基于PLC 的真空離子鍍膜機控制系統設計

張羽洲

（核工業西南物理研究院， 四川 成都 610000）

引言

真空離子磁控濺射鍍膜是現代電鍍技術中的主流技術。現代工業對鍍膜產品的質量要求不斷提升，鍍膜機的精度是否達標是判斷其是否符合工藝生產要求的主要依據。因此，真空離子磁控濺射鍍膜機的設計要求主要包括內容如下：基于磁控離子濺射鍍膜工藝原理，保證整個控制系統的運行穩定性、安全性、可擴展性及兼容性；通過設計提高離子濺射成膜質量和成膜均勻度；通過計算機實時監控鍍膜過程，實時顯示電流、電壓、流量、壓力、溫度等設備參數，如果參數錯誤可立即輸出報警并整合輸出信息；上位機可對現場鍍膜機參數進行設置和更改，實時記錄鍍膜設備運行參數[1]。

1 系統總體方案設計

為滿足真空離子磁控濺射鍍膜機系統控制精度要求，需慎重考慮系統工作環境中的潛在干擾及對多種工藝動作和信號的監測，采用PLC 作為系統控制核心，圖1 為真空離子磁控濺射鍍膜機控制系統的總體設計框圖。

圖1 真空離子磁控濺射鍍膜機控制系統總體設計框圖

磁控離子濺射鍍膜機工作過程中電流較大，存在信號干擾，因此必須提前針對所有可能發生的緊急情況制訂處理方案，才能有效保證鍍膜機正常運行[2]。其中最有可能突發的危險情況是電流過載引起的短路，即電流的瞬時過載導致電流值達到正常工作額定值的數倍，這會給現場工作人員及鍍膜機帶來嚴重的安全威脅。因此，設計控制系統時需要做到實時監控鍍膜機的電流、電源、溫度等關鍵參數。如果發生參數異常，如瞬時電流過載，需確保高壓保險絲燒毀，從而確保鍍膜機和操作人員的安全。

2 系統硬件設計

2.1 PLC 選型

基于系統控制功能要求合理選擇I/O 設備，本次系統設計需要用到的輸入設備主要包括傳感器、開關、按鍵等，輸出設備主要包括繼電器、指示燈、監控屏幕等。按鍵用于設備啟停；傳感器用于采集壓力、溫度、流量等關鍵參數，并通過A/D 轉換成數字或開關信號后傳送給PLC，由PLC 實時控制系統運行。該系統分別需要12 個輸入點和30 個輸出點。PLC 選擇FX2N-80M：I/0 點分別為40，共80 點，24V DC 輸入，可以滿足系統的I/0 點要求。

2.2 濺射電源

濺射電源電路主要由電流/電壓檢測、整流、濾波、吸收等電路構成。濺射電源輸出基本過程為：先由主變壓器升壓，然后經過吸收電路再用三相半控橋式整流電路進行整流，剩下的波紋較大的直流電經過濾波、整流之后基本可以實現穩定電源輸出[3]。

2.3 溫度監測

磁控濺射鍍膜過程中需要監測冷卻水溫度，包括出水溫度、進水溫度、冷卻系統中心溫度，以便將冷卻水溫控制在合理范圍，通常應低于100 ℃[4]。本設計將熱電偶放置在不同的位置以記錄溫度，從而保證測溫的準確性。采集到的溫度信號傳送至PLC，PLC 將接收到的溫度數據發送給上位機，上位機監控界面實時顯示冷卻水溫度。一般情況下，進水口溫度不超過15 ℃，出水口溫度不超過45 ℃。采用IMPAC IGAR 12-LO 紅外測溫儀進行實時溫度測量，該紅外測溫儀測量精度高，可以非接觸測量，測溫范圍為10～500 ℃，耐熱上限為250 ℃，無須冷卻裝置控制，而且具有很強的抗干擾能力。

2.4 流量監測

真空磁控濺射離子鍍膜機控制柜外殼裝有冷卻水管。在鍍膜過程中，靶極產生的熱量影響鍍膜質量和設備運行安全，因此，需要冷卻系統來吸收熱量。在開始鍍膜之前，首先要確保冷卻系統工作正常。若正常，則啟動水冷系統循環泵，使冷卻水循環供給[5]。本次設計采用FPR-200 流量變送器配合閥門流量監測裝置實時采集冷卻水流量數據，控制壓力參數，使循環泵在水溫正常時穩定運行，保證冷卻水溫的穩定。如果冷卻水系統處于不穩定狀態，則必須停機檢查。

2.5 電動機

在本次設計的鍍膜機控制系統中采用日立TFO-HKKTFO-LKKTFO-KK 真空泵電機作為驅動，通過調節變頻器控制電機轉速的變化，進而控制真空泵的泵速，保證真空度，逆變器采用7.75 kW 富士逆變器。

3 I/O 分配

該系統的I/O 接線如圖2 所示。

圖2 系統I/O 接線

PLC 的I/O 信號功能和分配地址分別如表1、表2 所示。

表1 輸入信號分配

表2 輸出信號分配

4 系統軟件設計

4.1 上位機配置

通過iFIX 組態軟件設計監控界面，首先需要對系統配置必要的要素，例如系統監控節點、結構等。本次設計的真空鍍膜監控系統的服務器和流程的配置通過SCU.FIX 完成。在設計之前需要明確PLC 型號、網絡連接等。在配置SCU 節點之前必須完成通信設置，建立與PLC 的通信才能進行系統監控。

4.2 通信設計

通信設計的主要目的是確保信息的處理和傳輸高效、準確。通信系統的每個組件都可能存在錯誤，但通常認為數據傳輸錯誤主要是由于數據鏈路造成的，因為目前的通信設備可以實現高可靠性[6]。因此，本次設計將PLC 的端口O 作為PLC 與PC 之間串行通信的通信端口，因為當通信協議為自由口模式時，可以通過梯形圖程序靈活控制通信。

5 結語

真空磁控離子濺射鍍膜控制系統采用PLC 控制方式，可有效提高系統集成度，實現鍍膜機的工況監控、參數監控、數據采集分析、預警等功能，具有運行可靠平穩、操作方便、控制精度高等優點，應用前景良好。