河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院　唐慧剛　丁國明

?

基于PLC和力控組態(tài)軟件的磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院唐慧剛丁國明

【摘要】本文結(jié)合磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備及鍍膜工藝特點，詳細(xì)分析了磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備工作流程，并在此基礎(chǔ)上，介紹了一種用PLC和力控組態(tài)軟件實現(xiàn)的磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備電氣自動控制系統(tǒng)的設(shè)計思路及方法，設(shè)計和實現(xiàn)了自動控制系統(tǒng)的功能。

【關(guān)鍵詞】PLC；組態(tài)軟件；磁過濾復(fù)合鍍膜；控制系統(tǒng)

1　引言

磁過濾復(fù)合鍍膜是一種將離子注入與磁過濾離子鍍膜兩種方法相結(jié)合的復(fù)合表面改性技術(shù)。該技術(shù)先采用MEVVA離子注入對材料表面進(jìn)行離子束清洗，接著改變離子能量，進(jìn)行離子注入改善材料表面性能，使得材料表面與將要沉積的薄膜性能非常接近，然后采用磁過濾離子鍍膜可以得到致密的高質(zhì)量的薄膜。這樣得到的薄膜與基體結(jié)合非常牢固，薄膜質(zhì)量好，能滿足許多精密、高結(jié)合強(qiáng)度要求的表面處理需求，可廣泛應(yīng)用到光學(xué)、材料、半導(dǎo)體、電子等領(lǐng)域。

磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)有真空、電氣控制、電源及離子源技術(shù)和鍍膜工藝等，設(shè)備運行中每一項實施的效果都起著至關(guān)重要的作用，特別是多個離子源的復(fù)合鍍膜技術(shù)。以往靠手動控制和簡單的自動控制系統(tǒng)來控制設(shè)備鍍膜過程，那么這些技術(shù)準(zhǔn)確、可靠地實施顯然存在一定的困難。

因此，需要采用自動化程度高的控制系統(tǒng)，以保證設(shè)備和工藝生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。從而，提高鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量，提高磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備控制系統(tǒng)的控制精度。

2　設(shè)備組成及工藝流程

2.1設(shè)備構(gòu)成及相關(guān)部件

磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、離子源系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、工裝系統(tǒng)等組成。其中，真空系統(tǒng)由真空室、分子泵、機(jī)械泵、真空計、真空閥門、連接管道及附件構(gòu)成，電源系統(tǒng)包含有分子泵電源、偏壓電源、弧源電源等，離子源系統(tǒng)包括1個MEVVA金屬離子源和2個直管型磁過濾離子鍍弧源和相應(yīng)的送氣系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)是為真空泵、離子源、工裝等部分提供冷卻用循環(huán)水，工裝系統(tǒng)是工件產(chǎn)品的裝卡機(jī)構(gòu)及其傳動和定位裝置。

2.2設(shè)備工藝流程

如圖1所示給出了一個完整的磁過濾復(fù)合鍍膜工藝流程，具體包括了以下七個步驟：

(1)對待加工工件進(jìn)行去油清洗、去水、表面粗化等一系列預(yù)處理后，將其裝卡到真空室內(nèi)的工裝平臺上，關(guān)閉真空室門。(2)預(yù)抽真空過程，打開真空系統(tǒng)冷卻水，按順序開啟機(jī)械泵、前級閥、預(yù)抽閥，先預(yù)抽真空，檢查沒有大的漏氣情況，到達(dá)預(yù)抽真空值時，關(guān)閉預(yù)抽閥門。(3)啟動分子泵，達(dá)全速后，開啟高閥，開始抽高真空過程并保持抽高真空狀態(tài)。(4)抽工作真空到6.0×10-4Pa，啟動MEVVA金屬源供電電源，預(yù)熱一段時間后，逐漸升高引出電壓，開始高壓鍛煉離子源。鍛煉完成后，降引出電壓至0V，開始調(diào)試弧源。按照工藝要求設(shè)置弧流值,調(diào)整偏轉(zhuǎn)電壓大小達(dá)到符合工藝要求，監(jiān)測起弧狀況和發(fā)熱情況。(5)按照工藝順序和參數(shù)要求，啟動離子源，進(jìn)行鍍膜加工。(6)根據(jù)工藝步驟規(guī)定的時間或劑量，重復(fù)金屬源或弧源的起弧操作進(jìn)行對工件產(chǎn)品鍍膜。(7)工藝結(jié)束，關(guān)閉離子源系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)等，冷卻一段時間后，打開真空室門，取出工件產(chǎn)品。

圖1　磁過濾復(fù)合鍍膜工藝流程圖

3　控制系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)以磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備的工藝流程為指導(dǎo)思想，進(jìn)行分系統(tǒng)模塊化設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要介紹一下真空系統(tǒng)、氣體流量控制系統(tǒng)、工裝系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)中，機(jī)械泵、分子泵、各閥門的啟停和開閉控制和到位信號，都由PLC數(shù)字模塊配合繼電器或傳感器進(jìn)行直接控制和采集。真空值的測量由ZDF-5327Ⅱ型復(fù)合真空計完成，該真空計配有兩路熱電偶規(guī)和一路電離規(guī)，支持RS485通訊。分子泵轉(zhuǎn)速才測量，通過分子泵電源變頻器的頻率得出，該頻率也可以通過RS485通訊獲得。

3.2電源和離子源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)中，除分子泵電源外，偏壓電源和弧源電源的參數(shù)測量和調(diào)節(jié)功能均由0-10V標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號實現(xiàn)。離子源送氣系統(tǒng)的執(zhí)行部分由DFC數(shù)字質(zhì)量流量控制器實現(xiàn)，該控制器通過RS485通訊和控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行直接交換數(shù)據(jù)。

3.3工裝和水冷系統(tǒng)

工裝系統(tǒng)需要在工件處理過程中實現(xiàn)工件臺的定時自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)功能，同時根據(jù)處理工藝要求，工件臺還需要在MEVVA離子源位置、直管型磁過濾離子鍍弧源的位置和門位置處移動。因此，工裝系統(tǒng)的控制部分設(shè)計了相應(yīng)的電機(jī)配合編碼器來實現(xiàn)所需的正反向運動和復(fù)雜的定位功能。水冷系統(tǒng)主要通過采集水流傳感器信號，判斷循環(huán)冷卻水的供給情況，出現(xiàn)缺水情況時，系統(tǒng)各部分及時采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

3.4其他監(jiān)測系統(tǒng)

溫度監(jiān)測系統(tǒng)，它是一個閉環(huán)控制的負(fù)反饋系統(tǒng)，利用OMRON公司CJ1W-TC003特殊I/O單元實現(xiàn)。

根據(jù)工藝的要求，工件在處理過程中可能需要施加負(fù)電壓，為此，采用了真空鍍膜脈沖偏壓電源，以適應(yīng)離子注入和鍍膜工藝的需要。并利用積分儀系統(tǒng)，對注入和沉積時工件和工件臺的特定部分接收到的離子電荷進(jìn)行積分，并相應(yīng)的轉(zhuǎn)換成電荷量，以數(shù)字方式傳送到計算機(jī)中。

3.5控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)備整機(jī)的主要控制和測量由PLC系統(tǒng)實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC(226CN)及其系列模塊，該系列PLC系統(tǒng)功能完備、性價比好，能實現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)控制。系統(tǒng)的管理和操作核心由一臺控制計算機(jī)實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用西門子SIMATICIPC577C，該款工業(yè)一體機(jī)性能穩(wěn)定，同時集成了觸摸屏和計算機(jī)的功能，既方便操作有功能強(qiáng)大。在此基礎(chǔ)上，另加一塊內(nèi)置的MOXA485四串口卡CP-134UV2，以負(fù)責(zé)同串口設(shè)備進(jìn)行通訊。

分子泵電源的測控和真空計真空值讀入、加熱器溫度顯示和設(shè)定、工作氣體流量的設(shè)定和顯示直接由計算機(jī)通過485接口實現(xiàn)，其余的操作和測量功能通過軟件系統(tǒng)給PLC命令，由PLC直接完成。PLC將測量的數(shù)據(jù)送軟件系統(tǒng)顯示、記錄和打印輸出。計算機(jī)外部連接為：COM1通過PC/PPI電纜連接PLC，COM5連接分子泵電源，COM3連接真空計。

3.6系統(tǒng)軟件平臺

本系統(tǒng)采用WindowsXP操作系統(tǒng)配合力控ForceControl6.0工業(yè)組態(tài)軟件和SQL Server數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)軟件平臺，實現(xiàn)在線監(jiān)控和管理功能。WindowsXP操作系統(tǒng)兼容性好，性能穩(wěn)定；力控組態(tài)軟件通訊功能豐富，界面風(fēng)格好；SQL Server數(shù)據(jù)庫功能強(qiáng)大，方便存儲、查詢和管理工藝過程數(shù)據(jù)。軟件平臺可二次開發(fā)性強(qiáng)，可通過編程實現(xiàn)報表和趨勢曲線等功能，并可通過操作命令對數(shù)據(jù)組對象進(jìn)行轉(zhuǎn)存，便于數(shù)據(jù)的脫機(jī)讀取。

4　功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)完整的實現(xiàn)了磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備的控制和工藝生產(chǎn)功能。從人機(jī)交互部分主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)工藝流程手/自動控制及動態(tài)顯示：用戶與設(shè)備間的聯(lián)系通過觸摸式工控機(jī)建立，用戶通過人性化的操作面板進(jìn)行相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置，觸摸屏圖形畫面可根據(jù)不同的工作狀態(tài)顯示不同的顏色，來提示用戶了解設(shè)備工作情況。設(shè)備可進(jìn)行全自動、半自動、分步動作等操作，方便用戶使用。

(2)實時數(shù)據(jù)顯示：用戶可以觀察到系統(tǒng)實時真空度、溫度、工作負(fù)壓、電流等參數(shù)的當(dāng)前值，在此界面可以設(shè)定需要處理的數(shù)據(jù)的開始時間、時間間隔和長度，每次可以將1024項數(shù)據(jù)輸出到Excel表內(nèi)。

(3)歷史數(shù)據(jù)記錄：支持 對歷史數(shù)據(jù)的查詢，包括設(shè)備真空度、壓力、工作負(fù)壓、引出電壓、電流、溫度等，記錄形式以列表的方式存在，包括記錄生成的日期、時間、內(nèi)容，方便用戶進(jìn)行工藝分析及優(yōu)化，實現(xiàn)故障追溯。存儲格式為Excel格式，方便用戶的查詢。

(4)歷史曲線查詢：歷史曲線功能將歷史數(shù)據(jù)制成趨利曲線，方便用戶對工藝過程各個參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

(5)報警功能：設(shè)備擁有故障自檢功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障工藝執(zhí)行異常時，觸摸屏上彈出報警框，直到用戶對故障進(jìn)行處理并作對報警做出相應(yīng)后，設(shè)備才能恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

圖2　真空系統(tǒng)操作界面

5　結(jié)束語

磁過濾復(fù)合鍍膜設(shè)備采用基于PLC和力控組態(tài)軟件的控制系統(tǒng)，利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)及自動控制理論對鍍膜工藝進(jìn)行檢測和控制，提高了系統(tǒng)集成度，實現(xiàn)了系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、報警、數(shù)據(jù)記錄、查詢等功能，同時具備運行可靠、穩(wěn)定、操作方便、控制精度高等優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]史宜巧,孫業(yè)明,景邵學(xué).PLC技術(shù)及應(yīng)用項目教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009,1.

[2]王宇,任思璟,李忠勤.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社,2010.05.

[3]周美蘭.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計[M].科學(xué)出版社,2009.10.

[4]曹文鵬,周正干,馮占英.PLC在多弧離子鍍膜機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)電工程技術(shù),2004,33(12):65,67.

[5]周志文.可編程序控制器在真空系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2002,(4):62,67.

唐慧剛（1978－），男，大學(xué)本科，河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院講師。

丁國明，男，大學(xué)本科，河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院講師。

作者簡介：