现代真空镀膜机电气控制系统的设计与实现丁雪成

电子测量与仪器学报2008年增刊322现代真空镀膜机电气控制系统的设计与实现丁雪成1冯震宇2吴丽颖2单允章2（1.西南交通大学电气工程学院，成都610031;2.北京北仪创新真空技术有限责任公司，北京102600）摘要:真空镀膜机是在真空条件下制备薄膜于基体表面的设备。论述了真空镀膜机的发展趋势和总体构成。结合镀膜工艺流程，对电气控制系统软、硬件结构进行了论证分析和相应的设计。同时介绍了PLC的选型，昀终实现了以欧姆龙PLC为核心的现代真空镀膜机控制系统。该电气控制系统具有手动/自动控制、故障报警等功能。系统经过了实验室和现场的两步调试，解决了潜在问题。昀终生产实践证实了该系统的可行性，实现了工艺要求，满足了客户需求。关键词:PLC；真空镀膜机；电气控制中图分类号：TP273；TB43文献标志码：BDesignandImplementationofModernVacuumCoatingMachineElectricControlSystemDingXuecheng1FengZhenyu2WuLiying2ShanYunzhang2(1.SchoolofElectricEngineering，SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.BeijingBeiyiInnovationVacuumTechnologyCO.,LTD.Beijing102600,China)Abstract:Thevacuumcoatingmachineisakindofequipmentwhichcoatsfilmonthesurfaceoftheobjectinthevacuumcondition.Thedevelopmenttrendandoverallconstitutionofvacuumcoatingmachineisintroduced.Combinedwithfilmcoatingtechnologicalprocess,ademonstrationanalyzingandcorrespondingdesigntothestructureoftheelectriccontrolsystemsoftwareandhardwarehavebeendiscussed.Atthesametime,theselectionofthePLCisintroduced.ItisrealizedthatOMRONPLCisthecenterofcontrolsystemofmodernvacuumcoatingmachine.Theelectriccontrolsystemhasthefunctionofmanual/automaticcontrol,givinganalarmandprotectionwhenthesystemisoutofcontrol,andsoon.Somepotentialproblemshavebeensolvedbylabtestingandfielddebugging.Finally,thefeasibilityofthesystemisconfirmedbyproductivepractice,soitcanrealizethetechnologicalrequirementandsatisfycustomerdemand.Keywords：PLC；vacuumcoatingmachine；electriccontrol.真空镀膜是改变物体表面物理化学性质的表面处理技术，也属于气相沉积技术[1]。如今，应用领域对真空镀膜机的发展提出更高要求，体现在以下方面：（1）伴随工业的快速发展，更多领域要求镀膜机大型化、智能化、自动化。（2）不同客户要求不同的工作环境，干扰源也多变和复杂，真空镀膜机要适应不同的甚至是恶劣的环境(如高温、潮湿、多尘、强腐蚀、强电磁、高频干扰等)。（3）客户要求更高的膜层质量，镀膜的种类也越来越多，设备必然要有相应水平的镀膜灵活性和稳定性。（4）真空系统越来越复杂，要控制的真空泵和阀门很多，而且它们之间存在着严格的连锁关系，操作错误会引起严重后果[2]。以上这些要求和功能主要由先进的真空镀膜机的电气控制系统来实现。本文中设计的真空镀膜机采用了OMRON可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）为核心的电控系统，抗干扰强，布线简单，更改或增加功能容易，维修和检修都很方便，摆脱了原控制系统采用很多的继电器-接触器来满足功能的增加造成的臃肿繁杂、操作麻烦的缺点[3]，达到了镀膜工艺更高要求，满足了不同用户的需求，是现代真空镀膜机的发展趋势。这也是本文的研究目的之所在。1电控系统的硬件部分1.1真空镀膜机的总体组成真空镀膜机主要由镀膜室、真空系统、电控系统及辅助设备等部分组成，外观如图1所示。镀膜室是完成制备薄膜的场所。真空系统为镀膜室提供电子测量与仪器学报2008年增刊323真空环境。电控系统是镀膜机的重要部分，它主要控制真空系统的各种真空泵的启动与停机，各种阀门的开启与关闭，控制指示灯及故障报警等。1.2PLC的选型PLC作为当代工业自动化三大支柱之一，它的综合性能使它在工业领域应用广泛。OMRON是世界主要的PLC生产商之一，大、中、小型PLC产品种类繁多，其产品较早就在国内广泛应用。CPM1A型PLC在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型PLC所具有的功能，尽可能使安装空间昀小化，并实现了具有20点-100点输入输出点数的弹性构成。而且还可连接可编程控制终端，创造了尚无前例的灵活运用。通过脉冲输出可实现各种基本的位置控制，可进行分散控制和模拟量控制[4]。它不仅可以替代继电器控制柜，就是作为小型控制器或在传感器应用中，亦能适应生产现场不同的需求。CPM1A不失为经济、实用的选择。再根据镀膜机的功能确定开关量输入输出实际数量以及考虑部分备用量，确定总I/O数。1.3强电回路和PLC控制电路[4-6]强电回路即主电路如图2所示，采用经典的三相四线制，通过接触器控制电机的通断。PLC的I/O接线如图3，从图中可以明显看出PLC的各输入输出点的功能分配。真空面板上的按钮、镀膜室门上的限位开关、各阀门的霍尔元件等都作为输入设备给PLC以输入信号。接触器、继电器及面板上的指示灯等接收PLC的输出信号，执行命令，完成某一指定功能。2电控系统的软件实现真空镀膜机工作过程主要分成以下几个阶段：抽真空阶段：在初始状态下，所有阀门都关闭，镀膜室门关闭。按工作键，开机械泵和维持泵，开旁路阀，开预抽阀，开复合计低真空测量；接通加热器给扩散泵加热，约40分钟后扩散泵即能正常工作；当抽真空使镀膜室压力达到600Pa后，关旁路阀，开罗茨泵，对镀膜室抽真空,镀膜室真空压力达到8Pa以下关预抽阀，开前级阀，开高阀（此时扩散泵加热时间足够，开始通过扩散泵抽高真空），开复合计高真空测量。这个阶段就是控制真空系统各种泵阀的按顺序通断。真空系统如图4所示。镀膜阶段：当镀膜室压力达到工作压力时(按实际需要，比如10-3Pa)，开旋转，调至所需旋转速度。即可进行蒸镀。在电子枪蒸镀时，要注意纵、横扫描，以免膜料扎坑。蒸镀完毕后，关电子枪，关旋转，关高真空测量。开充气阀，关高阀，关前级阀，向镀膜室内充入干燥气体，打开镀膜室门取出被镀工件。停机阶段：需要全部停止镀膜机工作时，按下面程序关机。（1）关扩散泵，关镀膜室门，开预抽阀，开机械泵，对真空室抽低真空。（2）关预抽阀，关机械泵，待扩散泵完全冷却后，关复合计低真空测量，关维持泵。故障报警：镀膜机出现缺水、缺气、断相都能及时报警,并启动保护程序。镀膜室真空系统电控系统图1真空镀膜机外观图机械泵扩散泵罗茨泵Q2K2Q1K1Q4K4Q3K3图2强电回路维持泵L1L2L3N电子测量与仪器学报2008年增刊324其他：霍尔元件能检测阀的关闭情况，关到位会给PLC一个信号，否则程序不能继续进行，来保证气路的正确。镀膜室门的限位开关来保障只有门关闭情况下，自动程序才能运行。当达到所需真空度时，压强仪能给PLC开关量信号。以上工艺流程和功能就是对控制的要求，按模块化思想，通过CX-Programmer软件平台进行PLC梯形图程序的设计。图3I/O接线图镀膜室高阀预抽阀前级阀旁路阀扩散泵维持泵罗茨泵机械泵图4真空系统简图充气阀电子测量与仪器学报2008年增刊3253电控系统的调试[7]系统调试作为检测、完善和优化设计的必要阶段，包括实验室调试和现场调试两步。3.1电控系统的实验室调试在电控系统与各种泵的电机、气动阀、压强计等仪器设备联机调试前，首先要完成系统硬件接线及线路检查。强电回路接线正确与否可以利用按钮的通断和万用表来测量各线路通断情况是否与设计要求一致。在确定控制回路及PLC的接口电路完全无误后，给PLC上电，检查各模块是否正常。PLC程序的调试以脱机调试为主，目的是找出软件上的算法和逻辑上的错误。3.2电控系统的现场试验现场试验是系统调试的关键环节，也就是将控制系统与电机、气动阀、机械部分、辅助设备等的联机调试过程。主要进行以下几个试验：PLC程序与执行机构的适配性试验:在程序中使用定时器的延时可以避免因执行机构的动作延迟造成输出信号错误。按钮容错性试验：系统要做到按正常步骤操作按钮时，功能正常；误操作按钮时，系统安全。意外情况试验：断水断电缺气，系统能及时报警，并实施相应程序。系统在不同运行阶段断电后，有不同的复位问题要解决。4结论本文的设计在北京北仪创新真空技术有限责任公司生产的ZSX-1200型镀膜机（如图5）上进行了实际应用。生产实践证明：PLC用于真空镀膜设备，可以实现工艺的自动控制或调节，有效地提高了镀膜设备的技术性能和沉积薄膜的质量，提高了系统运行的安全性和控制的可靠性，有着较好的功能扩展性和升级性。本文的设计是现代真空镀膜机发展之所向。科研单位和生产企业等用户给予了良好评价，扩大了市场，提高了企业的竞争力。参考文献：[1]关奎之.真空镀膜技术[M].沈阳:东北大学出版社,2004：2-3.[2]郑新.真空镀膜机控制系统的改造[J].仪器仪表标准化与计量.2004,（5）：36.[3]干署毅，陈长琦.用单片机控制卷绕式真空镀膜机[J].电力电容器,2000,（3）：37.[4]陆云.可编程控制器（PLC）在电气控制中的应用[J].电气开关，2005，（2）：40-42.[5]李仁.电器控制[M].北京：机械工业出版社，2000:42-50.[6]祁文钊，霍罡.CS/CJ系列PLC应用基础及案例[M].北京：机械工业出版社,2006:241-251.[7]贾志华.基于PLC的卧式电解加工机床控制系统的设计和实现[J].合肥工业大学硕士论文.2008:52-55.作者简介：丁雪成：1983年出生，现为西南交通大学硕士研究生，主要研究方向为电气自动化，轨道交通电气化与自动化。冯震宇：1984年出生，毕业于南京林业大学，从事于电气和自动控制系统的设计和研究等方面的工作。吴丽颖：1984年出生，毕业于内蒙古工业大学，从事于电气和自动控制系统的设计和研究等方面的工作。单允章：1948年出生，高级工程师，长期从事于真空镀膜机的设计和研究工作。图5ZZS-1200型真空镀膜机