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應用於磁控濺射鍍膜生產線的計算機監控係統的設計 (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係統的設計，重點討論了計算機監控係統的硬件配置、軟件設計、通信協議、控製過程實現以及軟件編程的控製算法。
關 鍵 詞：磁控濺射鍍膜生產線；計算機監控係統；易控（INSPEC）；通信協議；控製算法
肇慶市大力真空設備有限公司生產的DJW（L）係列臥式（立式）磁控濺射鍍膜生產線采用DC電源或中頻電源控製平麵靶、圓柱旋轉靶或中頻孿生靶在工件上濺射成膜，廣泛應用於各種建築玻璃、ITO透明導電玻璃、家電玻璃、高反射後視鏡及亞克力鍍膜等行業。該係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。
在該係列磁控濺射鍍膜生產線中，一台10.4寸pro-face彩色觸摸屏作為主要操作界麵已經成為標準配置，工作亦較穩定.由(you)於(yu)鍍(du)膜(mo)生(sheng)產(chan)中(zhong)需(xu)要(yao)控(kong)製(zhi)的(de)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)較(jiao)多(duo)，為(wei)了(le)更(geng)大(da)地(di)提(ti)高(gao)工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)和(he)鍍(du)膜(mo)工(gong)藝(yi)的(de)可(ke)控(kong)性(xing)，我(wo)們(men)設(she)計(ji)了(le)一(yi)套(tao)計(ji)算(suan)機(ji)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)來(lai)完(wan)成(cheng)整(zheng)個(ge)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)的(de)監(jian)控(kong)和(he)參(can)數(shu)優(you)化(hua)，從(cong)而(er)使(shi)鍍(du)膜(mo)生(sheng)產(chan)具(ju)有(you)很(hen)好(hao)的(de)工(gong)藝(yi)重(zhong)複(fu)性(xing)，更(geng)適(shi)合(he)工(gong)業(ye)化(hua)大(da)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)的(de)需(xu)要(yao)。
1 監控係統的功能設計
根據生產線工作狀況和生產要求，該計算機監控係統設計有以下功能。
（1） 模式選擇：為了滿足生產線的工作需要，該計算機監控係統設計了兩種運行模式一一 用於鍍膜生產的自動監控模式和用於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(wei)了(le)實(shi)現(xian)對(dui)多(duo)種(zhong)工(gong)件(jian)的(de)鍍(du)膜(mo)自(zi)動(dong)化(hua)，該(gai)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)了(le)多(duo)種(zhong)工(gong)藝(yi)方(fang)案(an)供(gong)使(shi)用(yong)者(zhe)選(xuan)擇(ze)，設(she)備(bei)運(yun)行(xing)前(qian)選(xuan)擇(ze)要(yao)使(shi)用(yong)的(de)方(fang)案(an)，或(huo)自(zi)行(xing)設(she)定(ding)新(xin)的(de)方(fang)案(an)，然(ran)後(hou)開(kai)始(shi)鍍(du)膜(mo)生(sheng)產(chan)。
（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，該監控係統：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分鍾記錄一次，或按要求隨時記錄；3）記錄重要工藝參數，並形成報表文件和曆史曲線。
（4）故障報警記錄：1）在設備出現故障時監控係統自動彈出報警畫麵和文字提示，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，監控係統可自動關機；2）磁控電源開啟後，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：利用該功能可以限製一般用戶的權限，防止誤操作，減少出錯幾率；同時還可以實現控製和監控的統一。
（7）其它功能：該計算機監控係統還設置了係統時鍾、設備輸入輸出點監控界麵、設備操作說明界麵等方便用戶查詢、使用的一些實用功能。
2 監控係統的構成
本計算機監控係統由上位機、下位機和通信協議三部分構成，係統硬件結構如圖1所示。
上shang位wei機ji用yong於yu監jian控kong生sheng產chan運yun行xing狀zhuang況kuang和he生sheng產chan工gong藝yi數shu據ju，完wan成cheng對dui鍍du膜mo生sheng產chan的de全quan部bu控kong製zhi，並bing將jiang獲huo取qu的de曆li史shi數shu據ju，作zuo為wei鍍du膜mo效xiao果guo檢jian測ce分fen析xi的de一yi項xiang憑ping據ju。由you於yu上shang位wei機ji所suo處chu的de環huan境jing幹gan擾rao較jiao小xiao，所suo以yi選xuan用yong普pu通tong的dePC機，操作係統采用通用性好、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通用組態監控係統軟件,它是全球首款基於Microsoft最新操作平台.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係列優點，它采用高級語言C#作為用戶程序（腳本）語言，能很好地滿足控製的要求。采集和數據顯示的功能也比較完善，隻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）tongyongzutaishijiankongxitongruanjiankaifazidonghuakongzhidehuamian，tongguoshangweijihuamiankeyiduidumoshengchanjinxingshishijiankong，bingjiangzhongyaoshujujidaowenjianbaocunxialai。dangshengchanfashengyichangshi，jinxingyuexianhuoguzhangshengyinbaojingjiwenzitishi，tongshidanchuyouguanhuamian，bianyucaozuorenyuankuaisufenxi、處理，以便在最短的時間內恢複生產。
下位機由三菱PLC加上各種模塊構成，包括：一台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）通用組態式監控係統支持OPC服務器，可連接第三方的軟件：由於三菱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）後hou，繼ji續xu發fa送song下xia行xing命ming令ling的de通tong信xin形xing式shi。根gen據ju監jian控kong係xi統tong功gong能neng的de要yao求qiu，通tong信xin協xie議yi采cai用yong周zhou期qi命ming令ling方fang式shi進jin行xing發fa送song，數shu據ju傳chuan送song采cai用yong事shi件jian驅qu動dong的de通tong信xin方fang式shi。對dui於yu接jie收shou的de數shu據ju通tong信xin，通tong信xin協xie議yi在zai進jin行xing幀zhen長chang度du校xiao驗yan、字符校驗和超時校驗後發送給上位機。若校驗時發現錯誤，則應用重發機製對錯誤幀進行重發，直至正確接收。
所有控製工作都由下位機完成，上位機隻負責提供人機交互界麵，進行指令接收和發送、自動化進程控製、數據顯示存儲、參數設定、報表打印和數據處理等。在係統運行過程中，上位機一直和下位機實時通信，從而保證界麵上顯示的數據和實際數據相一致；操cao作zuo人ren員yuan在zai上shang位wei機ji上shang發fa出chu的de操cao作zuo命ming令ling和he設she定ding的de參can數shu也ye都dou可ke以yi實shi時shi的de送song到dao下xia位wei機ji上shang執zhi行xing。由you於yu配pei備bei觸chu摸mo作zuo為wei冗rong餘yu操cao作zuo設she備bei，生sheng產chan線xian可ke隨sui時shi脫tuo離li計ji算suan機ji監jian控kong係xi統tong轉zhuan換huan到dao觸chu摸mo屏ping操cao作zuo模mo式shi，而er不bu影ying響xiang生sheng產chan，便bian於yu設she備bei維wei護hu，增zeng進jin了le係xi統tong的de可ke靠kao性xing。
3係統工藝流程的設計的控製過程實現
依據磁控濺射鍍膜生產線的工藝要求，鍍膜生產控製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，係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麵，以去除表麵雜物及髒物；
disangeguochengshicikongjianshedumo，congyinjifashenchulaidedianzi，zaicichanghedianchangzhongshoudaoluolunzilidezuoyong，yanzhecichangdefangxiangzuobaixiandongliqianjin，chenjidaogongjianbiaomiankaichengbomo；
第四個過程是係統開關機，這是鍍膜前後對整個設備的處理操作。
3．1真空獲得過程的自動化控製設計
cikongdumoshengchanxianzhenkongxitongcaiyonghuafazhenkongbengyiluocizhenkongbengyigaozhenkongyoukuosanbengjizulaihuoqudizhenkonghegaozhenkong，caiyongweijixingshuxianzhenkongjilaijiancezhenkongdu，gaiguochengdezidonghuakongzhibaokuo：①機械泵、擴散泵、真空計、水泵的啟停控製；②各真空計的高、低真空值輸出控製；③各真空閥門、翻板閥的開閉控製。
zhengtaoshebeicaiyongxunhuanshuichulilengque，suoyixitongzaimeiyoujieshoudaoshuiyazhishiqianbunengkaiqizhenkongjizu。fanbanfayonglaishixiandaqiyudizhenkongshiyijidizhenkongshiyugaozhenkongshizhijiandegeli；真空閥門用來控製真空抽氣通路的通斷。係統通過控製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製設計
對於某些機型（如亞克力鍍膜生產線），為了提高薄膜的附著力，本係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，控製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，轟擊一段時間後再進入緩衝室，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製係統設計
為了滿足鍍膜工藝的要求，鍍膜過程中需要控製氬氣質量流量、反應氣體質量流量、各靶濺射電壓、濺(jian)射(she)電(dian)流(liu)和(he)鍍(du)膜(mo)傳(chuan)動(dong)速(su)度(du)等(deng)指(zhi)標(biao)。當(dang)工(gong)件(jian)行(xing)進(jin)至(zhi)磁(ci)控(kong)靶(ba)前(qian)，靶(ba)電(dian)流(liu)由(you)維(wei)持(chi)狀(zhuang)態(tai)自(zi)動(dong)轉(zhuan)至(zhi)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)，對(dui)工(gong)件(jian)進(jin)行(xing)鍍(du)膜(mo)，直(zhi)至(zhi)工(gong)件(jian)離(li)開(kai)該(gai)靶(ba)後(hou)，回(hui)複(fu)至(zhi)維(wei)持(chi)狀(zhuang)態(tai)，最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)節(jie)省(sheng)靶(ba)材(cai)。
為有效地保護磁控靶及靶電源，係統設計了水壓、真空度控製和過流、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係統開關機的自動化控製設計
zidongkaiji，shicongkuosanbengyurekaishi，zhenkongchouqixitongzidonggongzuozhizhidumoshizhenkongdudadaohou，cikongbazidongqidong，zheyiduanguochengdesuoyoucaozuojunyoushebeizidongwancheng。
自動關機，是生產線鍍膜工作完成後，自動關閉磁控靶，並逐步關閉真空抽氣係統，這一段過程的所有操作均由設備自動完成。
4 算法控製
4．1反饋算法
zaixitongyingyongguochengzhong，cikongdianyuandeshedingzhiyuxianshizhizongcunzaiyidingdewucha，weishierzhedadaotongyi，womenyingyongruanjianshejileyitaofankuisuanfa，yongyudianyuanshujushedingyuxianshishang，xiaoguofeichanglixiang。
設當前電源顯示數據（采集數據）為X n，經過時間T後，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 ︳△ =k〔S1-（X n+1+X n）/2〕為所求的反饋量。
4．2量程轉換算法
整套監控係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，隻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，則對於任意輸入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係統經過運行使用，工作平穩、性(xing)能(neng)可(ke)靠(kao)，畫(hua)麵(mian)逼(bi)真(zhen)富(fu)於(yu)表(biao)現(xian)力(li)，具(ju)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)監(jian)控(kong)效(xiao)果(guo)，提(ti)升(sheng)了(le)用(yong)戶(hu)係(xi)統(tong)形(xing)象(xiang)。作(zuo)為(wei)一(yi)套(tao)成(cheng)功(gong)的(de)鍍(du)膜(mo)生(sheng)產(chan)線(xian)計(ji)算(suan)機(ji)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)，我(wo)們(men)計(ji)劃(hua)作(zuo)出(chu)相(xiang)應(ying)改(gai)用(yong)到(dao)多(duo)種(zhong)鍍(du)膜(mo)設(she)備(bei)上(shang)，因(yin)此(ci)具(ju)有(you)極(ji)大(da)的(de)推(tui)廣(guang)價(jia)值(zhi)和(he)應(ying)用(yong)前(qian)景(jing)，從(cong)而(er)促(cu)進(jin)我(wo)國(guo)真(zhen)空(kong)鍍(du)膜(mo)設(she)備(bei)計(ji)算(suan)機(ji)監(jian)控(kong)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)。
參考文獻
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