离线镀膜玻璃生产线控制系统设计与应用

王 程

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

离线镀膜玻璃生产线控制系统设计与应用

王 程

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

离线镀膜玻璃生产线利用磁控溅射法生产镀膜玻璃,该过程工艺复杂,自动化程度要求较高。该文针对生产线硬件结构和控制策略的分析,提出主控制器采用基于西门子S7-400PLC的双CPU协同的控制模式,并结合真空系统、伺服控制系统、磁控溅射阴极电源系统等子系统的特点详细阐述控制系统设计方案与运行原理。

磁控溅射; S7-400PLC; 控制系统

镀膜玻璃指的将若干层金属或金属氧化物均匀附着在玻璃基板上,以改变玻璃的光学性能,使得玻璃对可见光有较高的通过率的同时对红外线有较高的反射率[1]。通过膜系的优化设计,镀膜玻璃的低辐射率由普通玻璃的0.84降低到0.04～0.12[2],从而使玻璃具备低辐射的节能特性,广泛的用于建筑幕墙。制备镀膜玻璃的工艺方法有很多,主要有磁控溅射法、物理化学气相沉积法、真空蒸发法等。其中磁控溅射法多用于离线生产,在市场上也占有主导地位,理论产能高达15 000万m2[3],其特点是该技术相对成熟稳定,可满足复杂膜系的工艺要求,膜层的附着力也较早期有了很大提升。

该文通过对采用磁控溅射法的离线镀膜玻璃生产线的特点分析,建立一整套控制系统架构,并在各关键控制点也做了重点介绍。

1 控制系统总体设计

生产线的电气控制系统规模较大,现场控制点数量众多,按功能可划分为真空系统、传动系统、阴极电源系统。为便于细化控制任务,提高系统的运行效率,主控CPU采用了两台独立运行的西门子S7-400PLC。其中一个CPU负责传动系统,另一台CPU负责真空系统和阴极与电源系统。

控制器与上位机网络如图1所示,两台PLC通过以太网与上位机监控程序通讯,而两台PLC之间的数据交换则由一条专用以太网通讯通道完成。这样设计是因为上位机与PLC的通讯量较大,PLC之间的信号传输复用这一通道会大大降低数据传输的实时性,进一步拖慢系统的运行周期从而影响生产节拍时间,因此为PLC之间信号交互建立独立的通讯通道是必要的。

现场级的控制系统结构如图2和图3所示,在以CPU416为控制核心的网络系统中,针对阴极在溅射过程中电磁环境复杂的情况,为消除信号干扰保证通讯正常有效,系统采用光纤通讯。利用OLM设备将DP电信号转换为光信号,集成在阴极的控制器具备光纤接口可直接与OLM设备连接。图2为CPU416网络系统示意图。

生产线分子泵盖板单元数量为20个,每个盖板单元集成有独立的远程智能从站与CPU通讯。若直接采用总线型的网络拓扑结构不利于扩展和盖板位置调换,因此,设计具有星型结构的网络更便于电气安装以及后期盖板位置调整和数量扩展。

模块化的盖板单元设计不仅仅要便于安装与互换,在控制系统层面,这种互换性必须要被主动识别,在监控级必须自适应做出调整,以方便工艺人员对设备有正确直观的把握。实现的方法是通过将每个盖板位设置一个唯一的电子铭牌,当盖板安装到某一安装位后,盖板内部的控制器采集电子铭牌信息,转化为数字编码通过现场总线传输给主控CPU。通过这个方式控制系统能识别每个盖板所在位置,在监控级也要把相应的结果输出到监控界面上。针对该项目可以通过在画面中设置脚本的方式实现,具体的做法是使盖板屏幕坐标按照位置编码进行动态变更,一旦盖板位置对调,盖板内包括分子泵或者阴极信息整体都会根据实际变动而在监控屏幕上进行自动调整,使得监控界面能够实时反映生产线最新状态。

以CPU414为核心的网络系统是针对生产线传输过程的控制,主要控制对象包括翻版门阀、各区域光电传感器、伺服驱动和变频驱动。该生产线腔体内部传动采用西门子S120系列伺服驱动,该系列精度高、运行稳定,能充分适应离线镀膜传动的工艺需要。上下片区输送采用变频控制,变频器选用西门子MM440,电机选用SEW异步电机,控制模式采用的是带编码器的闭环速度控制,控制精度接近伺服控制水平,在满足工艺要求的同时有效的降低了成本。图3为CPU414网络系统示意图。

1.1 磁控溅射工艺控制

磁控溅射过程是在真空环境下充入工艺气体(通常情况下选择氦气),在阴极两端施加设定强度电场,使工艺气体产生辉光放电,气体分子等离子化后在电场与磁场的共同作用下撞击靶材,将靶材原子碰撞出晶格从靶材表面溅射脱落。溅射出来的靶材粒子在重力、电场、磁场的作用下射向玻璃基板表面,并最终沉积成膜[4]。

该生产线初始配置提供生产单银可钢化镀膜玻璃。按工艺要求选用九个阴极,其中旋转阴极六个制备金属化合物膜系,对应溅射电源选用120 k W中频电源,阴极电源采用一对一方式匹配。另外三个平面阴极配合三个30 k W直流电源制备金属膜系。

阴极和电源的控制均是采用PROFIBUS-DP总线通讯。针对安全控制通过在阴极单元设定跳线回路,并把跳线回路通过硬连接的方式与相匹配的电源的安全回路接连,使溅射系统软硬件出现一系列警告或故障情况下能够自我关断输出,从而保护相关人员和设备安全。具体磁控溅射控制的功能如图4所示。

1.2 真空过程控制

根据磁控溅射工艺需要,镀膜环境需要在一个高真空状态下进行。因此,必须依靠一系列真空泵组合维持真空状态,软件对真空泵组的控制是根据各泵特性进行顺序控制并综合考虑异常报警的处理。

该生产线对真空过程的控制包含对各级真空泵的顺序控制及异常保护,真空系统分三级,最外是旋片泵,依次是罗茨泵和分子泵。这些泵的起停顺序要求很严格,必须在软硬件层面对设备进行有效保护。

通常情况下,旋片泵最先启动,当腔体中真空度到达50 mbar以下可以启动罗茨泵,当真空度进一步达到5×10-2mbar时可以启动分子泵。关泵则是开泵的逆过程,当某一时刻腔体真空度到达泵设定保护的临界值时,程序触发连锁保护,保障泵不受到损坏。机组启动之前,针对泵组的操作均为手动模式,当机组生产工艺开始后转为自动模式,此时抽空与破空过程依照玻璃输送自动进行。对于在正常生产模式下的破空只针对进片区C1和出片区C7,破空模式分为空气和干燥空气模式,空气模式指的是利用大气环境给真空腔体里注入空气。干燥空气模式指的是利用事先装载压力罐中的压力干燥空气对腔体进行破空,其优点在于干燥空气中不含水,水的存在会影响抽真空效果,使用干燥空气破空后对下一次抽真空起到了提高效率的作用,同时压力干燥空气对破空的速度也会有一定的提升。

1.3 传动控制系统

传动控制分为腔体内部伺服驱动控制和外部变频控制两部分,伺服控制系统是伺服驱动器S120通过Profibus将数据传输给CPU414,由CPU统一控制各腔室传送站,主要完成的功能有:

1)玻璃长度计算:通过在入口室内的2对高精度对射式光电开关,测量每组玻璃行进方向的长度。针对分组排放的玻璃,测量长度为玻璃前后最大跨距;在缓冲室同样的测量过程将会重复,目的是与先前测量结果比对,如果测量误差超出设定阈值,系统会提示报警,如误差在范围内则取两次测量均值。

2)玻璃间距控制:在镀膜段传输过程中,根据工艺需要,每组玻璃间距要在保证出口缓冲室能分离的情况下尽可能小,同时要求距离可控,那么系统通过在镀膜段的进口区两段可变速的辊道实现玻璃间距控制。通过记录玻璃位置与节拍时间差值算出追赶速度与减速位移,从而确定间距。

3)玻璃位置计算:玻璃在腔体中的位置要根据计算时得出数据并显示在上位机上,目的是帮助工艺调试人员把握玻璃走向,系统通过中断程序与伺服电机编码器反馈值记录每组玻璃运行情况,对玻璃实现跟踪定位。在单片模式下通过跟踪确定玻璃的位置,在监控界面上实时显示玻璃的位置与长度和编号;在成组模式下,程序利用跟踪进行锅长识别,在C1、C2腔体中通过测长完成锅信息的建立,在C3和C5腔体中利用锅信息进行加速跟进和分离等控制。

4)生产过程控制:生产过程是自动完成的,各传送站根据工艺过程要求与各腔室门阀、光电开关协同,完成玻璃输送。

5)报警系统与异常处理:针对传动系统的报警可分为配电报警、伺服电机报警、跟踪计算报警、传输碰撞报警等。配电系统发生报警通常是指伺服系统的供电出现异常,此时如果处于生产模式系统会立即调用中断程序结束自动生产并关闭溅射电源保持各腔体原始压强。伺服电机报警涵盖的内容较多,比如电机过载、伺服通讯错误等,若发生此类错误在监控界面相关的电机图标会闪烁提示报警,操作员可根据报警选择下一步操作,如果问题不严重可以直接复位驱动器消除报警。在位置跟踪过程中也有可能触发程序报警,当玻璃长度计算超过一定值(大于腔体)此时会出现超长报警,出现超长报警后操作员要及时到现场排查是否与实际相符合,如果是误信号,操作员可恢复消除报警放走玻璃。如果确实超长此时必须切换到本地或手动模式下移出玻璃。传输碰撞报警是为了极大程度降低门阀与玻璃的碰撞可能。当玻璃接近门阀后,如果门阀未开启必须无条件停止该电机的运行,且如果玻璃处于门阀下方时,有相关人员触发关闭门阀操作也必须触发报警并使得操作无效,保证设备安全,提高生产效率。

变频控制系统针对上下片输送区域,主控CPU414同样通过Profibus总线控制各变频器MM440,主要实现玻璃传输、玻璃清洗、在线检测、分区等待等功能。

1.4 上位机监控系统

操作员或工艺工程师通过上位机实时分析电源阴极运行情况、玻璃传输过程及真空过程的情况,所以设计具有良好人机交互界面的监控系统尤为必要。该系统使用西门子Wincc软件进行上位机组态,软件具备生产过程监控,系统报警,数据库归档等功能。

2 结 语

该系统以两台S7400系列CPU为上位机,运用了以太网,星型总线,光纤链路等多样的通讯手段,并利用Wincc组态上位机实现对整条生产线的监控与数据备份。整套控制系统自动化程度高,能有效的帮助工艺工程师指导和调试生产。目前该生产线已经在国内玻璃加工单位成功投产,各项控制性能运行稳定,达到国内领先水平。

[1] 喻泰益,凌 云,宋东球.基于S7-400PLC的镀膜玻璃生产线控制系统[J].控制工程,2009,16(6):655-658.

[2] 潘 伟.LOW-E中空玻璃节能原理的简述[J].玻璃,2007,34(1):60-63.

[3] 管世锋,周秋林,张浙军.离线镀膜玻璃的现状与技术进步[J].玻璃,2010,37(7):40-42.

[4] 汉 斯·琼彻·格雷瑟.大面积玻璃镀膜[M].上海:上海交通大学出版社,2006.

Control System Design and Application of Off-line Coated Glass Production Line

WANG Cheng
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

Off-line coated glass production line products coated glass by magnetron sputtering method.The process is complicated and requires highly automated.Analysis of its hardware structure and control measure,the paper presents the main controller using two mutually synergistic S7-400PLC.Combined with vacuum system,servo system, magnetron sputtering system,the paper elaborates the design scheme and operation principle of control system.

magnetron sputtering; S7-400PLC; control system

2014-05-09.

王 程(1982-),工程师.E-mail:wcheng20000@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.009