離線鍍膜玻璃生產線控制系統設計與應用

王 程

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

離線鍍膜玻璃生產線控制系統設計與應用

王 程

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

離線鍍膜玻璃生產線利用磁控濺射法生產鍍膜玻璃,該過程工藝復雜,自動化程度要求較高。該文針對生產線硬件結構和控制策略的分析,提出主控制器采用基于西門子S7-400PLC的雙CPU協同的控制模式,并結合真空系統、伺服控制系統、磁控濺射陰極電源系統等子系統的特點詳細闡述控制系統設計方案與運行原理。

磁控濺射; S7-400PLC; 控制系統

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,以改變玻璃的光學性能,使得玻璃對可見光有較高的通過率的同時對紅外線有較高的反射率[1]。通過膜系的優化設計,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、物理化學氣相沉積法、真空蒸發法等。其中磁控濺射法多用于離線生產,在市場上也占有主導地位,理論產能高達15 000萬m2[3],其特點是該技術相對成熟穩定,可滿足復雜膜系的工藝要求,膜層的附著力也較早期有了很大提升。

該文通過對采用磁控濺射法的離線鍍膜玻璃生產線的特點分析,建立一整套控制系統架構,并在各關鍵控制點也做了重點介紹。

1 控制系統總體設計

生產線的電氣控制系統規模較大,現場控制點數量眾多,按功能可劃分為真空系統、傳動系統、陰極電源系統。為便于細化控制任務,提高系統的運行效率,主控CPU采用了兩臺獨立運行的西門子S7-400PLC。其中一個CPU負責傳動系統,另一臺CPU負責真空系統和陰極與電源系統。

控制器與上位機網絡如圖1所示,兩臺PLC通過以太網與上位機監控程序通訊,而兩臺PLC之間的數據交換則由一條專用以太網通訊通道完成。這樣設計是因為上位機與PLC的通訊量較大,PLC之間的信號傳輸復用這一通道會大大降低數據傳輸的實時性,進一步拖慢系統的運行周期從而影響生產節拍時間,因此為PLC之間信號交互建立獨立的通訊通道是必要的。

現場級的控制系統結構如圖2和圖3所示,在以CPU416為控制核心的網絡系統中,針對陰極在濺射過程中電磁環境復雜的情況,為消除信號干擾保證通訊正常有效,系統采用光纖通訊。利用OLM設備將DP電信號轉換為光信號,集成在陰極的控制器具備光纖接口可直接與OLM設備連接。圖2為CPU416網絡系統示意圖。

生產線分子泵蓋板單元數量為20個,每個蓋板單元集成有獨立的遠程智能從站與CPU通訊。若直接采用總線型的網絡拓撲結構不利于擴展和蓋板位置調換,因此,設計具有星型結構的網絡更便于電氣安裝以及后期蓋板位置調整和數量擴展。

模塊化的蓋板單元設計不僅僅要便于安裝與互換,在控制系統層面,這種互換性必須要被主動識別,在監控級必須自適應做出調整,以方便工藝人員對設備有正確直觀的把握。實現的方法是通過將每個蓋板位設置一個唯一的電子銘牌,當蓋板安裝到某一安裝位后,蓋板內部的控制器采集電子銘牌信息,轉化為數字編碼通過現場總線傳輸給主控CPU。通過這個方式控制系統能識別每個蓋板所在位置,在監控級也要把相應的結果輸出到監控界面上。針對該項目可以通過在畫面中設置腳本的方式實現,具體的做法是使蓋板屏幕坐標按照位置編碼進行動態變更,一旦蓋板位置對調,蓋板內包括分子泵或者陰極信息整體都會根據實際變動而在監控屏幕上進行自動調整,使得監控界面能夠實時反映生產線最新狀態。

以CPU414為核心的網絡系統是針對生產線傳輸過程的控制,主要控制對象包括翻版門閥、各區域光電傳感器、伺服驅動和變頻驅動。該生產線腔體內部傳動采用西門子S120系列伺服驅動,該系列精度高、運行穩定,能充分適應離線鍍膜傳動的工藝需要。上下片區輸送采用變頻控制,變頻器選用西門子MM440,電機選用SEW異步電機,控制模式采用的是帶編碼器的閉環速度控制,控制精度接近伺服控制水平,在滿足工藝要求的同時有效的降低了成本。圖3為CPU414網絡系統示意圖。

1.1 磁控濺射工藝控制

磁控濺射過程是在真空環境下充入工藝氣體(通常情況下選擇氦氣),在陰極兩端施加設定強度電場,使工藝氣體產生輝光放電,氣體分子等離子化后在電場與磁場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。濺射出來的靶材粒子在重力、電場、磁場的作用下射向玻璃基板表面,并最終沉積成膜[4]。

該生產線初始配置提供生產單銀可鋼化鍍膜玻璃。按工藝要求選用九個陰極,其中旋轉陰極六個制備金屬化合物膜系,對應濺射電源選用120 k W中頻電源,陰極電源采用一對一方式匹配。另外三個平面陰極配合三個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。針對安全控制通過在陰極單元設定跳線回路,并把跳線回路通過硬連接的方式與相匹配的電源的安全回路接連,使濺射系統軟硬件出現一系列警告或故障情況下能夠自我關斷輸出,從而保護相關人員和設備安全。具體磁控濺射控制的功能如圖4所示。

1.2 真空過程控制

根據磁控濺射工藝需要,鍍膜環境需要在一個高真空狀態下進行。因此,必須依靠一系列真空泵組合維持真空狀態,軟件對真空泵組的控制是根據各泵特性進行順序控制并綜合考慮異常報警的處理。

該生產線對真空過程的控制包含對各級真空泵的順序控制及異常保護,真空系統分三級,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格,必須在軟硬件層面對設備進行有效保護。

通常情況下,旋片泵最先啟動,當腔體中真空度到達50 mbar以下可以啟動羅茨泵,當真空度進一步達到5×10-2mbar時可以啟動分子泵。關泵則是開泵的逆過程,當某一時刻腔體真空度到達泵設定保護的臨界值時,程序觸發連鎖保護,保障泵不受到損壞。機組啟動之前,針對泵組的操作均為手動模式,當機組生產工藝開始后轉為自動模式,此時抽空與破空過程依照玻璃輸送自動進行。對于在正常生產模式下的破空只針對進片區C1和出片區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腔體進行破空,其優點在于干燥空氣中不含水,水的存在會影響抽真空效果,使用干燥空氣破空后對下一次抽真空起到了提高效率的作用,同時壓力干燥空氣對破空的速度也會有一定的提升。

1.3 傳動控制系統

傳動控制分為腔體內部伺服驅動控制和外部變頻控制兩部分,伺服控制系統是伺服驅動器S120通過Profibus將數據傳輸給CPU414,由CPU統一控制各腔室傳送站,主要完成的功能有:

1)玻璃長度計算:通過在入口室內的2對高精度對射式光電開關,測量每組玻璃行進方向的長度。針對分組排放的玻璃,測量長度為玻璃前后最大跨距;在緩沖室同樣的測量過程將會重復,目的是與先前測量結果比對,如果測量誤差超出設定閾值,系統會提示報警,如誤差在范圍內則取兩次測量均值。

2)玻璃間距控制:在鍍膜段傳輸過程中,根據工藝需要,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,同時要求距離可控,那么系統通過在鍍膜段的進口區兩段可變速的輥道實現玻璃間距控制。通過記錄玻璃位置與節拍時間差值算出追趕速度與減速位移,從而確定間距。

3)玻璃位置計算:玻璃在腔體中的位置要根據計算時得出數據并顯示在上位機上,目的是幫助工藝調試人員把握玻璃走向,系統通過中斷程序與伺服電機編碼器反饋值記錄每組玻璃運行情況,對玻璃實現跟蹤定位。在單片模式下通過跟蹤確定玻璃的位置,在監控界面上實時顯示玻璃的位置與長度和編號;在成組模式下,程序利用跟蹤進行鍋長識別,在C1、C2腔體中通過測長完成鍋信息的建立,在C3和C5腔體中利用鍋信息進行加速跟進和分離等控制。

4)生產過程控制:生產過程是自動完成的,各傳送站根據工藝過程要求與各腔室門閥、光電開關協同,完成玻璃輸送。

5)報警系統與異常處理:針對傳動系統的報警可分為配電報警、伺服電機報警、跟蹤計算報警、傳輸碰撞報警等。配電系統發生報警通常是指伺服系統的供電出現異常,此時如果處于生產模式系統會立即調用中斷程序結束自動生產并關閉濺射電源保持各腔體原始壓強。伺服電機報警涵蓋的內容較多,比如電機過載、伺服通訊錯誤等,若發生此類錯誤在監控界面相關的電機圖標會閃爍提示報警,操作員可根據報警選擇下一步操作,如果問題不嚴重可以直接復位驅動器消除報警。在位置跟蹤過程中也有可能觸發程序報警,當玻璃長度計算超過一定值(大于腔體)此時會出現超長報警,出現超長報警后操作員要及時到現場排查是否與實際相符合,如果是誤信號,操作員可恢復消除報警放走玻璃。如果確實超長此時必須切換到本地或手動模式下移出玻璃。傳輸碰撞報警是為了極大程度降低門閥與玻璃的碰撞可能。當玻璃接近門閥后,如果門閥未開啟必須無條件停止該電機的運行,且如果玻璃處于門閥下方時,有相關人員觸發關閉門閥操作也必須觸發報警并使得操作無效,保證設備安全,提高生產效率。

變頻控制系統針對上下片輸送區域,主控CPU414同樣通過Profibus總線控制各變頻器MM440,主要實現玻璃傳輸、玻璃清洗、在線檢測、分區等待等功能。

1.4 上位機監控系統

操作員或工藝工程師通過上位機實時分析電源陰極運行情況、玻璃傳輸過程及真空過程的情況,所以設計具有良好人機交互界面的監控系統尤為必要。該系統使用西門子Wincc軟件進行上位機組態,軟件具備生產過程監控,系統報警,數據庫歸檔等功能。

2 結 語

該系統以兩臺S7400系列CPU為上位機,運用了以太網,星型總線,光纖鏈路等多樣的通訊手段,并利用Wincc組態上位機實現對整條生產線的監控與數據備份。整套控制系統自動化程度高,能有效的幫助工藝工程師指導和調試生產。目前該生產線已經在國內玻璃加工單位成功投產,各項控制性能運行穩定,達到國內領先水平。

[1] 喻泰益,凌 云,宋東球.基于S7-400PLC的鍍膜玻璃生產線控制系統[J].控制工程,2009,16(6):655-658.

[2] 潘 偉.LOW-E中空玻璃節能原理的簡述[J].玻璃,2007,34(1):60-63.

[3] 管世鋒,周秋林,張浙軍.離線鍍膜玻璃的現狀與技術進步[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