基于PLC和力控組態軟件的磁過濾復合鍍膜設備控制系統設計

河南農業職業學院　唐慧剛　丁國明

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基于PLC和力控組態軟件的磁過濾復合鍍膜設備控制系統設計

河南農業職業學院唐慧剛丁國明

【摘要】本文結合磁過濾復合鍍膜設備及鍍膜工藝特點，詳細分析了磁過濾復合鍍膜設備工作流程，并在此基礎上，介紹了一種用PLC和力控組態軟件實現的磁過濾復合鍍膜設備電氣自動控制系統的設計思路及方法，設計和實現了自動控制系統的功能。

【關鍵詞】PLC；組態軟件；磁過濾復合鍍膜；控制系統

1　引言

磁過濾復合鍍膜是一種將離子注入與磁過濾離子鍍膜兩種方法相結合的復合表面改性技術。該技術先采用MEVVA離子注入對材料表面進行離子束清洗，接著改變離子能量，進行離子注入改善材料表面性能，使得材料表面與將要沉積的薄膜性能非常接近，然后采用磁過濾離子鍍膜可以得到致密的高質量的薄膜。這樣得到的薄膜與基體結合非常牢固，薄膜質量好，能滿足許多精密、高結合強度要求的表面處理需求，可廣泛應用到光學、材料、半導體、電子等領域。

磁過濾復合鍍膜設備的關鍵技術有真空、電氣控制、電源及離子源技術和鍍膜工藝等，設備運行中每一項實施的效果都起著至關重要的作用，特別是多個離子源的復合鍍膜技術。以往靠手動控制和簡單的自動控制系統來控制設備鍍膜過程，那么這些技術準確、可靠地實施顯然存在一定的困難。

因此，需要采用自動化程度高的控制系統，以保證設備和工藝生產的穩定性和可靠性。從而，提高鍍膜產品的質量，提高磁過濾復合鍍膜設備控制系統的控制精度。

2　設備組成及工藝流程

2.1設備構成及相關部件

磁過濾復合鍍膜設備主要由真空系統、電源系統、離子源系統、水冷系統、工裝系統等組成。其中，真空系統由真空室、分子泵、機械泵、真空計、真空閥門、連接管道及附件構成，電源系統包含有分子泵電源、偏壓電源、弧源電源等，離子源系統包括1個MEVVA金屬離子源和2個直管型磁過濾離子鍍弧源和相應的送氣系統，水冷系統是為真空泵、離子源、工裝等部分提供冷卻用循環水，工裝系統是工件產品的裝卡機構及其傳動和定位裝置。

2.2設備工藝流程

如圖1所示給出了一個完整的磁過濾復合鍍膜工藝流程，具體包括了以下七個步驟：

(1)對待加工工件進行去油清洗、去水、表面粗化等一系列預處理后，將其裝卡到真空室內的工裝平臺上，關閉真空室門。(2)預抽真空過程，打開真空系統冷卻水，按順序開啟機械泵、前級閥、預抽閥，先預抽真空，檢查沒有大的漏氣情況，到達預抽真空值時，關閉預抽閥門。(3)啟動分子泵，達全速后，開啟高閥，開始抽高真空過程并保持抽高真空狀態。(4)抽工作真空到6.0×10-4Pa，啟動MEVVA金屬源供電電源，預熱一段時間后，逐漸升高引出電壓，開始高壓鍛煉離子源。鍛煉完成后，降引出電壓至0V，開始調試弧源。按照工藝要求設置弧流值,調整偏轉電壓大小達到符合工藝要求，監測起弧狀況和發熱情況。(5)按照工藝順序和參數要求，啟動離子源，進行鍍膜加工。(6)根據工藝步驟規定的時間或劑量，重復金屬源或弧源的起弧操作進行對工件產品鍍膜。(7)工藝結束，關閉離子源系統、抽真空系統等，冷卻一段時間后，打開真空室門，取出工件產品。

圖1　磁過濾復合鍍膜工藝流程圖

3　控制系統設計

本文設計的控制系統以磁過濾復合鍍膜設備的工藝流程為指導思想，進行分系統模塊化設計，實現系統功能，主要介紹一下真空系統、氣體流量控制系統、工裝系統和監測系統。

3.1真空系統

真空系統中，機械泵、分子泵、各閥門的啟停和開閉控制和到位信號，都由PLC數字模塊配合繼電器或傳感器進行直接控制和采集。真空值的測量由ZDF-5327Ⅱ型復合真空計完成，該真空計配有兩路熱電偶規和一路電離規，支持RS485通訊。分子泵轉速才測量，通過分子泵電源變頻器的頻率得出，該頻率也可以通過RS485通訊獲得。

3.2電源和離子源系統

電源系統中，除分子泵電源外，偏壓電源和弧源電源的參數測量和調節功能均由0-10V標準模擬量信號實現。離子源送氣系統的執行部分由DFC數字質量流量控制器實現，該控制器通過RS485通訊和控制系統軟件進行直接交換數據。

3.3工裝和水冷系統

工裝系統需要在工件處理過程中實現工件臺的定時自轉和公轉功能，同時根據處理工藝要求，工件臺還需要在MEVVA離子源位置、直管型磁過濾離子鍍弧源的位置和門位置處移動。因此，工裝系統的控制部分設計了相應的電機配合編碼器來實現所需的正反向運動和復雜的定位功能。水冷系統主要通過采集水流傳感器信號，判斷循環冷卻水的供給情況，出現缺水情況時，系統各部分及時采取相應的保護措施。

3.4其他監測系統

溫度監測系統，它是一個閉環控制的負反饋系統，利用OMRON公司CJ1W-TC003特殊I/O單元實現。

根據工藝的要求，工件在處理過程中可能需要施加負電壓，為此，采用了真空鍍膜脈沖偏壓電源，以適應離子注入和鍍膜工藝的需要。并利用積分儀系統，對注入和沉積時工件和工件臺的特定部分接收到的離子電荷進行積分，并相應的轉換成電荷量，以數字方式傳送到計算機中。

3.5控制系統硬件設計

設備整機的主要控制和測量由PLC系統實現，本系統采用西門子S7-200PLC(226CN)及其系列模塊，該系列PLC系統功能完備、性價比好，能實現較復雜的系統控制。系統的管理和操作核心由一臺控制計算機實現，本系統采用西門子SIMATICIPC577C，該款工業一體機性能穩定，同時集成了觸摸屏和計算機的功能，既方便操作有功能強大。在此基礎上，另加一塊內置的MOXA485四串口卡CP-134UV2，以負責同串口設備進行通訊。

分子泵電源的測控和真空計真空值讀入、加熱器溫度顯示和設定、工作氣體流量的設定和顯示直接由計算機通過485接口實現，其余的操作和測量功能通過軟件系統給PLC命令，由PLC直接完成。PLC將測量的數據送軟件系統顯示、記錄和打印輸出。計算機外部連接為：COM1通過PC/PPI電纜連接PLC，COM5連接分子泵電源，COM3連接真空計。

3.6系統軟件平臺

本系統采用WindowsXP操作系統配合力控ForceControl6.0工業組態軟件和SQL Server數據庫作為系統軟件平臺，實現在線監控和管理功能。WindowsXP操作系統兼容性好，性能穩定；力控組態軟件通訊功能豐富，界面風格好；SQL Server數據庫功能強大，方便存儲、查詢和管理工藝過程數據。軟件平臺可二次開發性強，可通過編程實現報表和趨勢曲線等功能，并可通過操作命令對數據組對象進行轉存，便于數據的脫機讀取。

4　功能實現

該系統完整的實現了磁過濾復合鍍膜設備的控制和工藝生產功能。從人機交互部分主要體現在以下幾個方面：

(1)工藝流程手/自動控制及動態顯示：用戶與設備間的聯系通過觸摸式工控機建立，用戶通過人性化的操作面板進行相關工藝參數的設置，觸摸屏圖形畫面可根據不同的工作狀態顯示不同的顏色，來提示用戶了解設備工作情況。設備可進行全自動、半自動、分步動作等操作，方便用戶使用。

(2)實時數據顯示：用戶可以觀察到系統實時真空度、溫度、工作負壓、電流等參數的當前值，在此界面可以設定需要處理的數據的開始時間、時間間隔和長度，每次可以將1024項數據輸出到Excel表內。

(3)歷史數據記錄：支持 對歷史數據的查詢，包括設備真空度、壓力、工作負壓、引出電壓、電流、溫度等，記錄形式以列表的方式存在，包括記錄生成的日期、時間、內容，方便用戶進行工藝分析及優化，實現故障追溯。存儲格式為Excel格式，方便用戶的查詢。

(4)歷史曲線查詢：歷史曲線功能將歷史數據制成趨利曲線，方便用戶對工藝過程各個參數的變化趨勢進行系統的分析。

(5)報警功能：設備擁有故障自檢功能，當設備出現故障工藝執行異常時，觸摸屏上彈出報警框，直到用戶對故障進行處理并作對報警做出相應后，設備才能恢復到正常工作狀態。

圖2　真空系統操作界面

5　結束語

磁過濾復合鍍膜設備采用基于PLC和力控組態軟件的控制系統，利用先進的計算機技術及自動控制理論對鍍膜工藝進行檢測和控制，提高了系統集成度，實現了系統的監視、控制、報警、數據記錄、查詢等功能，同時具備運行可靠、穩定、操作方便、控制精度高等優點，具有良好的發展前景。

參考文獻

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唐慧剛（1978－），男，大學本科，河南農業職業學院講師。

丁國明，男，大學本科，河南農業職業學院講師。

作者簡介：