摘 要
隨著鍍膜工藝的發(fā)展，鍍膜精度的要求不斷提高，控制規(guī)律不斷復雜多變，傳統的繼電器—接觸器控制系統，由于電器觸點數量多，可靠性差，控制手段落后，誤差大，難以達到所期望的效果。有時因為一個繼電器或一條連線出現故障都會造成整個系統運行不正常，而且查找和排除故障困難。另一個是適應性差。設備改造需再重新設計，改變繼電器和接線方式，造成大量的資源浪費。
針對傳統繼電器控制系統存在的問題，本系統主控部分采用了可編程控制器（PLC）。PLC是一種工業(yè)微機，具有抗干擾能力強，工作可靠性高，平均無故障時間長，可在惡劣的環(huán)境下正常工作，并可方便地與上位計算機聯網等特點，此外還可以大大縮短系統的設計、安裝和調試周期，加快工程進度。
本系統應用PLC技術，實現真空鍍膜系統的真空“手動/半自動”控制。操作簡單、方便、直觀。
關鍵字：真空鍍膜系統；可編程控制器（PLC）；復合真空計；低真空；高真空
Abstract
With the development of the thin—film deposition, the requirements for the precision of film have been raising continuously and the rules of controlling have changed in the much more complicated way. Because the electric appliances touch many times, the controlling instrument is not advanced and the error margin is big, the traditional controlling system of the electric appliances- the contact machine is difficult to attain the expected result. Sometimes the malfunction of one relay or one electric line will cause the whole system fail and it is difficult to check or eliminate the malfunction. Another is low application. The equipment change needs redesigning, but the change of relay and the line connecting method will waste large resources.
To solve these problems of the traditional relay controlling system, the main controller of the current system adopts the Programmable Logic Controller (PLC). PLC is a kind of industrial machine, having the stronger anti- interference abilities and longer Mean Time TO First Failure (MTTF). It also can work under the sordid environment normally, and can link with calculator conveniently on line and so on. Besides, the system can shorten the design, installation and trying period of the system and speed the project.
The system applied the PLC technique, carrying out the vacuum" manual/ half auto" controlling and the operation is simple, convenience and easy to understand.
Keywords: vacuum thin—film deposition system; Programmable Logic Controller (PLC); vacuometer complex;low vacuum;high vacuum
目 錄
0 前 言 11 方 案 11.1目的及意義 11.2真空技術 12 配 置 12.1真空系統配置 12.2可編程控制器（PLC） 23 PLC選型 24 詳細設計 44.1編程語言 44.2工藝流程 44.3 電氣原理圖 54.4 程序設計 114.5 互鎖及保護 115 總結 110 前 言
在真空科學中，真空的含義是指在給定的空間內低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)。人們通常把這種稀薄的氣體狀態(tài)稱為真空狀況。在不同的真空狀態(tài)下,應用各種不同的真空工藝以達到為生產及科學研究服務的目的。目前可以說 ,從每平方厘米表面上有上百個電子元件的超大規(guī)模集成電路的制造，到幾公里長的大型加速器的運轉,從民用裝飾品的生產到受控核聚變、人造衛(wèi)星、航天飛機的問世，都與真空工藝技術密切相關。
真空科學的應用領域很廣,目前已經滲透到車輛、土木建筑工程、機械、包裝、環(huán)境保護、醫(yī)藥及醫(yī)療器械、石油、化工、食品、光學、電氣、電子、原子能、半導體、航空航天、低溫、專用機械、紡織、造紙、農業(yè)以及民用工業(yè)等工業(yè)部門和科學研究工作中。
我國的真空獲得和測量水平上還是和國際水平有一定的距離，不少真空設備還保持在國外六十年代的水平，采用傳統的繼電器控制，系統工作不穩(wěn)定，故障率高，生產效率低，隨著可編程控制器（PLC）的出現，越來越多的機床設備改造為PLC控制，但先進國家已經采用工控機控制，追趕當前國際上在極高真空測量和特殊條件下的真空測量領域中的先進水平、是我國一個技術革新的艱巨任務。
1 方 案
1.1目的及意義
傳統真空鍍膜控制系統一般采用繼電器—接觸器控制系統，通過按鈕操作來啟動和關閉，實現真空鍍膜過程。由于電器觸點數量多，可靠性較差，控制方式落后。在操作過程中環(huán)節(jié)多，，勞動強度大，容易出錯。采用繼電器控制，其輸出線路上的火花大，容易對控制系統、儀器設備產生干擾，常造成系統工作不穩(wěn)定，甚至死機。有時因為一個繼電器或一條連線出現故障都會造成整個系統運行不正常，而且查找和排除故障困難。另一個是適應性差。設備改造需再重新設計，改變繼電器和接線方式，造成大量的資源浪費。
PLC是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的計算機，可靠性高、I/O接口模塊豐富，軟件編程簡單，新一代的各類PLC都具有通信功能。它既可以對遠程I/O進行控制，又能實現PLC和計算機之間的通信，針對機械強度要求高，工作環(huán)境不好、控制規(guī)律復雜多變的特點，對真空鍍膜機實行了從繼電器向PLC的改造。達到了“集中管理、分散控制”的目的，成功實現了真空鍍膜機的轉運機械化，減輕了工人的勞動強度，提高了其生產效率。
1.2真空技術
真空技術是制備薄膜的基礎，真空蒸發(fā)，濺射鍍膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度，因而獲得并保持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。
要獲得真空就需要真空系統。真空系統一般包括待抽空的容器（真空室）、獲得真空的設備（真空泵）、測量真空的器具（真空計）以及必要的管道、閥門和其它附屬設備。能使壓力從一個大氣壓力開始變小，進行排氣的泵稱為“前級泵”；另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵常稱為“次級泵”。
任何一個真空系統，都不可能是絕對真空（P=0），而是具有一定的壓強，該壓強稱為極限壓強（或極限真空），是該系統所能達到的最低壓強，是真空系統能否滿足鍍膜需要的重要指標之一。第二個重要指標是抽氣速率，指的是規(guī)定壓強下單位時間所抽出氣體，它決定抽真空所需要的時間。
2 配 置
2.1真空系統配置
真空系統最重要的性能參數是其所能獲得的極限真空度和對容器的有效抽速。
根據真空室體的腔體大小和所要求的真空度、抽氣時間來確定本真空系統的配置。本系統的真空指標如下表2.1
表2.1 真空系統真空指標
名 稱
技術指標
極限真空
3×10-4Pa
恢復真空
大氣至3×10-3Pa≤15min
蒸發(fā)室直徑
內部為Ф1100mm
內腔尺寸
1100×1500mm
電源
3相 380V 50Hz
真空設計根據工藝要求完成真空系統設計，其真空系統配置如下表2.2：
表2.2真空泵配置及指標
名稱
指標
K800擴散泵（主泵）
ZJP—300羅茨泵
2X—70機械泵（前級泵）
2X-15機械泵（維持泵）
極限壓力(Pa)
7×10-5
5×10-2
6×10-2
6×10-2
抽氣速度（L/S）
26000
300
70
15
加熱功率(Kw)
13.5
4
5.5
1.5
電壓(V)
380
380
380
380
電流(A)
35
1.2
1.4
0.64
2.2可編程控制器（PLC）
在可編程序控制器誕生之前，繼電器控制系統已廣泛應用于工業(yè)生產的各個領域。隨著生產規(guī)模的逐步擴大，市場經濟競爭日趨激烈，繼電器控制系統已愈來愈難以適應，因為繼電器控制電路通常是針對某一固定的動作順序或生產工藝而設計的。它的控制功能也僅僅只局限于邏輯控制、定時、計數等這樣一些簡單的控制，一旦動作順序或生產工藝發(fā)生了變化，就必須進行重新設計、布線、裝配和調試。顯然這樣的控制系統不能滿足日新月異且競爭激烈的市場經濟發(fā)展的需要。
PLC從結構上可分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。
可編程控制器（PLC）是以微外理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小，功能強、程序設計簡單、靈活、通用、維護方便等優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強的適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，得到了用戶的公認和好評。被廣泛應用于機械、冶金、化工、交通、電力等領域中。
3 PLC選型
PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。
全面權衡利弊、合理地選擇PLC機型才能達到經濟實用的目的。一般選擇PLC機型要以滿足系統功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全、以免造成投資和設備資源的浪費。機型的選擇從以下幾個方面來考慮：
1、輸入/輸出點的選擇
盲目選擇點數多的機型會造成一定浪費。要先弄清楚控制系統的I/O總點數，再按實際所需總點數的確15～20％留下，留出備用量（為系統的改造等留有余地）后確定所需PLC的點數。
在本系統中，輸入點均是數字開關量輸入類型，輸出點為各種泵、閥的控制，均可以用繼電器控制。其輸入、輸出點一覽表見下表3.1
表3.1 輸入、輸出點一覽表
類 型
圖中名稱
點數
輸
入
點
（24）
操作開關
自動、真空、開機、取件、防湍閥、維持閥、放氣閥、低閥、預閥、高閥、機械泵、羅茨泵、維持泵、旁通閥、擴散泵
15
微型開關
室門、高閥限位、低閥限位、預閥限位
4
接近開關
氣壓、泵水流、粗真空、低真空、高真空
5
輸
出
點
（15）
閥
門
機放閥、預閥、放氣閥、旁通閥、維放閥、低閥、高閥、維持閥、防湍閥
9
泵
機械泵、擴散泵、羅茨泵、維持泵、
4
其它
報警、真空計
2
圖中，輸入點數量為24點，輸出點為15點，
（點）
本系統選用FX2N系列的PLC，其型號為FX2N—48MR。其中：
輸入點24點，輸出點24點
輸出點為繼電器輸出方式
輸入點并且自帶3.3K的電阻，可以直接與開關、按鈕相連接。
輸入、輸出點自帶隔離器、濾波器，不需要在外部與器件相連時再加隔離變壓器，節(jié)約開支。
2、對存儲容量的選擇
對用戶存儲容量只能作粗略的估算。在僅對開關時進行控制的系統中，可以用輸入總點數乘以10字/點+輸出總點數乘以5字/點不估算；計數器/定時器按（3～5）字/個估算；有運算處理時按（5～10）字/個估算；在有模擬時輸入/輸出的系統中，可以按每輸入（或輸出）一路模擬量約需（80～100）字左右的存儲容量來估算；有通信處理時按每個接口200字以上的數量粗略估算。最后按估算容量的50～100％留有裕量。對缺乏經驗的設計者，選擇容量時留有裕量要大些。
3、對I/O響應時間的選擇
PLC的I/O響應包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時間延遲（一般在2～3個掃描周期）等。對于開關量控制的系統，PLC的I/O響應時間一般都能滿足實際工程的要求，可不必考慮這個問題。
本系統中的I/O點均選用的是繼電器輸入輸出點，是開關量控制。其PLC響應時間為10ms，完全可以達到其要求。
4、根據輸出負載的特點選型
不同的負載對PLC的輸出方式有相應的要求。例如，頻繁通斷的感性負載，應選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的PLC有許多優(yōu)點，如導能壓降小，有隔離作用，價格相能對較便宜，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，其負載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級范圍大等。所以動作不頻繁的交、直流負載可以選擇繼電器輸出型的PLC。
負載（機械泵、擴散泵、羅茨泵、維持泵）不能直接接在PLC的輸出點上，因PLC的輸出點只能夠帶通過電流為2A的電陰負載或80VA的感應性負載。以上負載均不符合標準，這里系統采用繼電器—接觸器的組合方式來完成其控制，用PLC的輸出點來驅動繼電器、接觸器的驅動線包，可以在其PLC控制接線圖中看到。
5、對在線和離線編程的選擇
離線編程是指主機和編程器共用一個CPU，通過編程器的方式選擇開關來選擇PLC的編程、監(jiān)控和運行工作狀態(tài)。編程狀態(tài)時，CPU只為編程服務，而不對現場進行控制。專用編程器編程屬于這種情況。在線編程是指主機和編程器各有一個CPU，主機的CPU完成對現場的控制，在每一個掃描周期末尾與編程器通信，編程器把修改的程序發(fā)給主機，在下一個掃描周期主機將新的程序對現場進行控制。計算機輔助編程既能實現離線編程，也能實現在線編程。在線編程需購置計算機，并配置編程軟件。采用哪種編程方法應根據需要決定。
對產品定型、工藝過程不變的系統可以選擇離線編程，以降低設備的投資費用。
6、根據是否聯網通信選型
若PLC控制的系統需要聯入工廠自動化網絡，則PLC需要有通信聯網功能，即要求PLC應具有連接其他PLC、上位計算機及CRT等的接口。大、中型機都有通信功能，目前大部分小型機也具有通信功能。
本系統選用PLC的FX2N系列同樣具有通信口，可以實現和上位機之間的通信,也可以組成一個自動控制網絡系統。
7、對PLC結構形式的選擇
在相同功能和相同I/O點數的情況下，整體式比模塊式價格低。但是模塊式具有功能擴展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點，要按實際需要選擇PLC的結構形式。
FX系列PLC有直流24V輸出接線端，該接線端可為輸入傳感器（如光電開關或接近開關）提供直流24V電源。當輸入端使用外接直流電源時，應選用直流穩(wěn)壓電源。因為普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使PLC接收到錯誤信息。本系統中采用臺灣明緯提供的24V開關電源，對24V電氣按鈕供電。
在選好FX2N系列PLC后，在這里需要對外圍元器件進行簡單的說明，按鈕選用施耐德的24V自帶鎖、自帶指示燈的操作開關。接觸器選用LG的MGC系列接觸器。其它元器件及儀表不再一一說明。
詳細設計
4.1編程語言
FX2N系列PLC提供的編程語言有標準語言梯形圖語言、語句表語言（類似于匯編語言）和邏輯功能圖語言三種語言。
邏輯功能圖語言，沿用半導體邏輯框圖來表達，一般一個運算框表示一個功能左邊畫輸入，右邊畫輸出。在這里采用梯形圖來完成對本系統的FX2N系列PLC編程，與計算機聯網，在調試中能在線監(jiān)控，查找錯誤方便、直觀，這樣可以節(jié)約很多時間，對于初學者來說是一個很好的學習成長方式。
4.2工藝流程
工作方式為手動和自動兩種都由PLC程序控制。
手動設：“機械泵”、“羅茨泵”、“擴散泵”、“低閥”、“防湍閥”、“旁通閥”“預閥”、“高閥”、“放氣閥”按鈕，按鈕為自鎖按鈕，按下“開”，復位（脫開）“關”。
自動設：“自動”、“開機”、“真空”、“取件”按鈕。
手動操作程序：開機：開機械泵10s→開閥（對擴散泵抽真空）30s→羅茨泵自動開（快速對擴散泵抽真空）→開擴散泵80min→擴散泵處于正常工作狀態(tài)→關預閥→羅茨泵自動關→開低閥60 s→羅茨泵自動開→真空度達到5～2Pa→真空計低真空信號指示燈亮→關低閥→開預閥→開高閥→真空計自動轉入高真空測量，待真空達到工作真空后即可進行蒸鍍工作，蒸鍍結束→關高閥→開熱水器，待室體門加熱至40℃以上時→開放氣閥→真空計自動關3s→大氣放入室內→打開室體門取出工件第一周期完畢。
裝入工件關室體門→關放氣閥→真空計恢復工作→關預閥→羅茨泵自動停→開低閥→……第二個工作周期開始
停機：當最后一次蒸鍍工作結束后不必取出工件→關高閥→關真空計電源→關擴散泵15min后打開擴散泵快冷閥門60min→關預閥→羅茨泵自動關→關機械泵→泵口管道放氣閥自動放氣→關氣源、水源、電源結束當日工作。
其真空自動流程控制圖如圖4.1所示。
圖4.1 真空自動流程控制圖
在抽真空過程中，將系統抽真空的過程分成四個階段，首先是室門關上，腔體內是在大氣壓狀態(tài)下，第一階段是用機械泵抽真空至粗真空（上限設定為102Pa）時，進行一次泵閥切換進入第二階段，在第二階段用羅茨泵快速抽真空至低真空（上限設定為10-1Pa）進行第二次泵閥切換進入第三階段，用擴散泵抽真空，機械泵作為其前級泵。進入到高真空，到系統設定的真空度3×10-4Pa以上，說明系統達到要求，可以鍍膜。
其真空系統流程圖見下圖4.2所示。
圖4.2 真空系統流程圖
4.3 電氣原理圖
采用AutoCAD 2004繪制，電氣原理圖如下：
圖4.4 泵閥電氣原理圖
圖4.5 擴散泵電氣原理圖
圖4.6 PLC輸入原理圖
圖4.7 PLC輸出原理圖
圖4.8 儀器儀表電氣原理圖
4.4 程序設計
本系統中PLC的型號選用日本三菱公司的FX2N系統PLC，其型號為FX2N—48MR—001，在熟悉了真空系統工藝流程后，就將對PLC實行編程，以完成其對真空鍍膜機的自動真空控制，下面簡單介紹一下PLC程序設計的步驟，其如圖4.9所示。
圖4.9 程序設計步驟圖
4.5 互鎖及保護
1、選擇“自動”方式工作時，“開機”是初始狀態(tài)，“真空”須在“開始”下運行，“取件”則可在“自動”方式下任一時間工作。
2、真空、取件不能同時工作。
3、所有閥門必須在滿足氣壓條件下工作，擴散泵必須在滿足水流條件下工作。
4、高閥、低閥必須在室門關好確認之后工作，且高閥、低閥不能同時工作。
5、低閥，預閥不能同時工作。
6、放氣閥只能在高閥關到位，低閥不開的情況下工作。
7、羅茨泵在真空度10-2Pa以上不能工作。
8、機械泵、羅茨泵、擴散泵、防湍閥不能直接起動，需加一功率匹配的接觸器—繼電器組合來實現其驅動。
5 總結
2005年在四川真空鍍膜設備制造商---南光工作過一段時間，鍍膜工藝方面感謝高級工程師何開朗、郭慶勝等老師的指點，個人結合公司設備、國內外鍍膜工藝發(fā)展對鍍膜設備的電氣化、自動化改造升級方面進行了一些研究和總結。
在本系統中采用了PLC控制，代替了原來的繼電器—接觸器控制方式，抗干擾能力更強，工作可靠性高，平均無故障時間長，可在惡劣的環(huán)境下正常工作，并可方便地與上位計算機聯網，此外還大大縮短系統的設計、安裝和調試周期，加快工程進度。使控制規(guī)律變成了更加人性化。
在今后改造升級中，可能采用觸摸屏來作為其控制界面，同時我們也會考慮到冗余結構形式，構成一個網絡，使設備也能實現遠程監(jiān)控，在線監(jiān)測。真空鍍膜正不斷向前發(fā)展，真空鍍膜機也需要不斷改進以適應新的鍍膜的精度要求，我們還要不斷的改進我們的設計方案，使系統更優(yōu)化。
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