摘 要：本文介紹了一種成功應(yīng)用的磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)討論了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置、軟件設(shè)計(jì)、通信協(xié)議、控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)以及軟件編程的控制算法。
關(guān) 鍵 詞：磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；易控（INSPEC）；通信協(xié)議；控制算法
肇慶市大力真空設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DJW（L）系列臥式（立式）磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線采用DC電源或中頻電源控制平面靶、圓柱旋轉(zhuǎn)靶或中頻孿生靶在工件上濺射成膜，廣泛應(yīng)用于各種建筑玻璃、ITO透明導(dǎo)電玻璃、家電玻璃、高反射后視鏡及亞克力鍍膜等行業(yè)。該系列生產(chǎn)線在吸收歐洲同類(lèi)生產(chǎn)線的先進(jìn)技術(shù)和鍍膜工藝的同時(shí)，融合了獨(dú)特的操作人性化、使用簡(jiǎn)便化設(shè)計(jì)理念，在用戶(hù)群體中得到了充分的肯定。
在該系列磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線中，一臺(tái)10.4寸pro-face彩色觸摸屏作為主要操作界面已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置，工作亦較穩(wěn)定.由于鍍膜生產(chǎn)中需要控制的工藝參數(shù)較多，為了更大地提高工作效率和鍍膜工藝的可控性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)完成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和參數(shù)優(yōu)化，從而使鍍膜生產(chǎn)具有很好的工藝重復(fù)性，更適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)的需要。
1、監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)
根據(jù)生產(chǎn)線工作狀況和生產(chǎn)要求，該計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下功能。
（1）模式選擇：為了滿(mǎn)足生產(chǎn)線的工作需要，該計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種運(yùn)行模式一一用于鍍膜生產(chǎn)的自動(dòng)監(jiān)控模式和用于調(diào)試及檢修的手動(dòng)監(jiān)控模式，兩種運(yùn)行模式可自由切換。
（2）工藝方案選擇：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多種工件的鍍膜自動(dòng)化，該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種工藝方案供使用者選擇，設(shè)備運(yùn)行前選擇要使用的方案，或自行設(shè)定新的方案，然后開(kāi)始鍍膜生產(chǎn)。
（3）數(shù)據(jù)檢測(cè)記錄：為了方便用戶(hù)監(jiān)控工藝過(guò)程，分析研究工藝參數(shù)的作用，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)以獲得更好的鍍膜效果，該監(jiān)控系統(tǒng)：1）實(shí)時(shí)顯示各磁控靶電源電壓、電流、各真空計(jì)數(shù)值、氣體流量等參數(shù)數(shù)值；2）定時(shí)記錄設(shè)備運(yùn)行情況，每30分鐘記錄一次，或按要求隨時(shí)記錄；3）記錄重要工藝參數(shù)，并形成報(bào)表文件和歷史曲線。
（4）故障報(bào)警記錄：1）在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)彈出報(bào)警畫(huà)面和文字提示，同時(shí)報(bào)警燈閃爍；2）記錄所有報(bào)警信息，以備檢修時(shí)查詢(xún)；3）根據(jù)故障的輕重緩急，可對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分類(lèi)。
（5）自動(dòng)診斷保護(hù)：這是一種保護(hù)措施，減少因故障對(duì)設(shè)備造成的損害，主要表現(xiàn)在：1）當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)可自動(dòng)關(guān)機(jī)；2）磁控電源開(kāi)啟后，對(duì)其電壓和電流實(shí)行緩升，緩降以保護(hù)電源；3）可自行檢測(cè)上、下位機(jī)通信是否正常。
（6）操作權(quán)限限定：利用該功能可以限制一般用戶(hù)的權(quán)限，防止誤操作，減少出錯(cuò)幾率；同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)控的統(tǒng)一。
（7）其它功能：該計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還設(shè)置了系統(tǒng)時(shí)鐘、設(shè)備輸入輸出點(diǎn)監(jiān)控界面、設(shè)備操作說(shuō)明界面等方便用戶(hù)查詢(xún)、使用的一些實(shí)用功能。
2、監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成
本計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)和通信協(xié)議三部分構(gòu)成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
上位機(jī)用于監(jiān)控生產(chǎn)運(yùn)行狀況和生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，完成對(duì)鍍膜生產(chǎn)的全部控制，并將獲取的歷史數(shù)據(jù)，作為鍍膜效果檢測(cè)分析的一項(xiàng)憑據(jù)。由于上位機(jī)所處的環(huán)境干擾較小，所以選用普通的PC機(jī)，操作系統(tǒng)采用通用性好、功能強(qiáng)的Microsoft WindowsXP。監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件選用北京九思易自動(dòng)化軟件有限公司開(kāi)發(fā)的易控（INSPEC）E20通用組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件,它是全球首款基于Microsoft最新操作平臺(tái).NET的同類(lèi)產(chǎn)品，具有監(jiān)控功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、圖形精美、易學(xué)易用、開(kāi)發(fā)高效及擴(kuò)展容易等一系列優(yōu)點(diǎn)，它采用高級(jí)語(yǔ)言C#作為用戶(hù)程序（腳本）語(yǔ)言，能很好地滿(mǎn)足控制的要求。采集和數(shù)據(jù)顯示的功能也比較完善，只要安裝好設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序就能與各種PLC、智能儀表、板卡及變頻器等設(shè)備進(jìn)行通信，還可以與其它計(jì)算機(jī)相連，組成一個(gè)企業(yè)的分布式生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)。
應(yīng)用易控（INSPEC）通用組態(tài)式監(jiān)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)自動(dòng)化控制的畫(huà)面，通過(guò)上位機(jī)畫(huà)面可以對(duì)鍍膜生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將重要數(shù)據(jù)記到文件保存下來(lái)。當(dāng)生產(chǎn)發(fā)生異常時(shí)，進(jìn)行越限或故障聲音報(bào)警及文字提示，同時(shí)彈出有關(guān)畫(huà)面，便于操作人員快速分析、處理，以便在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)。
下位機(jī)由三菱PLC加上各種模塊構(gòu)成，包括：一臺(tái)FX2N-128MR主機(jī)，一個(gè)FX2N-16EYR輸出擴(kuò)展模塊，四個(gè)FX2N-4DA模擬輸出模塊，兩個(gè)FX2N-4AD模擬輸入模塊一個(gè)FX2N-232-BD通信板。
易控（INSPEC）通用組態(tài)式監(jiān)控系統(tǒng)支持OPC服務(wù)器，可連接第三方的軟件：由于三菱PLC有專(zhuān)門(mén)的通信驅(qū)動(dòng)程序，上位機(jī)和下位機(jī)之間采用串口RS-232屏蔽電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)與下位機(jī)之間以問(wèn)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用由上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送通信命令（下行命令），上位機(jī)在接收下位機(jī)發(fā)回的相應(yīng)回答命令（上行命令）后，繼續(xù)發(fā)送下行命令的通信形式。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)功能的要求，通信協(xié)議采用周期命令方式進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)傳送采用事件驅(qū)動(dòng)的通信方式。對(duì)于接收的數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議在進(jìn)行幀長(zhǎng)度校驗(yàn)、字符校驗(yàn)和超時(shí)校驗(yàn)后發(fā)送給上位機(jī)。若校驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則應(yīng)用重發(fā)機(jī)制對(duì)錯(cuò)誤幀進(jìn)行重發(fā)，直至正確接收。
所有控制工作都由下位機(jī)完成，上位機(jī)只負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互界面，進(jìn)行指令接收和發(fā)送、自動(dòng)化進(jìn)程控制、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)定、報(bào)表打印和數(shù)據(jù)處理等。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)一直和下位機(jī)實(shí)時(shí)通信，從而保證界面上顯示的數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)相一致；操作人員在上位機(jī)上發(fā)出的操作命令和設(shè)定的參數(shù)也都可以實(shí)時(shí)的送到下位機(jī)上執(zhí)行。由于配備觸摸作為冗余操作設(shè)備，生產(chǎn)線可隨時(shí)脫離計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到觸摸屏操作模式，而不影響生產(chǎn)，便于設(shè)備維護(hù)，增進(jìn)了系統(tǒng)的可靠性。
3、系統(tǒng)工藝流程的設(shè)計(jì)的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)
依據(jù)磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線的工藝要求，鍍膜生產(chǎn)控制可設(shè)計(jì)成四個(gè)分時(shí)動(dòng)作過(guò)程。
第一個(gè)過(guò)程是真空獲得，為保證鍍膜的質(zhì)量，系統(tǒng)要求必須具備一定的基礎(chǔ)真空；
第二個(gè)過(guò)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面，以去除表面雜物及臟物；
第三個(gè)過(guò)程是磁控濺射鍍膜，從陰極發(fā)身出來(lái)的電子，在磁場(chǎng)和電場(chǎng)中受到洛侖茲力的作用，沿著磁場(chǎng)的方向作擺線動(dòng)力前進(jìn)，沉積到工件表面開(kāi)成薄膜；
第四個(gè)過(guò)程是系統(tǒng)開(kāi)關(guān)機(jī)，這是鍍膜前后對(duì)整個(gè)設(shè)備的處理操作。
3．1真空獲得過(guò)程的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)
磁控鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)采用滑閥真空泵一羅茨真空泵一高真空油擴(kuò)散泵機(jī)組來(lái)獲取低真空和高真空，采用微機(jī)型數(shù)顯真空計(jì)來(lái)檢測(cè)真空度，該過(guò)程的自動(dòng)化控制包括：①機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、真空計(jì)、水泵的啟?？刂?；②各真空計(jì)的高、低真空值輸出控制；③各真空閥門(mén)、翻板閥的開(kāi)閉控制。
整套設(shè)備采用循環(huán)水處理冷卻，所以系統(tǒng)在沒(méi)有接收到水壓指示前不能開(kāi)啟真空機(jī)組。翻板閥用來(lái)實(shí)現(xiàn)大氣與低真空室以及低真空室與高真空室之間的隔離；真空閥門(mén)用來(lái)控制真空抽氣通路的通斷。系統(tǒng)通過(guò)控制氣動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉。
3．2離子轟擊過(guò)程的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)
對(duì)于某些機(jī)型（如亞克力鍍膜生產(chǎn)線），為了提高薄膜的附著力，本系統(tǒng)采用了高能離子轟擊作為鍍前處理工藝。在轟擊清洗過(guò)程中，控制指標(biāo)是氬氣質(zhì)量流量、轟擊電壓、轟擊電流、轟擊時(shí)間和傳動(dòng)速度等；為了滿(mǎn)足鍍膜工藝的要求，可以選擇工件緩慢地通過(guò)轟擊室，一邊行進(jìn)一邊轟擊；也可以選擇工件停留在轟擊室，轟擊一段時(shí)間后再進(jìn)入緩沖室，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件的高能離子清洗。
3．3鍍膜過(guò)程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了滿(mǎn)足鍍膜工藝的要求，鍍膜過(guò)程中需要控制氬氣質(zhì)量流量、反應(yīng)氣體質(zhì)量流量、各靶濺射電壓、濺射電流和鍍膜傳動(dòng)速度等指標(biāo)。當(dāng)工件行進(jìn)至磁控靶前，靶電流由維持狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)，對(duì)工件進(jìn)行鍍膜，直至工件離開(kāi)該靶后，回復(fù)至維持狀態(tài)，最大限度地節(jié)省靶材。
為有效地保護(hù)磁控靶及靶電源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水壓、真空度控制和過(guò)流、過(guò)熱故障報(bào)警功能，以及靶電源電壓、電流的緩升降功能。
3．4系統(tǒng)開(kāi)關(guān)機(jī)的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)
自動(dòng)開(kāi)機(jī)，是從擴(kuò)散泵預(yù)熱開(kāi)始，真空抽氣系統(tǒng)自動(dòng)工作直至鍍膜室真空度達(dá)到后，磁控靶自動(dòng)啟動(dòng)，這一段過(guò)程的所有操作均由設(shè)備自動(dòng)完成。
自動(dòng)關(guān)機(jī)，是生產(chǎn)線鍍膜工作完成后，自動(dòng)關(guān)閉磁控靶，并逐步關(guān)閉真空抽氣系統(tǒng)，這一段過(guò)程的所有操作均由設(shè)備自動(dòng)完成。
4、算法控制
4．1反饋算法
在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，磁控電源的設(shè)定值與顯示值總存在一定的誤差，為使二者達(dá)到統(tǒng)一，我們應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)了一套反饋算法，用于電源數(shù)據(jù)設(shè)定與顯示上，效果非常理想。
設(shè)當(dāng)前電源顯示數(shù)據(jù)（采集數(shù)據(jù)）為X n，經(jīng)過(guò)時(shí)間T后，顯示數(shù)據(jù)為X n+1,電源初始設(shè)定值為S1，修正設(shè)定值為S2，具體計(jì)算流程如圖2所示。
流程圖中的d、k、e、為選取的常數(shù)。︳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(zhuǎn)換算法
整套監(jiān)控系統(tǒng)量程轉(zhuǎn)換分為兩個(gè)部分，三個(gè)階段。
第一部分：數(shù)據(jù)顯示器：
1）電源量程轉(zhuǎn)換成0～10V輸出
2）0～10V輸出轉(zhuǎn)換成0～2000整型輸入到計(jì)算機(jī)
3）0～2000整型再轉(zhuǎn)換成電源量程進(jìn)行顯示
第二部分：數(shù)據(jù)設(shè)定
1）電源量程轉(zhuǎn)換成0～500整型輸出計(jì)算機(jī)
2）0～500整型轉(zhuǎn)換成0～10V輸入電源
3）0～10V輸入轉(zhuǎn)換成電源量程式進(jìn)行設(shè)定
每一階段的轉(zhuǎn)換都是一個(gè)線性模擬過(guò)程，只需要計(jì)算轉(zhuǎn)換斜率即可求出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換值，例如0～10V輸出轉(zhuǎn)換成0～2000整型，它的轉(zhuǎn)換斜率K=2000/10=200，則對(duì)于任意輸入X，其轉(zhuǎn)換值Y=KX=200X
5 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹的磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行使用，工作平穩(wěn)、性能可靠，畫(huà)面逼真富于表現(xiàn)力，具有較好的監(jiān)控效果，提升了用戶(hù)系統(tǒng)形象。作為一套成功的鍍膜生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)監(jiān)
