王 程

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

離線鍍膜玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計與應用

王 程

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

離線鍍膜玻璃生產(chǎn)線利用磁控濺射法生產(chǎn)鍍膜玻璃,該過程工藝復雜,自動化程度要求較高。該文針對生產(chǎn)線硬件結(jié)構(gòu)和控制策略的分析,提出主控制器采用基于西門子S7-400PLC的雙CPU協(xié)同的控制模式,并結(jié)合真空系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、磁控濺射陰極電源系統(tǒng)等子系統(tǒng)的特點詳細闡述控制系統(tǒng)設(shè)計方案與運行原理。

磁控濺射; S7-400PLC; 控制系統(tǒng)

鍍膜玻璃指的將若干層金屬或金屬氧化物均勻附著在玻璃基板上,以改變玻璃的光學性能,使得玻璃對可見光有較高的通過率的同時對紅外線有較高的反射率[1]。通過膜系的優(yōu)化設(shè)計,鍍膜玻璃的低輻射率由普通玻璃的0.84降低到0.04～0.12[2],從而使玻璃具備低輻射的節(jié)能特性,廣泛的用于建筑幕墻。制備鍍膜玻璃的工藝方法有很多,主要有磁控濺射法、物理化學氣相沉積法、真空蒸發(fā)法等。其中磁控濺射法多用于離線生產(chǎn),在市場上也占有主導地位,理論產(chǎn)能高達15 000萬m2[3],其特點是該技術(shù)相對成熟穩(wěn)定,可滿足復雜膜系的工藝要求,膜層的附著力也較早期有了很大提升。

該文通過對采用磁控濺射法的離線鍍膜玻璃生產(chǎn)線的特點分析,建立一整套控制系統(tǒng)架構(gòu),并在各關(guān)鍵控制點也做了重點介紹。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)規(guī)模較大,現(xiàn)場控制點數(shù)量眾多,按功能可劃分為真空系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、陰極電源系統(tǒng)。為便于細化控制任務(wù),提高系統(tǒng)的運行效率,主控CPU采用了兩臺獨立運行的西門子S7-400PLC。其中一個CPU負責傳動系統(tǒng),另一臺CPU負責真空系統(tǒng)和陰極與電源系統(tǒng)。

控制器與上位機網(wǎng)絡(luò)如圖1所示,兩臺PLC通過以太網(wǎng)與上位機監(jiān)控程序通訊,而兩臺PLC之間的數(shù)據(jù)交換則由一條專用以太網(wǎng)通訊通道完成。這樣設(shè)計是因為上位機與PLC的通訊量較大,PLC之間的信號傳輸復用這一通道會大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性,進一步拖慢系統(tǒng)的運行周期從而影響生產(chǎn)節(jié)拍時間,因此為PLC之間信號交互建立獨立的通訊通道是必要的。

現(xiàn)場級的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示,在以CPU416為控制核心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,針對陰極在濺射過程中電磁環(huán)境復雜的情況,為消除信號干擾保證通訊正常有效,系統(tǒng)采用光纖通訊。利用OLM設(shè)備將DP電信號轉(zhuǎn)換為光信號,集成在陰極的控制器具備光纖接口可直接與OLM設(shè)備連接。圖2為CPU416網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖。

生產(chǎn)線分子泵蓋板單元數(shù)量為20個,每個蓋板單元集成有獨立的遠程智能從站與CPU通訊。若直接采用總線型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不利于擴展和蓋板位置調(diào)換,因此,設(shè)計具有星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)更便于電氣安裝以及后期蓋板位置調(diào)整和數(shù)量擴展。

模塊化的蓋板單元設(shè)計不僅僅要便于安裝與互換,在控制系統(tǒng)層面,這種互換性必須要被主動識別,在監(jiān)控級必須自適應做出調(diào)整,以方便工藝人員對設(shè)備有正確直觀的把握。實現(xiàn)的方法是通過將每個蓋板位設(shè)置一個唯一的電子銘牌,當蓋板安裝到某一安裝位后,蓋板內(nèi)部的控制器采集電子銘牌信息,轉(zhuǎn)化為數(shù)字編碼通過現(xiàn)場總線傳輸給主控CPU。通過這個方式控制系統(tǒng)能識別每個蓋板所在位置,在監(jiān)控級也要把相應的結(jié)果輸出到監(jiān)控界面上。針對該項目可以通過在畫面中設(shè)置腳本的方式實現(xiàn),具體的做法是使蓋板屏幕坐標按照位置編碼進行動態(tài)變更,一旦蓋板位置對調(diào),蓋板內(nèi)包括分子泵或者陰極信息整體都會根據(jù)實際變動而在監(jiān)控屏幕上進行自動調(diào)整,使得監(jiān)控界面能夠?qū)崟r反映生產(chǎn)線最新狀態(tài)。

以CPU414為核心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是針對生產(chǎn)線傳輸過程的控制,主要控制對象包括翻版門閥、各區(qū)域光電傳感器、伺服驅(qū)動和變頻驅(qū)動。該生產(chǎn)線腔體內(nèi)部傳動采用西門子S120系列伺服驅(qū)動,該系列精度高、運行穩(wěn)定,能充分適應離線鍍膜傳動的工藝需要。上下片區(qū)輸送采用變頻控制,變頻器選用西門子MM440,電機選用SEW異步電機,控制模式采用的是帶編碼器的閉環(huán)速度控制,控制精度接近伺服控制水平,在滿足工藝要求的同時有效的降低了成本。圖3為CPU414網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖。

1.1 磁控濺射工藝控制

磁控濺射過程是在真空環(huán)境下充入工藝氣體(通常情況下選擇氦氣),在陰極兩端施加設(shè)定強度電場,使工藝氣體產(chǎn)生輝光放電,氣體分子等離子化后在電場與磁場的共同作用下撞擊靶材,將靶材原子碰撞出晶格從靶材表面濺射脫落。濺射出來的靶材粒子在重力、電場、磁場的作用下射向玻璃基板表面,并最終沉積成膜[4]。

該生產(chǎn)線初始配置提供生產(chǎn)單銀可鋼化鍍膜玻璃。按工藝要求選用九個陰極,其中旋轉(zhuǎn)陰極六個制備金屬化合物膜系,對應濺射電源選用120 k W中頻電源,陰極電源采用一對一方式匹配。另外三個平面陰極配合三個30 k W直流電源制備金屬膜系。

陰極和電源的控制均是采用PROFIBUS-DP總線通訊。針對安全控制通過在陰極單元設(shè)定跳線回路,并把跳線回路通過硬連接的方式與相匹配的電源的安全回路接連,使濺射系統(tǒng)軟硬件出現(xiàn)一系列警告或故障情況下能夠自我關(guān)斷輸出,從而保護相關(guān)人員和設(shè)備安全。具體磁控濺射控制的功能如圖4所示。

1.2 真空過程控制

根據(jù)磁控濺射工藝需要,鍍膜環(huán)境需要在一個高真空狀態(tài)下進行。因此,必須依靠一系列真空泵組合維持真空狀態(tài),軟件對真空泵組的控制是根據(jù)各泵特性進行順序控制并綜合考慮異常報警的處理。

該生產(chǎn)線對真空過程的控制包含對各級真空泵的順序控制及異常保護,真空系統(tǒng)分三級,最外是旋片泵,依次是羅茨泵和分子泵。這些泵的起停順序要求很嚴格,必須在軟硬件層面對設(shè)備進行有效保護。

通常情況下,旋片泵最先啟動,當腔體中真空度到達50 mbar以下可以啟動羅茨泵,當真空度進一步達到5×10-2mbar時可以啟動分子泵。關(guān)泵則是開泵的逆過程,當某一時刻腔體真空度到達泵設(shè)定保護的臨界值時,程序觸發(fā)連鎖保護,保障泵不受到損壞。機組啟動之前,針對泵組的操作均為手動模式,當機組生產(chǎn)工藝開始后轉(zhuǎn)為自動模式,此時抽空與破空過程依照玻璃輸送自動進行。對于在正常生產(chǎn)模式下的破空只針對進片區(qū)C1和出片區(qū)C7,破空模式分為空氣和干燥空氣模式,空氣模式指的是利用大氣環(huán)境給真空腔體里注入空氣。干燥空氣模式指的是利用事先裝載壓力罐中的壓力干燥空氣對腔體進行破空,其優(yōu)點在于干燥空氣中不含水,水的存在會影響抽真空效果,使用干燥空氣破空后對下一次抽真空起到了提高效率的作用,同時壓力干燥空氣對破空的速度也會有一定的提升。

1.3 傳動控制系統(tǒng)

傳動控制分為腔體內(nèi)部伺服驅(qū)動控制和外部變頻控制兩部分,伺服控制系統(tǒng)是伺服驅(qū)動器S120通過Profibus將數(shù)據(jù)傳輸給CPU414,由CPU統(tǒng)一控制各腔室傳送站,主要完成的功能有:

1)玻璃長度計算:通過在入口室內(nèi)的2對高精度對射式光電開關(guān),測量每組玻璃行進方向的長度。針對分組排放的玻璃,測量長度為玻璃前后最大跨距;在緩沖室同樣的測量過程將會重復,目的是與先前測量結(jié)果比對,如果測量誤差超出設(shè)定閾值,系統(tǒng)會提示報警,如誤差在范圍內(nèi)則取兩次測量均值。

2)玻璃間距控制:在鍍膜段傳輸過程中,根據(jù)工藝需要,每組玻璃間距要在保證出口緩沖室能分離的情況下盡可能小,同時要求距離可控,那么系統(tǒng)通過在鍍膜段的進口區(qū)兩段可變速的輥道實現(xiàn)玻璃間距控制。通過記錄玻璃位置與節(jié)拍時間差值算出追趕速度與減速位移,從而確定間距。

3)玻璃位置計算:玻璃在腔體中的位置要根據(jù)計算時得出數(shù)據(jù)并顯示在上位機上,目的是幫助工藝調(diào)試人員把握玻璃走向,系統(tǒng)通過中斷程序與伺服電機編碼器反饋值記錄每組玻璃運行情況,對玻璃實現(xiàn)跟蹤定位。在單片模式下通過跟蹤確定玻璃的位置,在監(jiān)控界面上實時顯示玻璃的位置與長度和編號;在成組模式下,程序利用跟蹤進行鍋長識別,在C1、C2腔體中通過測長完成鍋信息的建立,在C3和C5腔體中利用鍋信息進行加速跟進和分離等控制。

4)生產(chǎn)過程控制:生產(chǎn)過程是自動完成的,各傳送站根據(jù)工藝過程要求與各腔室門閥、光電開關(guān)協(xié)同,完成玻璃輸送。

5)報警系統(tǒng)與異常處理:針對傳動系統(tǒng)的報警可分為配電報警、伺服電機報警、跟蹤計算報警、傳輸碰撞報警等。配電系統(tǒng)發(fā)生報警通常是指伺服系統(tǒng)的供電出現(xiàn)異常,此時如果處于生產(chǎn)模式系統(tǒng)會立即調(diào)用中斷程序結(jié)束自動生產(chǎn)并關(guān)閉濺射電源保持各腔體原始壓強。伺服電機報警涵蓋的內(nèi)容較多,比如電機過載、伺服通訊錯誤等,若發(fā)生此類錯誤在監(jiān)控界面相關(guān)的電機圖標會閃爍提示報警,操作員可根據(jù)報警選擇下一步操作,如果問題不嚴重可以直接復位驅(qū)動器消除報警。在位置跟蹤過程中也有可能觸發(fā)程序報警,當玻璃長度計算超過一定值(大于腔體)此時會出現(xiàn)超長報警,出現(xiàn)超長報警后操作員要及時到現(xiàn)場排查是否與實際相符合,如果是誤信號,操作員可恢復消除報警放走玻璃。如果確實超長此時必須切換到本地或手動模式下移出玻璃。傳輸碰撞報警是為了極大程度降低門閥與玻璃的碰撞可能。當玻璃接近門閥后,如果門閥未開啟必須無條件停止該電機的運行,且如果玻璃處于門閥下方時,有相關(guān)人員觸發(fā)關(guān)閉門閥操作也必須觸發(fā)報警并使得操作無效,保證設(shè)備安全,提高生產(chǎn)效率。

變頻控制系統(tǒng)針對上下片輸送區(qū)域,主控CPU414同樣通過Profibus總線控制各變頻器MM440,主要實現(xiàn)玻璃傳輸、玻璃清洗、在線檢測、分區(qū)等待等功能。

1.4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

操作員或工藝工程師通過上位機實時分析電源陰極運行情況、玻璃傳輸過程及真空過程的情況,所以設(shè)計具有良好人機交互界面的監(jiān)控系統(tǒng)尤為必要。該系統(tǒng)使用西門子Wincc軟件進行上位機組態(tài),軟件具備生產(chǎn)過程監(jiān)控,系統(tǒng)報警,數(shù)據(jù)庫歸檔等功能。

2 結(jié) 語

該系統(tǒng)以兩臺S7400系列CPU為上位機,運用了以太網(wǎng),星型總線,光纖鏈路等多樣的通訊手段,并利用Wincc組態(tài)上位機實現(xiàn)對整條生產(chǎn)線的監(jiān)控與數(shù)據(jù)備份。整套控制系統(tǒng)自動化程度高,能有效的幫助工藝工程師指導和調(diào)試生產(chǎn)。目前該生產(chǎn)線已經(jīng)在國內(nèi)玻璃加工單位成功投產(chǎn),各項控制性能運行穩(wěn)定,達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

[1] 喻泰益,凌 云,宋東球.基于S7-400PLC的鍍膜玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)[J].控制工程,2009,16(6):655-658.

[2] 潘 偉.LOW-E中空玻璃節(jié)能原理的簡述[J].玻璃,2007,34(1):60-63.

[3] 管世鋒,周秋林,張浙軍.離線鍍膜玻璃的現(xiàn)狀與技術(shù)進步[J].玻璃,2010,37(7):40-42.

[4] 漢 斯·瓊徹·格雷瑟.大面積玻璃鍍膜[M].上海:上海交通大學出版社,2006.

Control System Design and Application of Off-line Coated Glass Production Line

WANG Cheng
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

Off-line coated glass production line products coated glass by magnetron sputtering method.The process is complicated and requires highly automated.Analysis of its hardware structure and control measure,the paper presents the main controller using two mutually synergistic S7-400PLC.Combined with vacuum system,servo system, magnetron sputtering system,the paper elaborates the design scheme and operation principle of control system.

magnetron sputtering; S7-400PLC; control system

2014-05-09.

王 程(1982-),工程師.E-mail:wcheng20000@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.009