離線鍍膜玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 程

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)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(jì)與應(yīng)用

王 程

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)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(guò)程工藝復(fù)雜,自動(dòng)化程度要求較高。該文針對(duì)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(diǎn)詳細(xì)闡述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與運(yùn)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(xué)性能,使得玻璃對(duì)可見(jiàn)光有較高的通過(guò)率的同時(shí)對(duì)紅外線有較高的反射率[1]。通過(guò)膜系的優(yōu)化設(shè)計(jì),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(xué)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(chǎng)上也占有主導(dǎo)地位,理論產(chǎn)能高達(dá)15 000萬(wàn)m2[3],其特點(diǎn)是該技術(shù)相對(duì)成熟穩(wěn)定,可滿足復(fù)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(guò)對(duì)采用磁控濺射法的離線鍍膜玻璃生產(chǎn)線的特點(diǎn)分析,建立一整套控制系統(tǒng)架構(gòu),并在各關(guān)鍵控制點(diǎn)也做了重點(diǎn)介紹。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)規(guī)模較大,現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)數(shù)量眾多,按功能可劃分為真空系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、陰極電源系統(tǒng)。為便于細(xì)化控制任務(wù),提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率,主控CPU采用了兩臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的西門子S7-400PLC。其中一個(gè)CPU負(fù)責(zé)傳動(dòng)系統(tǒng),另一臺(tái)CPU負(fù)責(zé)真空系統(tǒng)和陰極與電源系統(tǒng)。

控制器與上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示,兩臺(tái)PLC通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)監(jiān)控程序通訊,而兩臺(tái)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(jì)是因?yàn)樯衔粰C(jī)與PLC的通訊量較大,PLC之間的信號(hào)傳輸復(fù)用這一通道會(huì)大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,進(jìn)一步拖慢系統(tǒng)的運(yùn)行周期從而影響生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間,因此為PLC之間信號(hào)交互建立獨(dú)立的通訊通道是必要的。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(duì)陰極在濺射過(guò)程中電磁環(huán)境復(fù)雜的情況,為消除信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),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(gè),每個(gè)蓋板單元集成有獨(dú)立的遠(yuǎn)程智能從站與CPU通訊。若直接采用總線型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不利于擴(kuò)展和蓋板位置調(diào)換,因此,設(shè)計(jì)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(kuò)展。

模塊化的蓋板單元設(shè)計(jì)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(dòng)識(shí)別,在監(jiān)控級(jí)必須自適應(yīng)做出調(diào)整,以方便工藝人員對(duì)設(shè)備有正確直觀的把握。實(shí)現(xiàn)的方法是通過(guò)將每個(gè)蓋板位設(shè)置一個(gè)唯一的電子銘牌,當(dāng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給主控CPU。通過(guò)這個(gè)方式控制系統(tǒng)能識(shí)別每個(gè)蓋板所在位置,在監(jiān)控級(jí)也要把相應(yīng)的結(jié)果輸出到監(jiān)控界面上。針對(duì)該項(xiàng)目可以通過(guò)在畫面中設(shè)置腳本的方式實(shí)現(xiàn),具體的做法是使蓋板屏幕坐標(biāo)按照位置編碼進(jìn)行動(dòng)態(tài)變更,一旦蓋板位置對(duì)調(diào),蓋板內(nèi)包括分子泵或者陰極信息整體都會(huì)根據(jù)實(shí)際變動(dòng)而在監(jiān)控屏幕上進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整,使得監(jiān)控界面能夠?qū)崟r(shí)反映生產(chǎn)線最新?tīng)顟B(tài)。

以CPU414為核心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是針對(duì)生產(chǎn)線傳輸過(guò)程的控制,主要控制對(duì)象包括翻版門閥、各區(qū)域光電傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)和變頻驅(qū)動(dòng)。該生產(chǎn)線腔體內(nèi)部傳動(dòng)采用西門子S120系列伺服驅(qū)動(dòng),該系列精度高、運(yùn)行穩(wěn)定,能充分適應(yīng)離線鍍膜傳動(dòng)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(jī)選用SEW異步電機(jī),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(shí)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(guò)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(qiáng)度電場(chǎng),使工藝氣體產(chǎn)生輝光放電,氣體分子等離子化后在電場(chǎng)與磁場(chǎng)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(lái)的靶材粒子在重力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)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(gè)陰極,其中旋轉(zhuǎn)陰極六個(gè)制備金屬化合物膜系,對(duì)應(yīng)濺射電源選用120 k W中頻電源,陰極電源采用一對(duì)一方式匹配。另外三個(gè)平面陰極配合三個(gè)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(duì)安全控制通過(guò)在陰極單元設(shè)定跳線回路,并把跳線回路通過(guò)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(hù)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(guò)程控制

根據(jù)磁控濺射工藝需要,鍍膜環(huán)境需要在一個(gè)高真空狀態(tài)下進(jìn)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(duì)真空泵組的控制是根據(jù)各泵特性進(jìn)行順序控制并綜合考慮異常報(bào)警的處理。

該生產(chǎn)線對(duì)真空過(guò)程的控制包含對(duì)各級(jí)真空泵的順序控制及異常保護(hù),真空系統(tǒng)分三級(jí),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(yán)格,必須在軟硬件層面對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)。

通常情況下,旋片泵最先啟動(dòng),當(dāng)腔體中真空度到達(dá)50 mbar以下可以啟動(dòng)羅茨泵,當(dāng)真空度進(jìn)一步達(dá)到5×10-2mbar時(shí)可以啟動(dòng)分子泵。關(guān)泵則是開(kāi)泵的逆過(guò)程,當(dāng)某一時(shí)刻腔體真空度到達(dá)泵設(shè)定保護(hù)的臨界值時(shí),程序觸發(fā)連鎖保護(hù),保障泵不受到損壞。機(jī)組啟動(dòng)之前,針對(duì)泵組的操作均為手動(dòng)模式,當(dāng)機(jī)組生產(chǎn)工藝開(kāi)始后轉(zhuǎn)為自動(dòng)模式,此時(shí)抽空與破空過(guò)程依照玻璃輸送自動(dòng)進(jìn)行。對(duì)于在正常生產(chǎn)模式下的破空只針對(duì)進(jìn)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(duì)腔體進(jìn)行破空,其優(yōu)點(diǎn)在于干燥空氣中不含水,水的存在會(huì)影響抽真空效果,使用干燥空氣破空后對(duì)下一次抽真空起到了提高效率的作用,同時(shí)壓力干燥空氣對(duì)破空的速度也會(huì)有一定的提升。

1.3 傳動(dòng)控制系統(tǒng)

傳動(dòng)控制分為腔體內(nèi)部伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器S120通過(guò)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(zhǎng)度計(jì)算:通過(guò)在入口室內(nèi)的2對(duì)高精度對(duì)射式光電開(kāi)關(guān),測(cè)量每組玻璃行進(jìn)方向的長(zhǎng)度。針對(duì)分組排放的玻璃,測(cè)量長(zhǎng)度為玻璃前后最大跨距;在緩沖室同樣的測(cè)量過(guò)程將會(huì)重復(fù),目的是與先前測(cè)量結(jié)果比對(duì),如果測(cè)量誤差超出設(shè)定閾值,系統(tǒng)會(huì)提示報(bào)警,如誤差在范圍內(nèi)則取兩次測(cè)量均值。

2)玻璃間距控制:在鍍膜段傳輸過(guò)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(shí)要求距離可控,那么系統(tǒng)通過(guò)在鍍膜段的進(jìn)口區(qū)兩段可變速的輥道實(shí)現(xiàn)玻璃間距控制。通過(guò)記錄玻璃位置與節(jié)拍時(shí)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(jì)算:玻璃在腔體中的位置要根據(jù)計(jì)算時(shí)得出數(shù)據(jù)并顯示在上位機(jī)上,目的是幫助工藝調(diào)試人員把握玻璃走向,系統(tǒng)通過(guò)中斷程序與伺服電機(jī)編碼器反饋值記錄每組玻璃運(yùn)行情況,對(duì)玻璃實(shí)現(xiàn)跟蹤定位。在單片模式下通過(guò)跟蹤確定玻璃的位置,在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示玻璃的位置與長(zhǎng)度和編號(hào);在成組模式下,程序利用跟蹤進(jìn)行鍋長(zhǎng)識(shí)別,在C1、C2腔體中通過(guò)測(cè)長(zhǎng)完成鍋信息的建立,在C3和C5腔體中利用鍋信息進(jìn)行加速跟進(jìn)和分離等控制。

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

5)報(bào)警系統(tǒng)與異常處理:針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的報(bào)警可分為配電報(bào)警、伺服電機(jī)報(bào)警、跟蹤計(jì)算報(bào)警、傳輸碰撞報(bào)警等。配電系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警通常是指伺服系統(tǒng)的供電出現(xiàn)異常,此時(shí)如果處于生產(chǎn)模式系統(tǒng)會(huì)立即調(diào)用中斷程序結(jié)束自動(dòng)生產(chǎn)并關(guān)閉濺射電源保持各腔體原始?jí)簭?qiáng)。伺服電機(jī)報(bào)警涵蓋的內(nèi)容較多,比如電機(jī)過(guò)載、伺服通訊錯(cuò)誤等,若發(fā)生此類錯(cuò)誤在監(jiān)控界面相關(guān)的電機(jī)圖標(biāo)會(huì)閃爍提示報(bào)警,操作員可根據(jù)報(bào)警選擇下一步操作,如果問(wèn)題不嚴(yán)重可以直接復(fù)位驅(qū)動(dòng)器消除報(bào)警。在位置跟蹤過(guò)程中也有可能觸發(fā)程序報(bào)警,當(dāng)玻璃長(zhǎng)度計(jì)算超過(guò)一定值(大于腔體)此時(shí)會(huì)出現(xiàn)超長(zhǎng)報(bào)警,出現(xiàn)超長(zhǎng)報(bào)警后操作員要及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)排查是否與實(shí)際相符合,如果是誤信號(hào),操作員可恢復(fù)消除報(bào)警放走玻璃。如果確實(shí)超長(zhǎng)此時(shí)必須切換到本地或手動(dòng)模式下移出玻璃。傳輸碰撞報(bào)警是為了極大程度降低門閥與玻璃的碰撞可能。當(dāng)玻璃接近門閥后,如果門閥未開(kāi)啟必須無(wú)條件停止該電機(jī)的運(yùn)行,且如果玻璃處于門閥下方時(shí),有相關(guān)人員觸發(fā)關(guān)閉門閥操作也必須觸發(fā)報(bào)警并使得操作無(wú)效,保證設(shè)備安全,提高生產(chǎn)效率。

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

1.4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

操作員或工藝工程師通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)分析電源陰極運(yùn)行情況、玻璃傳輸過(guò)程及真空過(guò)程的情況,所以設(shè)計(jì)具有良好人機(jī)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(jìn)行上位機(jī)組態(tài),軟件具備生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控,系統(tǒng)報(bào)警,數(shù)據(jù)庫(kù)歸檔等功能。

2 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)以兩臺(tái)S7400系列CPU為上位機(jī),運(yùn)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(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)化程度高,能有效的幫助工藝工程師指導(dǎo)和調(diào)試生產(chǎn)。目前該生產(chǎn)線已經(jīng)在國(guó)內(nèi)玻璃加工單位成功投產(chǎn),各項(xiàng)控制性能運(yùn)行穩(wěn)定,達(dá)到國(guó)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(jiǎn)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(jìn)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(xué)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