基于EtherCAT 現(xiàn)場總線的PECVD 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龍會躍

（湖南紅太陽光電科技有限公司，長沙410205）

0 引言

近幾年我國光伏電池行業(yè)鍍膜沉積設(shè)備的升級換代迅速發(fā)展，技術(shù)進(jìn)步速度空前，同時(shí)用戶對設(shè)備的產(chǎn)能、自動化、智能化和可定制化等需求也越來越高。為適應(yīng)市場要求，本文提出了一種基于現(xiàn)場總線（FtherCAT）的集散控制系統(tǒng)（DCS）。此控制系統(tǒng)無論硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)均采用了高度模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)具有很好的可靠性和可擴(kuò)展性。

1 PECVD 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PFCVD 設(shè)備主要包括反應(yīng)室、工藝氣體輸送系統(tǒng)、推舟系統(tǒng)、上下料系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。其中控制系統(tǒng)包括溫度控制、真空控制、工藝氣體流量控制和運(yùn)動控制等。操作計(jì)算機(jī)采用通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)選用倍福嵌入式控制器（CX9020）和基于FtherCAT 總線的分布式IO、基于總線的運(yùn)動控制器、溫度控制器和流量控制器。這種架構(gòu)設(shè)計(jì)有利于簡化控制系統(tǒng)信號線路連接，提高系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。下面對各功能模塊的控制方式和聯(lián)鎖保護(hù)進(jìn)行詳細(xì)說明[1]。

1.1 溫度控制

采用帶通訊的串級控制溫控模塊分五段對爐絲進(jìn)行獨(dú)立控制，可精確控制各段加熱區(qū)反應(yīng)管內(nèi)的溫度，控溫精度≤± 1 °C。溫度串級控制以石英管內(nèi)的溫度為直接控制對象，保證了每次工藝時(shí)石英管內(nèi)的溫度精度和重復(fù)性。

1.2 推舟控制

推舟控制系統(tǒng)由密封爐門、水平送舟機(jī)構(gòu)、垂直升降機(jī)構(gòu)、石墨舟、SiC 桿夾持機(jī)構(gòu)四部分組成。密封爐門通過二個(gè)氣缸完成爐門密封過程。由兩個(gè)磁偶式無桿氣桿分別驅(qū)動爐門完成前后及水平方向運(yùn)動。水平送舟機(jī)構(gòu)由精密導(dǎo)軌導(dǎo)向、由伺服電機(jī)、精密行星減速機(jī)、精密同步帶及同步輪組成傳動系統(tǒng)推動SiC 懸臂桿和夾持機(jī)構(gòu)完成水平運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)取舟和送舟動作。由管控倍福系統(tǒng)給伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)懸臂桿在水平方向上平穩(wěn)運(yùn)行，運(yùn)行速度可在10 000 mm/min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)變速，運(yùn)行定位精度≤± 2 mm。

1.3 工藝控制

由操作計(jì)算機(jī)對各管控倍福系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控，整個(gè)工藝過程全自動運(yùn)行，并可對每管的開機(jī)時(shí)間、操作人員、工藝步驟、氣體流量、工藝時(shí)間、爐溫變化趨勢、推舟狀況等各項(xiàng)參數(shù)如實(shí)記錄，其中各項(xiàng)主要工藝參數(shù)每隔3 s 自動記錄一次，其他過程每10 s 記錄一次，同時(shí)具備工藝報(bào)警信息、操作事件查詢功能。各機(jī)臺具備組網(wǎng)監(jiān)控功能，可由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)石墨舟統(tǒng)計(jì)，遠(yuǎn)程上傳、下載、查看、編輯工藝文件和歷史記錄等功能。

1.4 聯(lián)鎖保護(hù)

工藝管超溫（或熱電偶斷偶）保護(hù)：溫控模塊除了控制溫度外還具有溫度保護(hù)功能，根據(jù)需要手動設(shè)置溫度保護(hù)值適當(dāng)高于使用溫度值，其溫度保護(hù)動作精度可精確到0.1 ℃，當(dāng)反應(yīng)管內(nèi)溫度超出保護(hù)值時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出聲、光報(bào)警，并自動切斷爐絲加熱回路，同時(shí)在計(jì)算機(jī)的顯示屏上會有相應(yīng)控溫段的超溫提示，使用者一看便可立即知道是哪一段爐絲超溫。

流量偏差報(bào)警：為確保工藝的精確性和工藝重復(fù)性，系統(tǒng)設(shè)有流量偏差報(bào)警，當(dāng)工藝氣體的流量與其設(shè)定值相差過大（可根據(jù)需要手動設(shè)置）時(shí)，計(jì)算機(jī)將發(fā)出提示報(bào)警。

工藝參數(shù)保護(hù)：計(jì)算機(jī)的工藝運(yùn)行窗口設(shè)有密碼，只有相應(yīng)等級的工藝人員或相關(guān)管理人員才能修改或調(diào)出工藝參數(shù)，可防止工藝泄密及操作員工誤操作運(yùn)行工藝。

斷電保護(hù)功能（選配）：設(shè)備可選配UPS 電源為控制系統(tǒng)提供斷電保護(hù)功能，以應(yīng)對電網(wǎng)可能出現(xiàn)的停電、壓降、持續(xù)欠壓、線噪等狀況，整機(jī)斷電后控制系統(tǒng)至少可以維持30 min[2]。

2 PECVD 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足客戶對軟件使用、維護(hù)、升級要求，開發(fā)一套具有符合SFMI 標(biāo)準(zhǔn)要求的PFCVD 設(shè)備控制軟件，實(shí)現(xiàn)對PFCVD 的穩(wěn)定可靠控制，滿足設(shè)備功能、性能、生產(chǎn)效率、故障自動處理等要求。

如圖1，PFCVD 設(shè)備控制軟件基于操作計(jì)算機(jī)和設(shè)備控制計(jì)算機(jī)來開發(fā)與運(yùn)行，并能夠與第三方系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其中，操作機(jī)為設(shè)備操作者提供GUI 界面。設(shè)備控制計(jì)算機(jī)機(jī)主要用于控制PFCVD設(shè)備的各硬件部件和功能模塊。

操作計(jì)算機(jī)軟件必須為PFCVD 各子系統(tǒng)的周期性、確定性的（每次都要相同），實(shí)時(shí)性的控制提供通用引擎。其中包含面向?qū)ο蟮墓δ苣K庫及特殊硬件部件的I/O 庫。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)流程圖

PFCVD 軟件采用模塊化分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)的軟件架構(gòu)有利于建立職責(zé)清晰，分工明確的軟件團(tuán)隊(duì)，有利于功能擴(kuò)展、升級和功能定制化需求。分層結(jié)構(gòu)有利于簡化數(shù)據(jù)接口，各功能模塊功能解耦，實(shí)現(xiàn)真正的獨(dú)立。

該軟件系統(tǒng)分成了二十多個(gè)高內(nèi)聚低耦合的獨(dú)立模塊，模塊采用COM 組件構(gòu)架，可單獨(dú)運(yùn)行，便于團(tuán)隊(duì)分工合作進(jìn)行開發(fā)測試。

其中，設(shè)備控制計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)模型，包括物理層、邏輯層和通信層。

物理層主要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備硬件進(jìn)行操作與控制，主要包括IO 模塊、溫度控制器模塊和運(yùn)動控制器模塊等。物理層將采集的設(shè)備全部數(shù)據(jù)組合成一個(gè)Json 數(shù)據(jù)包，并封裝一個(gè)接口函數(shù)供邏輯層調(diào)用。同時(shí)，物理層還封裝了一個(gè)輸入接口函數(shù)供邏輯層調(diào)用，接收來自邏輯層的操作命令。

邏輯層主要任務(wù)是完成設(shè)備的全部邏輯控制功能，主要包括：硬件配置功能模塊、整機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)功能模塊、事件報(bào)警處理模塊和工藝任務(wù)功能模塊等。邏輯層提供的接口與物理層的接口類似，供通信層調(diào)用，實(shí)現(xiàn)與通信層之間的數(shù)據(jù)交互。

通信層的功能相對簡單，采用Socket 通信方式。設(shè)計(jì)一個(gè)Socket 服務(wù)端，設(shè)置好本機(jī)的ip 和監(jiān)聽的端口與Socket 進(jìn)行綁定，開始監(jiān)聽連接請求，當(dāng)接收到連接請求后，發(fā)送確認(rèn)，同客戶端建立連接，開始與客戶端進(jìn)行通信。

3 結(jié)論

基于FtherCAT 現(xiàn)場總線的PFCVD 控制系統(tǒng)采用高實(shí)時(shí)性的總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簡化了控制系統(tǒng)的信號布線，提升了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。軟件系統(tǒng)采用分層模塊化設(shè)計(jì)，并具有SIMF 標(biāo)準(zhǔn)的工廠自動化接口，使設(shè)備能很好接入自動化大生產(chǎn)線。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。