ZSN-800AG2電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)程序化自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2013-09-13 汪光武北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司

　　本文對(duì)ZSN-800AG2 電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)應(yīng)用iFix 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)工藝過程用戶可編程序化的自動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和趨勢(shì)曲線顯示等做了設(shè)計(jì)分析，完成了整機(jī)的工藝試驗(yàn)。設(shè)備使用證明控制系統(tǒng)界面清晰友善、編程簡(jiǎn)單、操作方便、數(shù)據(jù)查閱迅速、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、工藝重復(fù)性好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

　　隨著科技水平的不斷創(chuàng)新發(fā)展，薄膜技術(shù)不斷提高，減反射膜的應(yīng)用越來越廣，也越來越重要了。近年來，能源緊缺已成為全球性話題。太陽能是我們可以用之不盡的綠色能源，是我們解決可持續(xù)性發(fā)展不可或缺的重要方面。其中各種太陽電池的研發(fā)試驗(yàn)與規(guī)模化生產(chǎn)都在飛速發(fā)展，太陽電池轉(zhuǎn)換率穩(wěn)步提高。效能提高的背后，包含了光學(xué)減反射膜的貢獻(xiàn)。越寬越高的光譜透射率帶來越高的電池轉(zhuǎn)換率。我公司生產(chǎn)的ZSN-800AG2 電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)就是一種專為航天技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用研發(fā)的高端PVD設(shè)備，它通過對(duì)基底沉積的減反射膜層提高并拓寬電池對(duì)光譜的接收效能，從而提高太陽電池的轉(zhuǎn)換率。

　　ZSN-800AG2 電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)并不是以試驗(yàn)或生產(chǎn)高端的光學(xué)窄帶濾波片或其它光學(xué)鏡片等為設(shè)計(jì)目標(biāo)的純光學(xué)鍍膜機(jī)產(chǎn)品，而是為航天用GaAs 太陽電池提高接收光譜效能提供的減反射層膜的沉積，并同時(shí)增強(qiáng)保證太陽電池電極層和基底間的牢固度而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)生產(chǎn)型設(shè)備，它不需要光學(xué)控制方式。因此，必須在控制系統(tǒng)光控以外的性能及功能上有所突破。ZSN-800AG2的設(shè)計(jì)在對(duì)高性能GaAs 太陽電池不同減反射層沉積提供精確的自動(dòng)膜層蒸發(fā)控制同時(shí)，該設(shè)備還要將真空系統(tǒng)與多種鍍膜工藝融為一體，實(shí)現(xiàn)一鍵按順序啟動(dòng)用戶隨心設(shè)置的多個(gè)功能塊子程序連續(xù)或重復(fù)執(zhí)行，并將參數(shù)配方、歷史數(shù)據(jù)及曲線、工作狀態(tài)及報(bào)警記錄等存儲(chǔ)在工控機(jī)里，為分析和提高GaAs 太陽電池鍍膜工藝水準(zhǔn)提供充分的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1、整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。真空室是圓筒形前開門結(jié)構(gòu);真空系統(tǒng)主泵為低溫泵，配羅茨泵和機(jī)械泵機(jī)組;工件架由變頻調(diào)速的三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng);下烘烤碘鎢燈溫度參數(shù)通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送;電子槍是美國(guó)Telemark 公司的4 穴永磁偏轉(zhuǎn)電子槍以及配套電源等;1 路模擬量控制的質(zhì)量流量計(jì);沉積速率由Inficon 公司的膜厚控制器控制，配雙晶體探頭;數(shù)顯真空計(jì)采用通訊控制;PLC 為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心;人機(jī)界面采用工控機(jī)及iFix4.5 組態(tài)軟件等。

系統(tǒng)示意圖

圖1 系統(tǒng)示意圖

2、控制系統(tǒng)軟硬件選型設(shè)計(jì)

　　高性能光學(xué)鍍膜機(jī)在要求性能指標(biāo)高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠的同時(shí)，靈活的、人性化的用戶可編程程序設(shè)計(jì)自動(dòng)控制方式是一個(gè)發(fā)展方向。過去通常的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方法是固定程序，即啟動(dòng)某個(gè)開關(guān)只能執(zhí)行這個(gè)開關(guān)的自動(dòng)程序功能，不能變更它的進(jìn)程。若要執(zhí)行新的功能程序就要啟動(dòng)其它的輸入開關(guān)。而ZSN-800AG2 工藝過程實(shí)現(xiàn)用戶自主可編程序化設(shè)計(jì)是我們的目標(biāo)，也是用戶的要求。按照不同工藝沉積進(jìn)程，設(shè)備操作者或者更高級(jí)權(quán)限的管理者可以人為地編制工藝子程序，設(shè)置程序參數(shù)，并有選擇地組合功能子程序來一鍵完成或重復(fù)完成某個(gè)過程工藝。為達(dá)到此目的，模塊化編程及子程序調(diào)用比過去簡(jiǎn)單的時(shí)間順序編程方式有著無比的優(yōu)越性，特別對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)尤顯突出。

　　根據(jù)整體結(jié)構(gòu)配置，要滿足系統(tǒng)實(shí)際需求，系統(tǒng)各部件的全部主要工藝參數(shù)均能采集到工控機(jī)中，進(jìn)行預(yù)設(shè)置或?qū)崟r(shí)顯示并存儲(chǔ)的特點(diǎn)。通過優(yōu)化，我們確定了控制系統(tǒng)采用的以下主要組成部分。

　　(1)做為ZSN-800AG2 系統(tǒng)控制核心的PLC，選用CJ2M-CPU33 具有功能強(qiáng)、工作速度快、精度高、模塊化的特點(diǎn)，充分滿足設(shè)備的整體控制要求。另外它自帶以太網(wǎng)口的配置，數(shù)據(jù)傳輸速度快、性價(jià)比好，適合與工控機(jī)使用以太網(wǎng)線的高速通訊方式，保障了大量工藝數(shù)據(jù)的高速傳輸，可以使人機(jī)界面控制的響應(yīng)速度等得以體現(xiàn)。

　　(2)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用ACCESS 數(shù)據(jù)庫完成，適合ZSN-800AG2 控制系統(tǒng)較大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)，方便用iFix 組態(tài)軟件按控制需求分時(shí)段顯示對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，也便于查找。當(dāng)然也可用常見的Microsoft OfficeAccess 軟件離線查看所有歷史記錄。

　　(3)系統(tǒng)應(yīng)用的iFix 組態(tài)軟件是一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的應(yīng)用控制平臺(tái)，很適合在此平臺(tái)上快速完成ZSN-800AG2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能在較短生產(chǎn)周期內(nèi)開發(fā)出美觀實(shí)用較復(fù)雜的人機(jī)交互監(jiān)控操作界面。

3、軟件設(shè)計(jì)

　　3.1、模塊化程序軟件設(shè)計(jì)

　　程序化設(shè)計(jì)在于主程序和被調(diào)用的各個(gè)功能模塊和子程序的編寫。功能模塊主要應(yīng)用于PLC 編程，子程序主要用于iFix 組態(tài)軟件中VBA腳本的編寫。每個(gè)模塊或子程序都有對(duì)應(yīng)的輸入輸出接口用來傳遞數(shù)據(jù)和控制模塊的執(zhí)行條件或完成情況。ZSN-800AG2 控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際用戶需求，PLC 程序要應(yīng)用很多個(gè)功能模塊或子程序。設(shè)計(jì)時(shí)我們把它們都分別賦予各自的編號(hào)，并與操作界面工藝子程序一一對(duì)應(yīng)。主程序隨著每個(gè)工藝進(jìn)程步驟的結(jié)束或目的標(biāo)記置位，程序指針自動(dòng)指向下一個(gè)功能模塊或子程序，直到最后完成當(dāng)前全部選擇的工藝子程序步后，等待命令或直接返回開始，再次重復(fù)執(zhí)行全部選擇的工藝子程序。等待時(shí)，在界面還可以重新選擇新的工藝子程序并修改配方參數(shù)。圖2 是PLC 主程序的工藝程序流程框圖。例如，當(dāng)操作者在界面上已經(jīng)選擇好要執(zhí)行的某個(gè)或數(shù)個(gè)連續(xù)的工藝子程序時(shí)，確認(rèn)它們的參數(shù)后，輸入啟動(dòng)命令，首先第一個(gè)子程序指針被確定，iFix 把這個(gè)指針指向傳遞給PLC 程序，PLC 自動(dòng)比較尋找這個(gè)功能模塊或子程序，當(dāng)該模塊或子程序的條件滿足時(shí)，由主程序調(diào)用這個(gè)進(jìn)程模塊直到完成該模塊功能，然后修定指針，進(jìn)入下一個(gè)子程序循環(huán)或等待命令。每執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)提示區(qū)按時(shí)間順序記錄了該動(dòng)作的內(nèi)容，逐條地在界面顯示出來。

工藝程序流程圖

圖2 工藝程序流程圖

　　3.2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線顯示

　　所有的工藝數(shù)據(jù)最終都要永久地存儲(chǔ)在工控機(jī)硬盤的Access 數(shù)據(jù)庫文件中，才能便于隨時(shí)調(diào)用或查看分析處理。ZSN-800AG2 控制系統(tǒng)的報(bào)警信息、工藝配方、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等都是自動(dòng)進(jìn)行存儲(chǔ)的。每出現(xiàn)或解決一個(gè)報(bào)警，每確定或修改一組數(shù)據(jù)，即刻添加或修改對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)記錄。執(zhí)行蒸發(fā)工藝過程中，每秒鐘添加一組實(shí)時(shí)工藝參數(shù)記錄，包括發(fā)生的日期和時(shí)間等。這樣的設(shè)計(jì)有利于每批次的設(shè)定參數(shù)和實(shí)時(shí)參數(shù)比對(duì)，容易快速發(fā)現(xiàn)鍍膜工藝中的問題。

　　采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量可以與iFix 圖表和趨勢(shì)圖的鏈接聯(lián)系起來，用圖表和趨勢(shì)曲線把它們分別顯示出來，這種直觀的顯示非常有利于觀察把握工作進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)問題并立即采取措施。用iFix 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)，對(duì)于ZSN-800AG2 硬件控制系統(tǒng)來說，我們?cè)诠た貦C(jī)上進(jìn)行了FinsGetway 以太網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)程序的安裝及配置，也預(yù)先編制了Access 數(shù)據(jù)庫所需各種表格文件的模板，并分別使這些模板中參量位置和數(shù)量與iFix 數(shù)據(jù)庫SQD 數(shù)據(jù)塊變量一一對(duì)應(yīng)以備存儲(chǔ)或刷新數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，我們可以在畫面中加入控件并配置，以及相應(yīng)簡(jiǎn)單的VBA 腳本程序完成所需數(shù)據(jù)和圖形的設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)方法顯然比完全用VB 或VC 等編寫程序要來的直接快捷簡(jiǎn)便多了。

　　3.3、工藝數(shù)據(jù)傳送

　　設(shè)備最大量的數(shù)據(jù)主要來自蒸發(fā)工藝中的工作參數(shù)，如真空度、溫度、旋轉(zhuǎn)速度、充氣量、蒸發(fā)速率、蒸發(fā)功率、膜層厚度等等。要與每個(gè)控制器、電源和儀表等傳遞數(shù)據(jù)，串口通訊技術(shù)是最常用的手段。但設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)全部數(shù)據(jù)量分組或合并優(yōu)化，針對(duì)不同時(shí)段、不同組的數(shù)據(jù)打包，用幾個(gè)接口分別獨(dú)立傳送以可靠地提高工作傳輸效率，滿足系統(tǒng)較大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　ZSN-800AG2 控制系統(tǒng)中，總共有5 個(gè)控制器的數(shù)據(jù)需要通訊傳輸。優(yōu)化后我們用工控機(jī)和PLC自帶的4 個(gè)串口完成了這些工作。其中溫度參數(shù)和轉(zhuǎn)速參數(shù)的通訊量是相對(duì)比較少的，共用了一個(gè)物理接口，實(shí)踐證明是快速可靠的。

　　3.4、安全及保護(hù)設(shè)計(jì)

　　安全保護(hù)系統(tǒng)對(duì)任何儀器設(shè)備都是很重要的。為保證整機(jī)設(shè)備和人身安全，對(duì)于用戶來說，我們?cè)O(shè)計(jì)分配了2 級(jí)的安全級(jí)別，即管理者和操作者。管理者可以修改工藝和參數(shù)，而操作者只能執(zhí)行程序，查閱程序參數(shù)。

　　不論是工作在自動(dòng)工作方式，還是手動(dòng)維護(hù)方式，輸出量的互鎖保護(hù)都是非常重要的。為防止誤操作，我們?cè)O(shè)計(jì)了互鎖電路和程序互鎖的2 級(jí)互鎖。條件不充分按錯(cuò)鍵時(shí)，系統(tǒng)給予提示不執(zhí)行錯(cuò)誤命令。系統(tǒng)中還增添了某些重要參數(shù)的安全區(qū)域報(bào)警或警告。通過紅黃綠三色報(bào)警燈和訊響器的控制動(dòng)作，分別實(shí)現(xiàn)各種情況的警示。如工藝過程中工藝氣體充氣流量稍低于設(shè)定流量時(shí)，給予黃燈訊響警告仍然繼續(xù)工作，壓力恢復(fù)后流量轉(zhuǎn)為正常，綠色指示燈亮。但當(dāng)流量低于設(shè)定的下限時(shí)，紅燈點(diǎn)亮報(bào)警，停止工藝進(jìn)程。

4、結(jié)論

　　ZSN-800AG2 鍍膜機(jī)通過用戶的使用和生產(chǎn)，證明整個(gè)程序化自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足了用戶的使用要求。控制系統(tǒng)界面清晰友善、編程簡(jiǎn)單、操作方便、數(shù)據(jù)查閱迅速、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、工藝重復(fù)性好，光學(xué)減反射膜層的透射率等性能指標(biāo)完全符合航天高性能GaAs 太陽電池的要求，并為今后提高GaAs 太陽電池的減反射膜層性能提供了良好的平臺(tái)。

　　盡管如此，電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)的發(fā)展在國(guó)內(nèi)已有幾十年，技術(shù)雖不斷提高，但比較國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還有一定差距，特別是高端領(lǐng)域。本文對(duì)電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)所應(yīng)用的控制技術(shù)國(guó)際上雖然不是很新的技術(shù)，但此方面控制系統(tǒng)的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的真空應(yīng)用設(shè)備上還很少，且要能長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠，還有很大的發(fā)展空間，這是和國(guó)內(nèi)真空行業(yè)在高端真空應(yīng)用設(shè)備上的整體發(fā)展水平相關(guān)的。