真空太陽集熱管磁控濺射鍍膜機的自動化實現(xiàn)

山東藍景膜技術(shù)工程有限公司 張衛(wèi)峰

一 引言

真空鍍膜機是太陽能真空管生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，其工藝要求及自動化程度也越來越高。最初的真空鍍膜機控制系統(tǒng)采用繼電器控制，由模擬線路板及單片機等電路組成實現(xiàn)控制功能，因線路繁雜以及電子元器件的不穩(wěn)定造成設(shè)備性能的不穩(wěn)定，并且給維修工作帶來很大困難，另外操作界面不直觀，誤操作現(xiàn)象時有發(fā)生。目前，真空鍍膜機已廣泛采用PLC可編程器設(shè)計控制系統(tǒng)，該技術(shù)已相當(dāng)成熟，基本取代了單片機，并采用先進的人機界面——觸摸屏進行更加直觀的人機對話，可方便地設(shè)定參數(shù)，由控制系統(tǒng)按工藝流程分步或自動運行，具有各種系統(tǒng)保護以及故障提示、報警信息等功能，并且通過利用PLC通訊功能，與上位機通訊，實現(xiàn)對真空鍍膜機工藝流程的全程監(jiān)控，以便工程師及時發(fā)現(xiàn)并處理故障信息以及遠程修改工藝參數(shù)等，極大地方便了生產(chǎn)過程質(zhì)量控制和管理。

二 設(shè)計方案及實現(xiàn)

1 設(shè)備原理

真空太陽集熱管鋁－氮/鋁吸熱膜層是在正離子機真空環(huán)境下，利用真空稀薄氣體輝光放電產(chǎn)生的正離子轟擊金屬或其合金表面，濺射出金屬粒子沉積到工件表面，從而獲得的物理膜層。其裝置一般由濺射電源、真空機組、工作氣體控制器、真空室和真空測量儀表等組成。

真空室內(nèi)工件裝填完畢后，真空機組抽出真空室氣體，建立鍍膜必須的真空環(huán)境。抽真空分為粗抽、精抽以及維持?jǐn)U散泵真空度的過程，真空度由熱偶規(guī)管、電離規(guī)管及真空測量儀表獲得。當(dāng)真空度達到鍍膜要求數(shù)值后，關(guān)閉光攔閥，真空室內(nèi)充入稀薄的氬氣，打開濺射電源，在金屬靶上施加400V左右的直流電壓，真空稀薄氣體輝光放電產(chǎn)生的正離子轟擊金屬靶表面，濺射出金屬粒子沉積到工件表面，并且按照預(yù)先設(shè)定的工藝參數(shù)分層改變充入氮氣流量、電流、電壓等，進行磁控反應(yīng)濺射從而形成集熱管的太陽選擇性吸收膜層；鍍膜過程結(jié)束后關(guān)閉高閥以隔離真空室與擴散泵室，維持?jǐn)U散泵真空，真空室此時可充氣開門取出工件，重新裝填工件后進入下一個操作循環(huán)。

2 系統(tǒng)組成

磁控濺射鍍膜機核心控制部分采用PLC控制，由于PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)、嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。PLC根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)崿F(xiàn)對電磁閥、真空泵、旋轉(zhuǎn)電機等進行邏輯過程控制，通過模擬量輸入輸出模塊對電流、電壓、溫度、流量等進行模擬量信號采集處理，運行工藝參數(shù)。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息，并可編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。

人機界面采用大屏幕觸摸屏，通過程序編寫和畫面編輯，把整個系統(tǒng)做成逼真的畫面顯示在屏幕上，輔以動畫演示，可形象直觀表現(xiàn)出設(shè)備運行狀態(tài)和各種參數(shù)。由于界面更形象直觀，各種操作觸控按鈕及數(shù)據(jù)可顯示在模擬畫面的相應(yīng)位置，使操作人員更能理解和掌握設(shè)備運行系統(tǒng)原理，從而減少誤操作，設(shè)備故障時也能更快捷發(fā)現(xiàn)和排除故障，并且觸摸屏還能生成各種數(shù)據(jù)的歷史記錄，方便質(zhì)量控制和管理。

利用PLC的通訊功能，可將一臺或多臺鍍膜機生產(chǎn)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送到上位機，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)集中監(jiān)控。上位機組態(tài)軟件豐富的功能可方便監(jiān)控工藝過程，分析研究工藝參數(shù)，及時調(diào)整工藝參數(shù)以獲得更好的鍍膜效果。

3 上位機監(jiān)控主要實現(xiàn)以下功能

(1)實時數(shù)據(jù)顯示。實時顯示磁控靶電源電壓、電流、各真空計數(shù)值、氣體流量等現(xiàn)場參數(shù)數(shù)值；可根據(jù)需要定時記錄設(shè)備運行情況及重要工藝參數(shù)，并形成報表文件和歷史曲線。

(2)故障報警記錄。在設(shè)備出現(xiàn)故障時監(jiān)控系統(tǒng)自動彈出報警畫面和文字提示，同時報警燈閃爍。根據(jù)故障的輕重緩急，可對報警信息進行分類并記錄所有報警信息，以備檢修時查詢。

(3)自動診斷保護。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，監(jiān)控系統(tǒng)可自動啟動保護措施減少因故障對設(shè)備造成的損害；可自行檢測上、下位機通信是否正常。

(4)其他功能。該計算機監(jiān)控系統(tǒng)還設(shè)置了系統(tǒng)時鐘、設(shè)備輸入輸出點監(jiān)控界面、設(shè)備操作說明界面等，方便用戶查詢、使用。

三 自動化實現(xiàn)

依據(jù)磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線的工藝要求，鍍膜生產(chǎn)控制可設(shè)計成四個分時動作過程。

第一個過程是真空獲得，為保證鍍膜的質(zhì)量，系統(tǒng)要求必須具備一定的本底真空；第二個過程是可供選用的離子轟擊，為了提高膜層的附著力，采用高能離子轟擊清洗工件表面，以去除表面雜物；第三個過程是磁控濺射鍍膜，空間、電離與從陰極發(fā)出來的電子，在磁場和電場中受到洛侖茲力的作用，沿著磁場的方向作擺線動力前進，大大增加了電子的運動路徑，電子轟擊氬原子，氬原子電離成氬離子和電子，氬離子在電場作用下轟擊陰極(靶材)，而靶材“溢出”金屬粒子與二次電子，形成自持的輝光放電，金屬粒子沉積到工件表面行成金屬薄膜為非反應(yīng)濺射，再加入氮、氧等活性氣體，形成金屬與介質(zhì)的復(fù)合薄膜(吸收層)為反應(yīng)濺射，當(dāng)活性氣體成分多時，形成介質(zhì)薄膜；第四個過程是系統(tǒng)開關(guān)機，這是鍍膜前后對整個設(shè)備的處理操作。

1 真空獲得過程的自動化控制設(shè)計

磁控鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)采用滑閥真空泵、羅茨真空泵、高真空油擴散泵機組獲取低真空和高真空。采用微機型數(shù)顯真空計檢測真空度，該過程的自動化控制包括:機械泵、擴散泵、真空計、水泵的啟?？刂?；各真空計的高、低真空值輸出控制；各真空閥門、翻板閥的開閉控制。

整套設(shè)備采用循環(huán)水處理冷卻，所以系統(tǒng)在沒有接收到水壓指示前不能開啟真空機組。翻板閥用來實現(xiàn)大氣與低真空室以及低真空室與高真空室之間的隔離；真空閥門用來控制真空抽氣通路的通斷。系統(tǒng)通過控制氣動裝置來實現(xiàn)對閥門的打開與關(guān)閉。

2 離子轟擊過程的自動化控制設(shè)計

對于某些機型(如亞克力鍍膜生產(chǎn)線)，為了提高薄膜的附著力，本系統(tǒng)采用高能離子轟擊作為鍍前處理工藝。在轟擊清洗過程中，控制指標(biāo)是氬氣質(zhì)量流量、轟擊電壓、轟擊電流、轟擊時間和傳動速度等；為了滿足鍍膜工藝的要求，可選擇工件緩慢地通過轟擊室，一邊行進一邊轟擊；也可選擇工件停留在轟擊室，轟擊一段時間后再進入緩沖室，這就實現(xiàn)了對工件的高能離子清洗。

3 鍍膜過程的自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

為了滿足鍍膜工藝的要求，鍍膜過程中需要控制氬氣質(zhì)量流量、反應(yīng)氣體質(zhì)量流量、各靶濺射電壓、濺射電流和鍍膜傳動速度等指標(biāo)。當(dāng)工件行進至磁控靶前，靶電流由維持狀態(tài)自動轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)，對工件進行鍍膜，直至工件離開該靶后，回復(fù)至維持狀態(tài)，最大限度地節(jié)省靶材。為有效保護磁控靶及靶電源，系統(tǒng)設(shè)計了水壓、真空度控制和過流、過熱故障報警功能，以及靶電源電壓、電流的緩升降功能。

4 系統(tǒng)開關(guān)機的自動化控制設(shè)計

自動開機，是從擴散泵預(yù)熱開始，真空抽氣系統(tǒng)自動工作直至鍍膜室真空度達到后，磁控靶自動啟動，這一段過程的所有操作均由設(shè)備自動完成。

自動關(guān)機，是生產(chǎn)線鍍膜工作完成后，自動關(guān)閉磁控靶，并逐步關(guān)閉真空抽氣系統(tǒng)，這一段過程的所有操作均由設(shè)備自動完成。

四 結(jié)語

通過以上自動化功能的實現(xiàn)，可極大地方便太陽能生產(chǎn)企業(yè)實時監(jiān)督和控制生產(chǎn)過程，加強質(zhì)量管理和控制，使企業(yè)更加規(guī)范，更能適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的要求。作為一套成功的鍍膜生產(chǎn)線計算機監(jiān)控自動化控制系統(tǒng)，具有極大的推廣價值和應(yīng)用前景，從而促進我國真空鍍膜設(shè)備計算機監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。