大尺寸玻璃刻蝕設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

苗 岱，杜虎明，張 峰

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024)

目前在實驗室內(nèi)的玻璃鍍膜工藝相當(dāng)成熟，轉(zhuǎn)換效率也比較高，但僅限于在小尺寸玻璃基板上的鍍膜，不適用工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)。大尺寸玻璃刻蝕設(shè)備則面向大尺寸玻璃襯底上面制備薄膜的工藝，從而實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。設(shè)備設(shè)計時，為了兼顧系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維護方便，節(jié)省成本，節(jié)省人力等相關(guān)因素，控制系統(tǒng)采用三菱FXIN型PLC作為控制核心，EVIEW觸摸屏為人機界面的構(gòu)建方式。

1 系統(tǒng)及工藝要求

該設(shè)備的工藝流程如圖1所示，操作者將待刻蝕玻璃置于上料模塊后啟動設(shè)備自動運行功能，大尺寸玻璃在鏈?zhǔn)絺鲃臃绞降膮f(xié)助下，依次通過刻蝕，清洗，及干燥模塊，并實現(xiàn)相對應(yīng)的工藝流程，最后刻蝕后的干燥玻璃停止在下料模塊。設(shè)備運行過程中要求根據(jù)刻蝕模塊中刻蝕液與玻璃反應(yīng)后的濃度變化自動補償刻蝕液，使得刻蝕液維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，保證刻蝕后玻璃表面的均勻性，同時要求玻璃在各個模塊中的傳輸速度可調(diào)。

圖1 設(shè)備工藝流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本控制系統(tǒng)由兩大部分組成，一為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)搭建，包括相關(guān)元器件的選型，電路圖設(shè)計等，二是軟件編程，包括PLC元件編程和人機界面設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)由信號采集系統(tǒng)，PLC、玻璃搬運系統(tǒng)、刻蝕控制系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)及人機界面組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1.1 PLC

設(shè)備所有輸入信號在PLC中進行交流轉(zhuǎn)換，PLC由此按照設(shè)計人員編寫的程序流程實現(xiàn)對相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的控制，使其最終滿足客戶的使用要求。PLC選用三菱FX1N型PLC，該系列PLC具有的特點：（1）作為日系PLC的中高端產(chǎn)品其可靠性高，抗干擾能力強；（2）CPU模塊支持高速計數(shù)、定時、標(biāo)準(zhǔn)RS232/485接口；（3）支持梯形圖、指令列表和功能塊圖等多種語言編寫；（4）體積小、質(zhì)量小、能耗低。

2.1.2 玻璃傳輸系統(tǒng)

玻璃與刻蝕液接觸的時間直接影響刻蝕后的效果，所以玻璃在設(shè)備各個模塊中（尤其是刻蝕模塊）的運行速度必須可以按照刻蝕工藝要求，隨著配方的改變而進行調(diào)整。因此選用步進電機作為動力輸出元件來實現(xiàn)此項功能。電機轉(zhuǎn)動的速度通過PLC給出的脈沖信號進行精密控制，并且此脈沖信號的數(shù)值可以由設(shè)備操作者進行讀寫修改。

2.1.3 刻蝕控制系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

此系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)玻璃刻蝕時對刻蝕液溫度及濃度的控制。由溫控儀、加熱管及溫度傳感器組成溫度控制系統(tǒng)，溫控儀根據(jù)溫度傳感器檢測到的刻蝕液實時溫度通過控制加熱管的啟動與停止，將刻蝕液的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度范圍內(nèi)。濃度控制主要由濃度計及補液泵組成。當(dāng)刻蝕液濃度低于設(shè)定的數(shù)值時補液泵啟動，將酸液槽中的刻蝕液補充到刻蝕模塊中，補充刻蝕過程中損失的刻蝕液；當(dāng)刻蝕液濃度值偏高時，補液泵則向刻蝕模塊中增加去離子水，防止?jié)舛冗^高導(dǎo)致的過量刻蝕。

2.1.4 清洗系統(tǒng)

主要的執(zhí)行機構(gòu)為磁力泵，當(dāng)玻璃運行進入到清洗模塊時，PLC控制噴淋泵依次啟動，將去離子水噴灑到玻璃表面，從而去除殘留的刻蝕液或雜質(zhì)。磁力泵選型時應(yīng)保證潔凈度高，不會污染去離子水。

2.1.5 干燥系統(tǒng)

構(gòu)建此系統(tǒng)時應(yīng)滿足干燥速度快且不會造成二次污染，為此我們選用加熱風(fēng)切的方式。玻璃進入干燥模塊后，啟動待過濾器的風(fēng)機進行去水功能，隨后啟動待加熱器的風(fēng)機將殘留水漬烘干，最后玻璃通過離子風(fēng)槍將表面靜電消除。

2.1.6 人機界面

選用國內(nèi)使用范圍廣泛的EVIEW10英寸彩屏，與同類型觸摸屏相比其具有用戶組態(tài)存儲空間大（最低4M）、采用高速32位RISC CPU、宏指令與標(biāo)準(zhǔn)C語言兼容、具有雙串口，可同時連接不同的PLC、變頻器及伺服驅(qū)動器等且支持打印機。

2.2 軟件編程

三菱FX1N型PLC是系統(tǒng)的核心控制器件，它是設(shè)備控制軟件編寫及運行的物理載體。而設(shè)備控制程序是在三菱專用GX developer程序開發(fā)環(huán)境下，采用常用的梯形圖語言進行編寫的。為了方便設(shè)備的調(diào)試及以后可能出現(xiàn)的維護問題，在進行PLC軟件編寫時，應(yīng)首先將程序分成如表1所示的程序模塊分別進行編寫，待各個模塊編寫調(diào)試完成后再統(tǒng)一進行聯(lián)調(diào)。

表1 程序模塊列表

從上表可以得出，公共程序相當(dāng)于整個程序體的外套，將剩下的5個模塊裝在其中形成一個整體。其中自動控制模塊和手動控制模塊分別處理設(shè)備在自動運行和人工手動控制下的運行方式。當(dāng)設(shè)備進入自動運行狀態(tài)時，自動控制模塊根據(jù)各個輸入信號的狀態(tài)，實時調(diào)用工藝控制和運動控制模塊，保證設(shè)備實現(xiàn)圖1所示的工藝流程，見圖3。當(dāng)操作者需要對設(shè)備手動實施操作時，手動控制模塊則代替自動控制模塊對工藝控制和運動控制模塊進行調(diào)用，實現(xiàn)手動功能。系統(tǒng)報警模塊則獨立于自動及手動控制模塊之外，隨時監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時，實時給出報警信號，防止危機設(shè)備及人身安全。下面只列出了自動控制模塊的程序流程，別的程序模塊在此不再贅述。

圖3 程序流程圖

編程界面如下圖4所示。

圖4 PLC編程界面

本控制系統(tǒng)采用EVIEW觸摸屏為基礎(chǔ)繪制人機界面，主要包括：主界面，手動操作界面，參數(shù)設(shè)定界面，I/O監(jiān)控界面，動作狀態(tài)界面，報警記錄界面，卡片復(fù)位界面等。畫面分為兩層：設(shè)備操作者可以操作系統(tǒng)運行主界面，手動操作界面，報警記錄界面，I/O監(jiān)控界面，動作狀態(tài)界面，卡片復(fù)位界面；只有經(jīng)過授權(quán)擁有密碼的更高級使用者如工藝或維護人員才可以進入?yún)?shù)設(shè)置界面，對系統(tǒng)參數(shù)進行管理。在各個畫面設(shè)計過程中遵循了人機界面設(shè)計的普遍原則：反饋性、狀態(tài)顯示、可脫離性、默認值、復(fù)原性和一致性。圖5是人機界面層次結(jié)構(gòu)圖。

主界面作為最常使用的畫面，顯示了設(shè)備的名稱，時間日期，設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)（運行、待機或報警）。在此界面設(shè)備操作者可以對設(shè)備執(zhí)行啟動、停止、復(fù)位及急停操作。并且通過組界面上的按鈕，可以將畫面切換到手動操作界面，參數(shù)設(shè)定界面，I/O監(jiān)控界面，動作狀態(tài)界面，報警記錄界面，見圖6。

圖5 人機界面層次結(jié)構(gòu)圖

圖6 人機界面繪制圖

手動操作界面可以向操作者提供設(shè)備各個執(zhí)行機構(gòu)的獨立控制功能。包括5個工藝模塊的玻璃傳送電機的啟動停止，刻蝕液加熱啟動停止，補液泵是否進行補液，每個風(fēng)切風(fēng)機的運行停止，各個清洗泵的運行停止等。

參數(shù)設(shè)定界面用來設(shè)置玻璃傳送電機的速度，方便刻蝕工藝的調(diào)整。此界面只有經(jīng)過授權(quán)且擁有密碼的操作者方能對此界面上的參數(shù)進行修改。

I/O監(jiān)控界面將PLC中所有輸入輸出信號采用指示燈的方式在屏幕上顯示出來，方便調(diào)試維護人員及操作者了解系統(tǒng)狀態(tài)。

動作狀態(tài)界面顯示出設(shè)備目前的運行狀態(tài)。操作者在此界面下就可以了解清楚設(shè)備正在運行的工藝，以及玻璃已經(jīng)運行到哪個模塊，每個模塊中是否有玻璃正在處理。

報警記錄界面主要保存了設(shè)備的各種報警記錄，包括報警名稱，時間，是否復(fù)位等信息，根據(jù)需要可以打印出完成報表。

3 結(jié)束語

本控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)以PLC為主控制器，觸摸屏為人機交互界面，采用步進電機控制玻璃傳輸，解決了大尺寸玻璃進出刻蝕液的問題；刻蝕液的溫度及濃度依托溫度控制儀及濃度計進行實施監(jiān)控，通過加熱管和補液泵分別對溫度及濃度變化進行控制。按照以本文所闡述的PLC為核心的控制系統(tǒng)的大尺寸玻璃刻蝕設(shè)備已經(jīng)進入了調(diào)試生產(chǎn)階段，在尺寸為1 100 mm×1 300 mm且厚度在3～6 mm的薄膜玻璃刻蝕生產(chǎn)線中得到了良好的應(yīng)用。此設(shè)備作為一種面向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的鏈?zhǔn)讲ＡЭ涛g設(shè)備，對于我國平板顯示器行業(yè)及薄膜太陽能行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化及國產(chǎn)化都有重要意義。

[1]陳從貴.導(dǎo)電薄膜玻璃基底的清洗工藝設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝.1995.4:29-32.

[2]崔海昱.玻璃襯底多晶硅薄膜太陽電池的制備[J].可再生能源.2008.5:57-59.

[3]韓才新.論光伏玻璃的發(fā)展?jié)摿J].門窗.2012.1:12-15.

[4]于國強.太陽能光伏玻璃特性及應(yīng)用研究[J].科技咨訊.2011.12:107-110.

[5]劉舉慶.濕法制備氧化石墨烯/碳納米管電極的聚合物太陽能電池器件.南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）[J].2010.6:11-12.

[6]梁治齊.實用清洗技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2000.

[7]陳根正.可編程邏輯控制器原理及應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社.1993.