真空太陽集熱管磁控濺射鍍膜機的自動化實現

山東藍景膜技術工程有限公司 張衛峰

一 引言

真空鍍膜機是太陽能真空管生產的關鍵設備，隨著自動化技術的發展，其工藝要求及自動化程度也越來越高。最初的真空鍍膜機控制系統采用繼電器控制，由模擬線路板及單片機等電路組成實現控制功能，因線路繁雜以及電子元器件的不穩定造成設備性能的不穩定，并且給維修工作帶來很大困難，另外操作界面不直觀，誤操作現象時有發生。目前，真空鍍膜機已廣泛采用PLC可編程器設計控制系統，該技術已相當成熟，基本取代了單片機，并采用先進的人機界面——觸摸屏進行更加直觀的人機對話，可方便地設定參數，由控制系統按工藝流程分步或自動運行，具有各種系統保護以及故障提示、報警信息等功能，并且通過利用PLC通訊功能，與上位機通訊，實現對真空鍍膜機工藝流程的全程監控，以便工程師及時發現并處理故障信息以及遠程修改工藝參數等，極大地方便了生產過程質量控制和管理。

二 設計方案及實現

1 設備原理

真空太陽集熱管鋁－氮/鋁吸熱膜層是在正離子機真空環境下，利用真空稀薄氣體輝光放電產生的正離子轟擊金屬或其合金表面，濺射出金屬粒子沉積到工件表面，從而獲得的物理膜層。其裝置一般由濺射電源、真空機組、工作氣體控制器、真空室和真空測量儀表等組成。

真空室內工件裝填完畢后，真空機組抽出真空室氣體，建立鍍膜必須的真空環境。抽真空分為粗抽、精抽以及維持擴散泵真空度的過程，真空度由熱偶規管、電離規管及真空測量儀表獲得。當真空度達到鍍膜要求數值后，關閉光攔閥，真空室內充入稀薄的氬氣，打開濺射電源，在金屬靶上施加400V左右的直流電壓，真空稀薄氣體輝光放電產生的正離子轟擊金屬靶表面，濺射出金屬粒子沉積到工件表面，并且按照預先設定的工藝參數分層改變充入氮氣流量、電流、電壓等，進行磁控反應濺射從而形成集熱管的太陽選擇性吸收膜層；鍍膜過程結束后關閉高閥以隔離真空室與擴散泵室，維持擴散泵真空，真空室此時可充氣開門取出工件，重新裝填工件后進入下一個操作循環。

2 系統組成

磁控濺射鍍膜機核心控制部分采用PLC控制，由于PLC采用現代大規模集成電路技術、嚴格的生產工藝制造，內部電路采取先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。PLC根據預設程序實現對電磁閥、真空泵、旋轉電機等進行邏輯過程控制，通過模擬量輸入輸出模塊對電流、電壓、溫度、流量等進行模擬量信號采集處理，運行工藝參數。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息，并可編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。

人機界面采用大屏幕觸摸屏，通過程序編寫和畫面編輯，把整個系統做成逼真的畫面顯示在屏幕上，輔以動畫演示，可形象直觀表現出設備運行狀態和各種參數。由于界面更形象直觀，各種操作觸控按鈕及數據可顯示在模擬畫面的相應位置，使操作人員更能理解和掌握設備運行系統原理，從而減少誤操作，設備故障時也能更快捷發現和排除故障，并且觸摸屏還能生成各種數據的歷史記錄，方便質量控制和管理。

利用PLC的通訊功能，可將一臺或多臺鍍膜機生產的現場數據傳送到上位機，實現現場數據集中監控。上位機組態軟件豐富的功能可方便監控工藝過程，分析研究工藝參數，及時調整工藝參數以獲得更好的鍍膜效果。

3 上位機監控主要實現以下功能

(1)實時數據顯示。實時顯示磁控靶電源電壓、電流、各真空計數值、氣體流量等現場參數數值；可根據需要定時記錄設備運行情況及重要工藝參數，并形成報表文件和歷史曲線。

(2)故障報警記錄。在設備出現故障時監控系統自動彈出報警畫面和文字提示，同時報警燈閃爍。根據故障的輕重緩急，可對報警信息進行分類并記錄所有報警信息，以備檢修時查詢。

(3)自動診斷保護。當設備出現嚴重故障時，監控系統可自動啟動保護措施減少因故障對設備造成的損害；可自行檢測上、下位機通信是否正常。

(4)其他功能。該計算機監控系統還設置了系統時鐘、設備輸入輸出點監控界面、設備操作說明界面等，方便用戶查詢、使用。

三 自動化實現

依據磁控濺射鍍膜生產線的工藝要求，鍍膜生產控制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，系統要求必須具備一定的本底真空；第二個過程是可供選用的離子轟擊，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；第三個過程是磁控濺射鍍膜，空間、電離與從陰極發出來的電子，在磁場和電場中受到洛侖茲力的作用，沿著磁場的方向作擺線動力前進，大大增加了電子的運動路徑，電子轟擊氬原子，氬原子電離成氬離子和電子，氬離子在電場作用下轟擊陰極(靶材)，而靶材“溢出”金屬粒子與二次電子，形成自持的輝光放電，金屬粒子沉積到工件表面行成金屬薄膜為非反應濺射，再加入氮、氧等活性氣體，形成金屬與介質的復合薄膜(吸收層)為反應濺射，當活性氣體成分多時，形成介質薄膜；第四個過程是系統開關機，這是鍍膜前后對整個設備的處理操作。

1 真空獲得過程的自動化控制設計

磁控鍍膜生產線真空系統采用滑閥真空泵、羅茨真空泵、高真空油擴散泵機組獲取低真空和高真空。采用微機型數顯真空計檢測真空度，該過程的自動化控制包括:機械泵、擴散泵、真空計、水泵的啟停控制；各真空計的高、低真空值輸出控制；各真空閥門、翻板閥的開閉控制。

整套設備采用循環水處理冷卻，所以系統在沒有接收到水壓指示前不能開啟真空機組。翻板閥用來實現大氣與低真空室以及低真空室與高真空室之間的隔離；真空閥門用來控制真空抽氣通路的通斷。系統通過控制氣動裝置來實現對閥門的打開與關閉。

2 離子轟擊過程的自動化控制設計

對于某些機型(如亞克力鍍膜生產線)，為了提高薄膜的附著力，本系統采用高能離子轟擊作為鍍前處理工藝。在轟擊清洗過程中，控制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，可選擇工件緩慢地通過轟擊室，一邊行進一邊轟擊；也可選擇工件停留在轟擊室，轟擊一段時間后再進入緩沖室，這就實現了對工件的高能離子清洗。

3 鍍膜過程的自動化控制系統設計

為了滿足鍍膜工藝的要求，鍍膜過程中需要控制氬氣質量流量、反應氣體質量流量、各靶濺射電壓、濺射電流和鍍膜傳動速度等指標。當工件行進至磁控靶前，靶電流由維持狀態自動轉至工作狀態，對工件進行鍍膜，直至工件離開該靶后，回復至維持狀態，最大限度地節省靶材。為有效保護磁控靶及靶電源，系統設計了水壓、真空度控制和過流、過熱故障報警功能，以及靶電源電壓、電流的緩升降功能。

4 系統開關機的自動化控制設計

自動開機，是從擴散泵預熱開始，真空抽氣系統自動工作直至鍍膜室真空度達到后，磁控靶自動啟動，這一段過程的所有操作均由設備自動完成。

自動關機，是生產線鍍膜工作完成后，自動關閉磁控靶，并逐步關閉真空抽氣系統，這一段過程的所有操作均由設備自動完成。

四 結語

通過以上自動化功能的實現，可極大地方便太陽能生產企業實時監督和控制生產過程，加強質量管理和控制，使企業更加規范，更能適應現代企業發展的要求。作為一套成功的鍍膜生產線計算機監控自動化控制系統，具有極大的推廣價值和應用前景，從而促進我國真空鍍膜設備計算機監控技術的發展。