王曉晨，朱 釗

WANG Xiao-chen, ZHU Zhao

（合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，合肥 230009）

0 引言

隨著通訊技術(shù)，計算機和微處理器的發(fā)展，計算機控制幾乎發(fā)展到了所有的工業(yè)領域?？删幊炭刂萍夹g(shù)已成為工業(yè)控制的重要部分，其中主要的功能體現(xiàn)在開關量邏輯控制、運動控制、閉環(huán)過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)五大方面[1]。近年來，PLC在鍍膜控制系統(tǒng)中的應用也更加成熟,隨著工控機的發(fā)展，操作員能夠更清楚地看到實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)并加以分析。這種人機界面大大滿足了工業(yè)的需求，工控機和PLC的有機結(jié)合為企業(yè)實現(xiàn)管理、控制一體化提供了一種有效的手段[2]。本文所設計的鍍膜控制系統(tǒng)，主要應用西門子S7-300PLC和WinCC組態(tài)軟件來實現(xiàn)鍍膜過程中多個變量和參數(shù)的信號采集、控制和監(jiān)控。

玻璃鍍膜是指在玻璃表面涂鍍一層或多層金屬化合物薄膜[3]，以改變玻璃的工藝性能，使其能夠滿足各個領域的要求。玻璃鍍膜的生產(chǎn)方法有很多種：真空磁控濺射法、化學氣相沉積法、真空蒸發(fā)法等，本文采用的是化學氣相沉積法?；瘜W氣相沉積法(Chemical Vapour Deposition，簡稱CVD)是把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物或單質(zhì)氣體，供給基板，借助氣相反應，在基片表面上反應生成薄膜的方法。CVD鍍膜技術(shù)壓力分為低壓CVD（LPCVD）和常壓CVD（APCVD）[4]。

本項目為某實驗項目，采用的是常壓化學氣相沉積法（APCVD）實現(xiàn)對玻璃的鍍膜，整個控制系統(tǒng)分為傳動部分和配氣部分，傳動部分的主要功能是通過電機控制玻璃在各個室間的運動；配氣部分的主要功能是控制各種化學氣體使其進入鍍膜室發(fā)生化學反應，來完成玻璃的鍍膜。整個控制系統(tǒng)主要是對熱電阻、熱電偶、氣體流量控制器、壓力傳感器、液位傳感器、氣動開關閥、氣動調(diào)節(jié)閥、電機等進行信號的采集與控制，從而實現(xiàn)玻璃鍍膜工藝的要求。

1 系統(tǒng)PLC模塊的組態(tài)

本系統(tǒng)的PLC控制器采用2塊西門子S7-300的CPU，分為完成相對獨立的工作。系統(tǒng)的配氣部分采用CPU319-3PN/DP，其中電源模塊PS307（5A），接口模塊IM153-2，通訊處理模塊CP342-5，模擬量輸入模塊共16個（3*8*TC 5*8*RTD 8*8*12BIT）,模擬量輸出模塊共4個（8*12BIT），數(shù)字量輸入模塊3個（32*DC24V），數(shù)字量輸出模塊3個（32*DC24V/0.5A）；系統(tǒng)傳動部分采用的是CPU314，其中電源模塊PS307（10A），接口模塊IM365，通訊處理模塊CP342-5，模擬量輸入模塊共4個（8*12BIT）,模擬量輸出模塊共1個（8*12BIT），數(shù)字量輸入模塊1個（32*DC24V），數(shù)字量輸出模塊3個（2*32*DC24V/0.5A 1*16*DC24V/0.5A）?，F(xiàn)場I/O點就近接入分布式遠程I/O模塊中，每個遠程I/O從站采用西門子ET200M模塊。

2 系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡和通訊

整個控制系統(tǒng)由計算機、PLC主機、分布式I/O模塊、以太網(wǎng)、Profibus-DP網(wǎng)完成對以上模塊的信號采集和控制,上位機采用WINCC7.0工控組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)監(jiān)控。系統(tǒng)由管理級、控制級、現(xiàn)場級和通訊網(wǎng)絡4部分組成。在管理級上，PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機相連，并將實時數(shù)據(jù)傳給上位機，以便于操作員的分析與管理；在控制級上，主要是由兩套PLC進行數(shù)據(jù)的采集并實施相關的控制；在現(xiàn)場級上，由于I/O數(shù)量很多，所以采用ET200M模塊，大大縮短了電路的接線長度，減少了信號的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性；在通訊網(wǎng)絡上，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為通訊網(wǎng)絡，具體優(yōu)點如下：

1) 連接簡單，試運行過程短。

2) 易于和Internet集成。

3) 采用冗余的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，保證了可靠性。

4) 開放性強。

3 鍍膜傳動部分的設計與實現(xiàn)

整個鍍膜生產(chǎn)線按工藝流程（如圖1所示）可分為上片臺、加熱爐、鍍膜室1、烘干室1、鍍膜室2、烘干室2、冷卻室、下片臺，其上位監(jiān)控界面如圖2所示。整個傳動部分由8臺電機組成，同時在各個位置安裝了光傳感器和編碼器，以便于精確的計算玻璃所處的位置，其整個鍍膜流程為：玻璃樣品由上片臺進入加熱爐后開始以往復運行方式加熱至溫度T，待溫度平衡后進入鍍膜室1，根據(jù)工藝要求，在鍍膜室1打開所需氣體的閥門進行鍍膜，鍍膜完成后進入烘干室1，在烘干室1進行往復的運行，經(jīng)過時間T1后進入鍍膜室2，同樣是根據(jù)不同工藝的要求打開所需氣體的閥門進行鍍膜，鍍膜完成后進入烘干室2，在烘干室2進行往復的運行，經(jīng)過時間T2進入冷卻室，在冷卻室進行往復運行，經(jīng)過時間T3后進入下片臺完成鍍膜。在整個鍍膜工藝中，電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、勻速、減速、加熱爐上下部溫度等都是由PLC控制實現(xiàn)。用STEP7編程軟件提供的功能塊FC105、FC106來完成A/D或D/A的轉(zhuǎn)換[5]，且各個工藝參數(shù)（如圖3所示）加熱爐加熱時間、加熱溫度、傳動速度等都是可設置的，同時組態(tài)有報警畫面，當有緊急情況時，報警系統(tǒng)會啟動并記錄數(shù)據(jù)。

圖1 鍍膜工藝流程圖

圖2 鍍膜傳動系統(tǒng)流程圖

圖3 工藝參數(shù)調(diào)整畫面

4 鍍膜配氣部分的設計與實現(xiàn)

鍍膜配氣部分(如圖4所示)主要是對MBTC、TFA、Zn、H2O、O2、N2、Sbcl3等氣體實施溫度，壓力、氣體流量等信號的采集，并進行相關控制。對于溫度的控制，根據(jù)鍍膜過程中的不同階段對各個鼓泡器的溫度進行控制，同時設定報警系統(tǒng)并將結(jié)果顯示在監(jiān)控界面中；氣動開關閥主要是控制氣體的流向，可根據(jù)工藝要求，實現(xiàn)閥門的互鎖，同時設有急停按鈕，當有緊急情況時，可實現(xiàn)閥門的同時關閉[6]；氣體流量的控制采用模糊PID參數(shù)自整定的控制方法，模糊PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，與傳統(tǒng)的PID控制不同的是：它是基于傳統(tǒng)的PID控制器和模糊控制器組成的，采用偏差e和偏差率△e作為輸入，即找到PID的三個參數(shù)與偏差e和偏差率△e之間的模糊關系，通過模糊控制原理能在線計算出不同狀態(tài)下kp、ki、kd的值,然后作用于PID控制。

圖4 鍍膜器氣體控制系統(tǒng)圖

本系統(tǒng)根據(jù)工藝要求，設計以下控制策略：當檢測到流量控制器的開度小于30%或壓力大于0.5Bar時就會關閉所有的流量控制器，當流量開度大于某一設定值得時候就會由鍍膜模式轉(zhuǎn)為關閉模式。

圖5 模糊PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)控制模式一共分為六種：手動模式（FC20）、等待模式（FC21）、清潔模式（FC22）、鍍膜模式（FC23）、暫停模式（FC24）、關閉模式（FC25），每一種模式都采用模塊化的方法進行編程，每一種固定的模式狀態(tài)都有一系列的先后順序、步驟、閥門及流量計的轉(zhuǎn)換。主要包括閥門狀態(tài)、流量改變、檢測流量等。下面給出鍍膜工作模式配氣系統(tǒng)的部分步序程序:

根據(jù)工藝要求，軟件互鎖和緊急停止區(qū)域也是系統(tǒng)的重要部分，具體如下：

1）鼓泡器清潔是指在鼓泡器化學品進入鍍膜器之前必須清潔一定的時間，以保證管道無殘余化學氣體。

2）MBTC/水檢測互鎖程序是指檢測水的流量是否向鍍膜器輸送，目的是保證當從鼓泡器出來的MBTC輸送到鍍膜器的時候，必須有水輸送到鍍膜器。

3）污染車間故障或MBTC緊急停止都是安全互鎖文件重要的組成部分，當DCS輸出狀態(tài)和閥門的實際狀態(tài)不一致的時候就會報警。

4）鍍膜器冷卻系統(tǒng)報警主要有鍍膜器導熱油冷卻系統(tǒng)和鍍膜器水冷卻系統(tǒng)兩部分組成，是為了保證鍍膜器時刻處于安全穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

5）緊急停止區(qū)域分為化學物品的緊急停止和各個分鼓泡器緊急停止。如果“化學品緊急停止”按鈕按下，所有分系統(tǒng)都進入不安全狀態(tài)；如果各個鼓泡器緊急按鈕被按，僅僅按鈕被按的區(qū)域系統(tǒng)進入不安全狀態(tài)。

以上軟件互鎖和緊急停止區(qū)域在PLC上都是以模塊化進行編程，如圖6所示。

圖6 配氣系統(tǒng)下位程序

5 人機界面組態(tài)

系統(tǒng)采用WinCC 7.0監(jiān)控軟件作為組態(tài)界面，能夠顯示各工藝流程畫面和工藝參數(shù)，實時監(jiān)測和控制整個鍍膜系統(tǒng)[7]。鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)畫面主要包含控制主界面、鍍膜器A運行界面、鍍膜器B運行界面、加熱爐控制界面、COATER系統(tǒng)界面、油溫機界面、氣體系統(tǒng)界面、趨勢圖等。在工藝畫面上顯示有整個設備的模擬圖，相應閥門的開關，電機的啟停都可以通過顏色的變化來顯示相應的狀態(tài)[8]。溫度、壓力、流量通過使用輸入輸出域顯示在組態(tài)畫面中。為了安全，界面中增加了報警系統(tǒng)（如圖7所示）和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，能及時處理緊急情況并且查詢歷史記錄，方便管理。

圖7 報警記錄

6 結(jié)束語

玻璃鍍膜采用PLC控制技術(shù)與WinCC軟件結(jié)合的方式實時監(jiān)控設備的運行情況，大大降低了操作人員的工作量和勞動強度。實踐證明，該鍍膜控制系統(tǒng)設計合理，精度高，操作方便，能滿足不同工藝的要求。

[1]李冰,劉富強,王嘉男,等.零基礎學西門子S7-300/400 PLC[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010:4-5.

[2]陳玲玲,李國卿,黃開玉,關秉羽,汪思源.鍍膜機的微機控制[J].真空,2003(6):24-26.

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

[4]周祥.APCVD法制備ATO薄膜及工藝參數(shù)對膜結(jié)構(gòu)、性能影響的研究[D].武漢:武漢理工大學,2007:1-3.

[5]張大尉,王華強.PLC在高爐監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].儀器儀表用戶,2005,12(3):72-73,89.

[6]鄭朝印,汪思源,武俊麗,陳玲玲.PLC在鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].國內(nèi)外機電一體化技術(shù),2003,6(3):65-66.

[7]賈洪濤.S7-300PLC與WinCC在循環(huán)泵房自動監(jiān)控中的應用[J].滄州師范學院學報，2013,29(2)：91-94.

[8]李利青,李愛旺,裘江濤,張軍,李利風.PLC在礦井主排水系統(tǒng)自動化平臺及遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].數(shù)字化礦井建設,2008,17(10):39-41.