摘 要：針對(duì)鍍膜工程玻璃生產(chǎn)線工藝復(fù)雜，結(jié)構(gòu)龐大，控制參數(shù)眾多，鍍膜過(guò)程控制要求響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以西門子s7—400PLc為核心的生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，結(jié)舍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件配置方案；詳細(xì)闡述了真空泵、磁控濺射靶陰極電源和玻璃傳送伺服電機(jī)等子系統(tǒng)的控制策略和特點(diǎn)．給出玻璃長(zhǎng)度計(jì)算方法和公式，以及位置控制程序流程框圖，該系統(tǒng)采用2塊獨(dú)立工作的cPu模塊，細(xì)化控制任務(wù)，提高了編程的靈活性和系統(tǒng)的可靠性。在wincc組態(tài)軟件平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)監(jiān)控軟件，上位機(jī)處理大量生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，歸檔重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鍍膜玻璃生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控：控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的成功應(yīng)用表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，功能完善，控制效果好，滿足了工程玻璃真空鍍膜生嚴(yán)過(guò)程自動(dòng)化的各項(xiàng)要求。
關(guān)鍵詞：鍍膜玻璃；S7-400PLc；winCC；硬件配置1引 言鍍膜玻璃是在玻璃表面涂鍍一層或多層金屬化合物薄膜，以改變玻璃的光學(xué)性能，使產(chǎn)品呈現(xiàn)豐富的色彩，并且對(duì)可見(jiàn)光有適當(dāng)?shù)耐干渎剩瑢?duì)紅外線有較高的反射率，對(duì)紫外線有較高吸收率，廣泛應(yīng)用于工程建筑以及汽車、船舶等交通工具鍍膜玻璃的生。
產(chǎn)方法很多，主要有真空磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法以及溶膠一凝膠法等一：
利用磁控濺射技術(shù)，可以在白色玻璃基片上鍍出多層復(fù)雜膜系，膜層的耐腐蝕和耐磨性能較好，是目前使用和生產(chǎn)較多的方法，但該制備方法要求的真空環(huán)境極為苛刻，生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)龐大，電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為困難、傳統(tǒng)鍍膜生產(chǎn)線存在控制精度不高、產(chǎn)品規(guī)格受限、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。
本文主要針對(duì)真空磁控濺射法生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，提出了基于西門子S7_400PLc的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)分析了真空環(huán)境磁控濺射陰極電源和玻璃傳遞伺服子系統(tǒng)以及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制難點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1)控制系統(tǒng)組成基于西門子s7_400PLc控制系統(tǒng)配置有2塊獨(dú)立工作的cPu416-2DP模塊，分別完成相對(duì)獨(dú)立的工作。其中，1個(gè)cPu模塊實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)以及與之相關(guān)的光電開(kāi)關(guān)、門狀態(tài)的檢測(cè)與控制；另一個(gè)cPu模塊控制真空抽氣、磁控濺射、工藝氣體配氣系統(tǒng)。
2個(gè)cPu通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)同時(shí)也可與上位機(jī)進(jìn)行通信，如圖l所示。
2)真空泵抽氣控制系統(tǒng) 系統(tǒng)分大氣和真空2種工作模式。大氣模式主要用于設(shè)備調(diào)試與檢修，真空模式又分為自動(dòng)和手動(dòng)2種操作方式。真空抽氣系統(tǒng)具有以下4種功能：
①檢修后自動(dòng)抽氣進(jìn)入生產(chǎn)準(zhǔn)備狀態(tài)。
②正常抽氣進(jìn)人生產(chǎn)準(zhǔn)備狀態(tài)。
③自動(dòng)整體放氣和局部放氣。
④停產(chǎn)自動(dòng)保持氣壓。
真空排氣系統(tǒng)分三級(jí)進(jìn)行控制，由前至后的順序是旋片泵、羅茨泵和分子泵，它們的啟停順序要求非常嚴(yán)格。尤其是分子泵屬于精密設(shè)備，在程序上必須作完善的保護(hù)。
下面介紹它們的工作原理以及控制方法。
旋片泵TP可以在大氣狀態(tài)下啟動(dòng)，啟動(dòng)前必須通過(guò)真空度檢測(cè)表PG判斷所要抽氣的腔體內(nèi)真空度，防止氣流倒灌把旋片泵的泵葉沖壞：如果檢測(cè)到腔體為大氣狀態(tài)，可以立即打開(kāi)管道閥Hv啟動(dòng)_rP進(jìn)行抽氣；如果檢測(cè)為真空狀態(tài)，則必須在HV關(guān)閉狀態(tài)下啟動(dòng)TP一段時(shí)間，再由PG檢測(cè)到內(nèi)外真空度平衡，才能打開(kāi)Hv。
羅茨泵RP的啟動(dòng)對(duì)真空度要求較高，必須在50 mbar狀態(tài)以下，且判斷到前級(jí)相應(yīng)的旋片泵為啟動(dòng)狀態(tài)，自身才可以自動(dòng)啟動(dòng)，即使在全線手動(dòng)控制模式下，不滿足這2個(gè)條件，手動(dòng)操作也不能啟動(dòng)RP．當(dāng)鍍膜室的真空度達(dá)到5×10﹣2mbar時(shí)，便可以啟動(dòng)分子泵MP進(jìn)行接力抽氣，鍍膜生產(chǎn)所需要的鍍膜室背景真空度一般為10﹣2barn如果出現(xiàn)設(shè)備故障等緊急情況，程序立即轉(zhuǎn)入停產(chǎn)保壓流程，按照HVTPRPMP順序依次關(guān)閉對(duì)應(yīng)的管道閥和真空泵。
3)磁控濺射系統(tǒng) 磁控濺射是向接近真空的密封腔體充入氬氣或其他惰性氣體，陰極兩端達(dá)到設(shè)定電場(chǎng)強(qiáng)度，產(chǎn)生輝光放電，陰極電源工作泵理圖，如圖2所示。
濺射區(qū)共25個(gè)陰極位，對(duì)應(yīng)有18個(gè)陰極電源，其中，7個(gè)直流電源、11個(gè)中頻電源。根據(jù)陰極電源的控制接口，選擇Profus總線控制方式，控制所有的操作、參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)交換。并根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝控制參數(shù)，接受反饋信號(hào)，進(jìn)行安全連鎖和過(guò)程控制，并監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，記錄和打印運(yùn)行參數(shù)、曲線。
同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)每個(gè)陰極位自動(dòng)識(shí)別，在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)顯示當(dāng)前陰極電源的輸出所接的陰極位置，因?yàn)殡娫床皇桥c陰極位一一對(duì)應(yīng)，所以只有當(dāng)檢測(cè)到某陰極控制柜上有陰極電源插入時(shí)，才打開(kāi)相應(yīng)的陰極電源，否則系統(tǒng)禁止給該陰極電源通電。這一功能是在wincc全局腳本里通過(guò)c語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的，相應(yīng)的c腳本代碼為
4)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)
玻璃鍍膜生產(chǎn)工藝要求傳動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)快，控制精度高，在鍍膜區(qū)需要高精度位置控制，采用伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度的速度和位置控制。
本系統(tǒng)伺服電機(jī)選用sEw的KAF7cM90M／BR／TF／Eslh／SM52型，電機(jī)扭矩11N·m，額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min，減速比i 8．56，通過(guò)對(duì)伺服控制器FM453編程，采集編碼器的當(dāng)前脈沖數(shù)，通過(guò)Pro曲us總線實(shí)時(shí)傳送給PLc，實(shí)現(xiàn)精確玻璃計(jì)長(zhǎng)和位置控制等功能。
①玻璃計(jì)長(zhǎng)伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)編碼器增加4 096個(gè)脈沖數(shù)，傳送臺(tái)滾輪半徑r=60 mm，所以每1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)玻璃傳送前進(jìn)距離關(guān)系為e=2π∥4 096i=O．010 752 2 mHl／脈沖 (1)玻璃鍍膜生產(chǎn)以“鍋”為單位，一鍋往往不只一片玻璃，進(jìn)行玻璃計(jì)長(zhǎng)只需得到一鍋玻璃的頭部和尾部分別對(duì)應(yīng)的脈沖值，就可以計(jì)算出整鍋玻璃的長(zhǎng)度，如圖3所示。
當(dāng)傳送玻璃至位置①時(shí)，感應(yīng)到光傳感器Lsl，得到Lsl上升滑信號(hào)，開(kāi)始計(jì)長(zhǎng)過(guò)程，記下編碼器脈沖數(shù)PEcl；傳送至位置②時(shí)，得到Lsl下降沿信號(hào)，記下當(dāng)前脈沖數(shù)賦給PEc2；在位置③，得到Ls2上升沿信號(hào)，結(jié)束計(jì)長(zhǎng)過(guò)程，整鍋玻璃長(zhǎng)度為Z=c·(PEC2一PECl)=O．01075(PEC2一PECl)㈣(2)將計(jì)算出來(lái)的長(zhǎng)度存儲(chǔ)于PLc的數(shù)據(jù)塊中，用來(lái)作為上位顯示和出口區(qū)往外分發(fā)整鍋玻璃的判斷比較。
②位置控制 系統(tǒng)工藝要求在鍍膜腔室中，玻璃向前傳送感應(yīng)到Ls2時(shí)，將控制模式由速度控制轉(zhuǎn)為位置控制，位控距離為150 mm，根據(jù)計(jì)算公式150 mm對(duì)應(yīng)13 950個(gè)脈沖數(shù)。圖3中，玻璃從位置③到④過(guò)程所示即為位置控制，對(duì)應(yīng)的程序流程中，PNOW為編碼器實(shí)時(shí)脈沖值，PEND為目標(biāo)位置脈沖值，PEND=PLS+13 950，Ls3是為防止玻璃過(guò)沖而設(shè)置的光傳感器。
具體程序流程圖，如圖4所示。
5)變頻電機(jī)控制系統(tǒng)
西門子公司的MM440通用型變頻器有多種型號(hào)，可以控制額定功率范圍從120 w到：200 kw的三相交流電動(dòng)機(jī)，它具有多個(gè)繼電器和模擬量輸出，6個(gè)數(shù)字輸入和2個(gè)模擬輸入端，配置非常靈活，并且有多種可選件供用戶選用，如Pc通訊模塊，****操作面板，Profus通訊模塊等。：玻璃鍍膜生產(chǎn)線的裝、卸片區(qū)采用變頻電機(jī)進(jìn)行玻璃傳動(dòng)操作，MM440變頻器通過(guò)Pmfii]us總線與PLc控制系統(tǒng)通訊，數(shù)據(jù)格式符合VDI／VDE規(guī)范．3689“變速傳動(dòng)裝置的ProbusPro一file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以是PpO類型1或PPO類型3。
有效的通信數(shù)據(jù)塊被分成PKW區(qū)和PzD區(qū)2個(gè)區(qū)域，其中，PKw區(qū)用于讀寫(xiě)參數(shù)、讀出故障信息等，PzD區(qū)是過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)，是為了控制和監(jiān)測(cè)變頻器狀態(tài)而設(shè)計(jì)的，過(guò)程數(shù)據(jù)包括發(fā)送報(bào)文的控制字(sTw)、設(shè)定值(HSW)和接收?qǐng)?bào)文的狀態(tài)字(ZSg，)、實(shí)際值(HlW)。
根據(jù)鍍膜生產(chǎn)工藝要求，本系統(tǒng)的MM440變頻器采用了PPOl型通訊報(bào)文，報(bào)文結(jié)構(gòu)為4PKW/2PzD，要實(shí)現(xiàn)與主站PLc的Pm矗bus—DP通信，首先要在sTEP7軟件中進(jìn)行MM440變頻器的硬件組態(tài)，選擇PPO類型1，然后在下位機(jī)程序中調(diào)用系統(tǒng)功能塊sFcl4／sFcl5來(lái)實(shí)現(xiàn)PLc與MM440之間的數(shù)據(jù)通訊。使用PmFbus通訊模塊(cB)，IVIM,440相關(guān)的通訊參數(shù)要進(jìn)行設(shè)置，見(jiàn)表1。
3上位監(jiān)控系統(tǒng)
在玻璃鍍膜生產(chǎn)過(guò)程中，操作員要實(shí)時(shí)分析諸如玻璃長(zhǎng)度，陰極電源功率，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等多種數(shù)據(jù)和設(shè)備信息，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行相應(yīng)操作，要求上位監(jiān)控界面簡(jiǎn)潔，且功能全面易操作。本系統(tǒng)使用西門子公司的wincc6．O軟件進(jìn)行上位組態(tài)，與sTEP7下位編程軟件緊密結(jié)合，很好地滿足了實(shí)際生產(chǎn)需求。具體實(shí)現(xiàn)的功能如下：
①生產(chǎn)監(jiān)控與操作顯示整個(gè)生產(chǎn)工藝流程模擬圖，操作員可以監(jiān)視生產(chǎn)狀況，并可實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟動(dòng)、停止，修改工藝參數(shù)等操作。重要參數(shù)的數(shù)據(jù)歸檔：保存與更新真空計(jì)讀數(shù)，陰極電源功率，循環(huán)冷卻水溫度和流量等數(shù)據(jù)，并以趨勢(shì)曲線形式在監(jiān)控界面上顯示。②故障報(bào)警系統(tǒng)提供多種報(bào)警和分級(jí)處理功能，報(bào)警事件能自動(dòng)記錄。為了提高系統(tǒng)的安全可靠性，設(shè)計(jì)有報(bào)警自動(dòng)彈出功能，無(wú)論在哪個(gè)監(jiān)控畫(huà)面中進(jìn)行何種操作，只要發(fā)生報(bào)警，就自動(dòng)彈出報(bào)警畫(huà)面，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。
4結(jié)語(yǔ)
論文針對(duì)真空磁控濺射玻璃鍍膜法生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了西門子s7-400PLC控制系統(tǒng)．使用2塊獨(dú)立工作的cPu模塊分別控制真空泵、陰極電源、伺服電機(jī)等設(shè)備。利用Wincc6 O組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整條生產(chǎn)線的上位機(jī)監(jiān)控，完整顯示生產(chǎn)線上所有設(shè)備的運(yùn)行方式、流程作業(yè)情況及工藝參數(shù)當(dāng)前值等信息，極大地減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效率，以及鍍膜工程玻璃生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制水平。目前該鍍膜生產(chǎn)線控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某玻璃加工工廠，系統(tǒng)投入使用半年以來(lái)，控制性能穩(wěn)定，月均產(chǎn)量達(dá)10萬(wàn)平方米，處于國(guó)內(nèi)****水平。
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