磁控濺射溫度控制系統的精度和運行穩定性對沉積結構穩定和性能優良的薄膜材料極為重要。本文以西門子S7-300 可編程控制器(PLC)為控制核心，通過觸摸屏構成人機交換界面(HMI)，論述了磁控濺射溫度控制系統的性能特征與控制方法。以STEP 7 為軟件平臺，擴展PLC 模擬量輸入模塊SM331對熱電阻標準模擬信號實現A/D 轉換;在定時中斷組織模塊(OB35)中循環調用溫度功能塊(FB58)編程實現對溫度的PID 閉環控制;結合FB58 集成的脈寬調制輸出功能，將PID 運算結果轉換成脈沖占空比控制固態繼電器執行。PLC 與HMI 基于MPI 協議實現通信功能，采用WinCC flexible 組態友好的控制界面，完成數據輸入/ 輸出、參數修改、實時監控和報警聯鎖。該系統縮短了控制回路的調節時間，并減小超調量，提高了磁控濺射溫度控制的自動化水平、控制精度和穩定性。

　　磁控濺射鍍膜技術是目前廣泛應用到光學、材料、電子和半導體等領域的一種薄膜沉積方法。采用磁控濺射技術制備的薄膜所獲得的附著力、電化學和光學等性能均受濺射溫度的影響。磁控濺射沉積二氧化硅時，隨著基片溫度的增加，薄膜的沉積速率明顯下降，折射率不斷上升，并產生固體結構變化。

　　傳統繼電器控制系統受結構復雜、穩定性差、控制精度低等諸多因素的限制，難以滿足現代工業對控制系統的要求。可編程控制器

　　(PLC)以功能強、集成度高、可靠性強、移植性好和通訊功能強大等優點，受到工業控制的廣泛應用。PLC 不僅具備簡單邏輯控制功能，而且基于現代控制算法可以實現系統的閉環控制、智能控制和功能完善的綜合控制。溫度控制系統具有慣性大、延遲時間長等特點，系統對溫度控制量的反應時間長，對薄膜的沉積帶來不利影響。本系統以磁控濺射鍍膜生產線的沉積溫度為控制目標，考慮到系統的控制規模較大、控制點較多、對控制精度要求較高等特點， 選用SIEMENS S7-300PLC 做為控制系統的核心部件，負責采集和處理數據，并通過上位機的遠程監控和HMI 的本地控制相結合，對磁控濺射鍍膜設備溫度控制系統進行了新的設計。

1、系統設計

　　以S7-300 PLC 為控制核心來實現溫度的PID 閉環控制，有兩種控制方案：一種是擴展專用溫度控制器模塊(FM355)來完成溫度控制;另一種是擴展模擬量輸入/ 輸出模塊，結合STEP7 編程調用功能塊來實現控制要求。

　　1.1、擴展溫度控制模塊FM355

　　FM355 是專門用于S7-300、M7-300 和ET200M 自動化系統中的溫度控制器模塊，包含可通過自由化功能進行組態的PID 控制器和集成的控制算法，功能穩定可靠，使用簡單方便，能夠獨立完成PID 控制信號的采樣和計算，不占用CPU 掃描時間。CPU 通過專用函數與FM355 模塊進行數據交換，實現命令發送和信號反饋。FM355模塊在CPU 故障停止的情況下可自動切換到后援操作模式，避免由于CPU 停止而造成的控制失控，保證系統穩定性，但FM355 模塊硬件成本過高，且靈活性差。擴展溫度控制模塊的溫控系統結構如圖1 所示。

圖1 擴展溫度控制模塊的溫控系統

　　1.2、擴展模擬量輸入/輸出模塊

　　通過溫度傳感器采集到的信號為模擬信號，需要經過一系列的處理，轉化為能夠被CPU 接收的數字信號。PLC 控制系統中，部分CPU 不具備直接采集模擬信號的功能，需要通過擴展模擬量輸入模塊對其進行A/D 轉換，轉化成為標準數字信號供PLC 處理。S7-300 PLC 可擴展模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332 和模擬量輸入/ 輸出混合模塊SM334，對于SM331 模塊，可選擇電壓、電阻、電流、熱電阻、熱電偶等輸入信號類型，而SM332 模塊提供電壓和電流兩種輸出類型。西門子軟件中有多種PID 控制器，如集成于STEP7 的FB41、FB42、FB43 和FB58 等控制函數，它們是系統固化的純軟件控制器，運行過程中循環掃描，其數據存儲分配在背景數據塊中。純軟件控制器對編程人員來說具有很高的靈活性和可操作性，基于工程應用中被控對象的特性，將不同控制算法搭接為一個完整PID 控制回路，通過軟件編程就能實現FM 355 的硬件功能，滿足控制系統設計要求。考慮到硬件成本和性價比等問題，中型控制系統常采用PLC 軟件編程來實現溫度的PID 閉環控制。綜合考慮，本系統采用擴展模擬量輸入模塊來實現溫度的閉環控制。擴展模擬量輸入模塊的溫控系統結構如圖2 所示。

圖2 擴展模擬量輸入模塊的溫控系統

　　1.3、輸入輸出控制

　　測量變送元件常選熱電偶或熱電阻兩種溫度器件，熱電偶的溫度測量范圍較寬, 測溫性能比較穩定,動態響應好;熱電阻的穩定性強、靈敏度高、互換性以及準確性較好，溫度測量范圍：-200℃至850℃。由磁控濺射鍍膜技術原理可知，本系統對于溫度測量的精度和穩定性要求較高，選取熱電阻傳感器PT100 為測量元件，輸入電壓模擬信號。PT100 溫度傳感器與模擬量輸入(AI)模塊的簡化接線如圖3 所示。模擬輸入電路中，采用4 導線端子測量方式，通過端子IC0+ 和IC0- 為傳感器提供恒定電流，M0+ 和M0- 測量傳感器上產生的電壓。

圖3 溫度傳感器接線圖

　　真空室的加熱由均勻布置的電阻加熱器完成，控制方式通過PLC 輸出脈沖信號控制固態繼電器(SSR)執行。SSR 是內部無任何機械運動的無觸點電子開關，通過控制端信號對交流電源通斷實現控制，是典型弱電控制強電的電器元件，其輸入和輸出采用光耦合器隔離，具有良好抗干擾性能，廣泛應用于微電路及計算機控制。固態繼電器內部結構如圖4 所示，其中VD：發光二極管，VT：雙向晶閘管。

圖4 固態繼電器內部結構圖

2、軟件組態

　　2.1、硬件配置

　　本系統設計基于STEP7 5.5 為軟件開發平臺，啟動SIMATIC Manager 創建溫度控制系統項目， 并生成S7-300 站點。打開對象進入HWConfig 界面調用配置表，根據訂貨號和硬件組態順序，依次插入機架、電源模塊、CPU 和I/O 模塊等。圖5 所示為SIMATIC 管理器配置圖。

圖5 SIMATIC 管理器配置圖

　　進入CPU 300 屬性對話框，設置站地址為2，接口類型為MPI ;打開模擬量輸入參數修改窗口， 選擇測量類型為RTD， 測量范圍為PT100 standard range。根據輸入元件為熱電阻，安裝模擬量輸入模塊時選擇正確的量程卡為A 位置。

　　2.2、功能塊FB58 調用

　　在STEP 7 中創建并進入循環中斷OB35，選擇庫文件進入Libraries→Standard Library→PIDControl Blocks， 實現連續調用溫度控制功能塊FB58 輸出脈沖信號，FB58 如圖6 所示。為FB58 建立背景數據塊DB58，通過背景數據塊可直接修改相關控制參數，背景數據塊如圖7 所示。

圖6 功能塊FB58

圖7 背景數據塊

　　FB58 具有初始化例行程序，啟動時執行組織塊OB100，在其中調用FB58 用于實現PID 控制器的初始化操作。當參數COM_RST=TRUE 時執行該程序，所有PID 內部參數都復位到初始值，初始化程序處理完畢后，將COM_RST 重新設置為FALSE，開始PID 控制計算。

　　2.3、參數配置

　　FB58 提供過程值輸入通道， 設置PVPER_ON=True 時，選取模擬量輸入通道為直接從PV_PER 輸入，即輸入本文中溫度的反饋值。設置PER_MODE=0 為熱電阻標準模擬量輸入類型。FB58 集成脈寬調制輸出功能，通過將PID 的運算結果換算成對應的脈沖占空比控制固態繼電器實現加熱，FB58 脈沖輸出環節的關鍵參數：CYCLE：PID 控制器的采樣時間;CYCLE_P：脈沖輸出的刷新時間;PER_TM：脈沖輸出的周期時間;PULSE_ON：脈沖輸入使能;P_B_TM：最小脈沖/ 制動時間。

　　FB58 中PID 控制器運算和脈沖輸出是兩個相互獨立的過程，有各自的運算周期。參數CYCLE由被測量的變化規律決定，參數PER_TM 與參數CYCLE_P 的關系決定了脈寬調制的精度。FB58 提供SELECT 參數來協調PID 控制器和脈沖輸出的周期，SELECT 的取值可以為0、1、2 或3。本系統參數設置：SELECT=0，OB35 周期時間= 20ms ，CYCLE_P=20 ms ，CYCLE=400 ms ，PER_TM=1000ms。根據經驗，上述參數的設置遵循一定原則，并需要在設備實際運行過程中調試獲得最優參數(TI 為積分時間)：

　　(1)CYCLE≤0.1*TI

　　(2)PER_TM≥50*CYCLE_P

　　(3)PER_TM≤0.05*TI

　　脈沖輸出計算一般取PER_TM /CYCLE_P>50，在每個CYCLE_P 時間間隔里，脈沖輸出單元運算一次以確定下一次CYCLE_P 的輸出為高電平或低電平。很明顯PER_TM 和CYCLE_P 的比值越大，控制精度越高。若PID 脈沖輸出的高電平時間接近100%，低電平時間接近0，此時執行機構需要在極短的時間內完成開斷，這對設備的壽命影響極大，通過設置P_B_TM 就可以避免此問題，本系統設置P_B_TM 為20 ms。

3、觸摸屏界面設計

　　人機界面是系統與用戶交換信息的媒介，以方便操作、直觀快捷為設計原則，強調人性化。方案選用SIEMENS TP177B PN/DP-6 觸摸屏搭建測控系統，TP177B 觸摸面板有助于提高項目的使用效率，適用于工業控制中等級別的HMI 操作和監視任務。本系統采用MPI 協議完成PLC 與HMI通信功能，實現對磁控濺射鍍膜生產線沉積溫度的本地控制，保證系統高效穩定運行。HMI 界面設計基于WinCC flexible 2008 軟件進行組態，對系統溫度完成輸入設置、PID 參數修改、實時顯示和報警連鎖等功能，圖8 所示為溫度監控界面。

圖8 溫度監控界面

4、結論

　　基于磁控濺射鍍膜技術對溫度控制系統的較高要求，以西門子S7-300 PLC 為控制核心，采用PID 閉環控制算法，組態友好的人機交換界面，設計了合理的溫度控制系統方案。PLC 和觸摸屏的配合使用組成功能完善的控制系統，實現了系統集成化和可視化，簡化了現場操作，并方便工藝的優化;PID 閉環控制算法的應用，有效縮短控制回路的調節時間，減小超調量，提高了溫度控制的精度和系統運行的穩定性。