摘 要：針對鍍膜工程玻璃生產(chǎn)線工藝復雜，結(jié)構(gòu)龐大，控制參數(shù)眾多，鍍膜過程控制要求響應快、精度高的特點，設計了以西門子s7—400PLc為核心的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，結(jié)舍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件配置方案；詳細闡述了真空泵、磁控濺射靶陰極電源和玻璃傳送伺服電機等子系統(tǒng)的控制策略和特點．給出玻璃長度計算方法和公式，以及位置控制程序流程框圖，該系統(tǒng)采用2塊獨立工作的cPu模塊，細化控制任務，提高了編程的靈活性和系統(tǒng)的可靠性。在wincc組態(tài)軟件平臺上，設計了系統(tǒng)監(jiān)控軟件，上位機處理大量生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，歸檔重要參數(shù)，實現(xiàn)鍍膜玻璃生產(chǎn)過程實時監(jiān)控：控制系統(tǒng)在現(xiàn)場的成功應用表明，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過程自動化的各項要求。
關鍵詞：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，以改變玻璃的光學性能，使產(chǎn)品呈現(xiàn)豐富的色彩，并且對可見光有適當?shù)耐干渎�，對紅外線有較高的反射率，對紫外線有較高吸收率，廣泛應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)定等問題。
本文主要針對真空磁控濺射法生產(chǎn)過程的特點，提出了基于西門子S7_400PLc的控制系統(tǒng)的設計方案，重點分析了真空環(huán)境磁控濺射陰極電源和玻璃傳遞伺服子系統(tǒng)以及上位機監(jiān)控系統(tǒng)控制難點的實現(xiàn)過程。
2控制系統(tǒng)設計
1)控制系統(tǒng)組成基于西門子s7_400PLc控制系統(tǒng)配置有2塊獨立工作的cPu416-2DP模塊，分別完成相對獨立的工作。其中，1個cPu模塊實現(xiàn)傳動系統(tǒng)以及與之相關的光電開關、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個cPu通過工業(yè)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)同時也可與上位機進行通信，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備調(diào)試與檢修，真空模式又分為自動和手動2種操作方式。真空抽氣系統(tǒng)具有以下4種功能：
�、贆z修后自動抽氣進入生產(chǎn)準備狀態(tài)。
②正常抽氣進人生產(chǎn)準備狀態(tài)。
�、圩詣诱w放氣和局部放氣。
�、芡．a(chǎn)自動保持氣壓。
真空排氣系統(tǒng)分三級進行控制，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格。尤其是分子泵屬于精密設備，在程序上必須作完善的保護。
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，啟動前必須通過真空度檢測表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：如果檢測到腔體為大氣狀態(tài)，可以立即打開管道閥Hv啟動_rP進行抽氣；如果檢測為真空狀態(tài)，則必須在HV關閉狀態(tài)下啟動TP一段時間，再由PG檢測到內(nèi)外真空度平衡，才能打開Hv。
羅茨泵RP的啟動對真空度要求較高，必須在50 mbar狀態(tài)以下，且判斷到前級相應的旋片泵為啟動狀態(tài)，自身才可以自動啟動，即使在全線手動控制模式下，不滿足這2個條件，手動操作也不能啟動RP．當鍍膜室的真空度達到5×10﹣2mbar時，便可以啟動分子泵MP進行接力抽氣，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順序依次關閉對應的管道閥和真空泵。
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，陰極兩端達到設定電場強度，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個陰極位，對應有18個陰極電源，其中，7個直流電源、11個中頻電源。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，進行安全連鎖和過程控制，并監(jiān)控運行狀態(tài)，記錄和打印運行參數(shù)、曲線。
同時，系統(tǒng)會對每個陰極位自動識別，在計算機上自動顯示當前陰極電源的輸出所接的陰極位置，因為電源不是與陰極位一一對應，所以只有當檢測到某陰極控制柜上有陰極電源插入時，才打開相應的陰極電源，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c語言編程實現(xiàn)的，相應的c腳本代碼為
4)伺服電機控制系統(tǒng)
玻璃鍍膜生產(chǎn)工藝要求傳動系統(tǒng)響應快，控制精度高，在鍍膜區(qū)需要高精度位置控制，采用伺服電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度的速度和位置控制。
本系統(tǒng)伺服電機選用sEw的KAF7cM90M／BR／TF／Eslh／SM52型，電機扭矩11N·m，額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min，減速比i 8．56，通過對伺服控制器FM453編程，采集編碼器的當前脈沖數(shù)，通過Pro曲us總線實時傳送給PLc，實現(xiàn)精確玻璃計長和位置控制等功能。
①玻璃計長伺服電機每轉(zhuǎn)一圈對應編碼器增加4 096個脈沖數(shù)，傳送臺滾輪半徑r=60 mm，所以每1個脈沖對應玻璃傳送前進距離關系為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，進行玻璃計長只需得到一鍋玻璃的頭部和尾部分別對應的脈沖值，就可以計算出整鍋玻璃的長度，如圖3所示。
當傳送玻璃至位置①時，感應到光傳感器Lsl，得到Lsl上升滑信號，開始計長過程，記下編碼器脈沖數(shù)PEcl；傳送至位置②時，得到Lsl下降沿信號，記下當前脈沖數(shù)賦給PEc2；在位置③，得到Ls2上升沿信號，結(jié)束計長過程，整鍋玻璃長度為Z=c·(PEC2一PECl)=O．01075(PEC2一PECl)㈣(2)將計算出來的長度存儲于PLc的數(shù)據(jù)塊中，用來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。
�、谖恢每刂� 系統(tǒng)工藝要求在鍍膜腔室中，玻璃向前傳送感應到Ls2時，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)計算公式150 mm對應13 950個脈沖數(shù)。圖3中，玻璃從位置③到④過程所示即為位置控制，對應的程序流程中，PNOW為編碼器實時脈沖值，PEND為目標位置脈沖值，PEND=PLS+13 950，Ls3是為防止玻璃過沖而設置的光傳感器。
具體程序流程圖，如圖4所示。
5)變頻電機控制系統(tǒng)
西門子公司的MM440通用型變頻器有多種型號，可以控制額定功率范圍從120 w到：200 kw的三相交流電動機，它具有多個繼電器和模擬量輸出，6個數(shù)字輸入和2個模擬輸入端，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)采用變頻電機進行玻璃傳動操作，MM440變頻器通過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個區(qū)域，其中，PKw區(qū)用于讀寫參數(shù)、讀出故障信息等，PzD區(qū)是過程數(shù)據(jù)區(qū)，是為了控制和監(jiān)測變頻器狀態(tài)而設計的，過程數(shù)據(jù)包括發(fā)送報文的控制字(sTw)、設定值(HSW)和接收報文的狀態(tài)字(ZSg，)、實際值(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型通訊報文，報文結(jié)構(gòu)為4PKW/2PzD，要實現(xiàn)與主站PLc的Pm矗bus—DP通信，首先要在sTEP7軟件中進行MM440變頻器的硬件組態(tài)，選擇PPO類型1，然后在下位機程序中調(diào)用系統(tǒng)功能塊sFcl4／sFcl5來實現(xiàn)PLc與MM440之間的數(shù)據(jù)通訊。使用PmFbus通訊模塊(cB)，IVIM,440相關的通訊參數(shù)要進行設置，見表1。
3上位監(jiān)控系統(tǒng)
在玻璃鍍膜生產(chǎn)過程中，操作員要實時分析諸如玻璃長度，陰極電源功率，電機運行狀態(tài)等多種數(shù)據(jù)和設備信息，根據(jù)現(xiàn)場情況進行相應操作，要求上位監(jiān)控界面簡潔，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，很好地滿足了實際生產(chǎn)需求。具體實現(xiàn)的功能如下：
①生產(chǎn)監(jiān)控與操作顯示整個生產(chǎn)工藝流程模擬圖，操作員可以監(jiān)視生產(chǎn)狀況，并可實現(xiàn)設備啟動、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)，并以趨勢曲線形式在監(jiān)控界面上顯示。②故障報警系統(tǒng)提供多種報警和分級處理功能，報警事件能自動記錄。為了提高系統(tǒng)的安全可靠性，設計有報警自動彈出功能，無論在哪個監(jiān)控畫面中進行何種操作，只要發(fā)生報警，就自動彈出報警畫面，同時發(fā)出聲光報警。
4結(jié)語
論文針對真空磁控濺射玻璃鍍膜法生產(chǎn)工藝特點，設計了西門子s7-400PLC控制系統(tǒng)．使用2塊獨立工作的cPu模塊分別控制真空泵、陰極電源、伺服電機等設備。利用Wincc6 O組態(tài)軟件實現(xiàn)對整條生產(chǎn)線的上位機監(jiān)控，完整顯示生產(chǎn)線上所有設備的運行方式、流程作業(yè)情況及工藝參數(shù)當前值等信息，極大地減輕了操作人員的勞動強度，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)線的自動化控制水平。目前該鍍膜生產(chǎn)線控制系統(tǒng)已經(jīng)應用于國內(nèi)某玻璃加工工廠，系統(tǒng)投入使用半年以來，控制性能穩(wěn)定，月均產(chǎn)量達10萬平方米，處于國內(nèi)****水平。
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