(wěn)定性的影響，系統(tǒng)采用勵磁電源整流器作為控制器件來組成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

2.5 交流調(diào)速系統(tǒng)

由于基材聚酯薄膜具有易拉伸變形的特點，因此為了保證成膜質(zhì)量，在整個鍍膜過程中必須要求薄膜是“零張力”傳動，即要求薄膜的牽引速度必須和收放卷的線速度保持一致;同時，系統(tǒng)還要求通過控制薄膜行走的速度來達(dá)到調(diào)節(jié)膜層厚度的效果。所以在鍍膜生產(chǎn)中保證交流調(diào)速系統(tǒng)的精確性和可靠性是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

通過了解鎳－氫行業(yè)中泡沫鎳的制造過程，發(fā)現(xiàn)在泡沫鎳的載體——海綿卷的導(dǎo)電化鍍膜處理中有與玻璃窗膜鍍膜類似的工藝要求［7］。因此，提出該交流調(diào)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下。

設(shè)給定的薄膜行走線速度為V，則對于系統(tǒng)牽引傳動而言:

式中:D0為牽引輥的直徑;n0為牽引輥的轉(zhuǎn)速。

那么可以求得，在給定薄膜行走線速度為V的情況下，牽引輥的轉(zhuǎn)速為:

對于系統(tǒng)的收卷傳動而言，有:

式中:n1為收卷輥的轉(zhuǎn)速;D1為收卷輥的初始直徑;d為聚酯薄膜厚度;C1為收卷輥的轉(zhuǎn)動圈數(shù);K1為收卷補償系數(shù)(收卷線速度補償器提供)。

對于系統(tǒng)的放卷傳動而言，有:

式中:n2為放卷輥的轉(zhuǎn)速;D2為薄膜卷的初始直徑;d為聚酯薄膜厚度;C2為放卷輥的轉(zhuǎn)動圈數(shù);K2為放卷補償系數(shù)(放卷線速度補償器提供)。

通過式(1)～(4)可以分別求出 n0、n1、n2，然后由PLC去控制牽引、收、放卷的傳動變頻器，使之達(dá)到線速度匹配的要求。經(jīng)過反復(fù)試驗后，發(fā)現(xiàn)該模型所給出的控制方法達(dá)到了薄膜鍍膜生產(chǎn)的工藝要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

對系統(tǒng)軟件的設(shè)計要求是不僅能使管理者和操作者及時了解和掌握各工藝流程的運行狀況、工藝參數(shù)的變化以及過程控制的結(jié)果，同時還應(yīng)具有優(yōu)化工藝參數(shù)、提高運行管理水平、降低生產(chǎn)成本的功能，使系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運行，達(dá)到最高效益。

3.1 系統(tǒng)軟件平臺的選擇

本控制系統(tǒng)應(yīng)用程序是以Microsoft Windows XP系統(tǒng)為操作平臺，用于開發(fā)此系統(tǒng)的軟件包括Siemens自動化組態(tài)軟件WinCC V6.0、PLC S7系列專業(yè)軟件包、Step 7 V5.3等軟件。其中WinCC V6.0用作上位機的監(jiān)控軟件，主要完成鍍膜生產(chǎn)過程中的圖形顯示、信息處理、數(shù)據(jù)歸檔以及報表生成等功能［8］。

3.2 系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計

在程序的設(shè)計過程中，本文采用了模塊化的設(shè)計思想，將程序分為工藝參數(shù)設(shè)置程序、手動調(diào)試程序、自動運行程序和鍍膜控制程序四大部分。這樣不僅方便了程序的編寫，而且還有利于整個控制系統(tǒng)的調(diào)試和修改。最后根據(jù)鍍膜生產(chǎn)的工藝流程，本文還給出了該系統(tǒng)的主程序流程圖。

3.2.1 工藝參數(shù)設(shè)置程序

由于在鍍膜生產(chǎn)中，不同的鍍膜工件或者同一工件鍍制不同的膜系，它們的工藝參數(shù)都不同，因此對工藝參數(shù)設(shè)置程序的編寫，操作人員只需要根據(jù)工藝要求在上位機上對參數(shù)進(jìn)行一定修改即可。這樣不僅降低了操作人員的工作強度，同時也保證了鍍膜生產(chǎn)的高效性。

在本鍍膜系統(tǒng)中，涉及的工藝參數(shù)主要包括鍍膜的層數(shù)、薄膜行走的線速度、工作氣體的流量、反應(yīng)氣體的流量、靶電流的大小等。

3.2.2 手動調(diào)試程序

在正式批量鍍膜之前，為了保證生產(chǎn)的正常運行，需要對設(shè)備進(jìn)行一些必要的手動調(diào)試。本控制系統(tǒng)的手動調(diào)試程序主要具有以下兩個特點［9］:①運用跳轉(zhuǎn)指令盡可能縮短機器的掃描周期，從而提高調(diào)試效率;②為了避免設(shè)備在誤操作時造成的損壞，系統(tǒng)利用互鎖的方法嚴(yán)格控制所有泵的開啟和電磁閥關(guān)閉的順序。

3.2.3 自動運行程序

通過手動調(diào)試確定設(shè)備正常后，操作人員只需在裝入工件以后按“運行”鍵，整個系統(tǒng)就會按預(yù)先設(shè)計的鍍膜工序自動進(jìn)行鍍膜。自動運行程序是根據(jù)鍍膜的工藝流程圖來編寫的，其中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移由時間繼電器來完成。

3.2.4 鍍膜控制程序

鍍膜控制程序的編寫是整個軟件設(shè)計的核心部分。在該程序中，PLC不僅要完成對靶電流、靶電壓、工作氣體流量和反應(yīng)氣體流量等模擬量參數(shù)的采樣;同時還需要實時與上位機進(jìn)行通信，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3.2.5 鍍膜控制系統(tǒng)主程序

主程序軟件流程如圖3所示［10］。

圖3 鍍膜生產(chǎn)主程序流程圖Fig.3 Flowchart of the main program for coating production

鍍膜控制系統(tǒng)主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化設(shè)置，包括鍍膜參數(shù)設(shè)定、通信參數(shù)設(shè)定、配置內(nèi)存單元等，然后按照鍍膜生產(chǎn)的工藝流程要求對相應(yīng)設(shè)備的啟停進(jìn)行控制。

4 結(jié)束語

本文介紹了磁控濺射多層納米節(jié)能窗膜鍍膜生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思路，詳細(xì)闡述了本生產(chǎn)線中控制系統(tǒng)的控制原理和實現(xiàn)方法;同時對軟件平臺的選擇和軟件程序的設(shè)計也進(jìn)行了描述。該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計極大地提高了節(jié)能窗膜鍍膜生產(chǎn)線的可靠性和生產(chǎn)效率。

［1］郝向東.基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制技術(shù)在南玻玻璃鍍膜控制系統(tǒng)上的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［2］喻壽益，凌云，宋東球.基于S7-400 PLC的鍍膜玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)［J］.控制工程，2009，16(6):655 －658.

［3］孟憲宗，李明輝，李虎.紙機負(fù)荷分配控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.自動化儀表，2012，33(1):35 －38.

［4］李德元，趙文珍，黃曉強，等.等離子體技術(shù)在材料加工中的應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:237.

［5］楊曉東，柳森娟，劉鋒敏.基于工控機和PLC的真空磁控濺射鍍膜設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009，19(31):117－119.

［6］尹金鋃，王德苗，董樹榮，等.工業(yè)用巨型磁控濺射靶電源反饋控制的研究［J］.真空，2006，43(1):30 －32.

［7］孫清，魏海波，池世春.海綿卷繞真空磁控濺射鍍膜過程中的傳動控制［J］.真空，2006，43(5):53 －55.

［8］殷紅，董海棠，祁文哲，等.紙紗復(fù)合制袋機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化儀表，2012，33(2):24 －26.

［9］丁永興.玻璃鍍膜生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［D］.上海:上海交通大學(xué)，2007.

［10］陳玲玲，李國卿，黃開玉，等.鍍膜機的微機控制［J］.真空，2003，3(6):24－26.