ZSN-800AG2電子束蒸發鍍膜機程序化自動控制系統的設計

2013-09-13 汪光武北京北儀創新真空技術有限責任公司

　　本文對ZSN-800AG2 電子束蒸發鍍膜機的控制系統進行了設計，重點對應用iFix 組態軟件實現工藝過程用戶可編程序化的自動控制方法設計以及數據存儲和趨勢曲線顯示等做了設計分析，完成了整機的工藝試驗。設備使用證明控制系統界面清晰友善、編程簡單、操作方便、數據查閱迅速、系統穩定可靠、工藝重復性好，達到了設計目的。

　　隨著科技水平的不斷創新發展，薄膜技術不斷提高，減反射膜的應用越來越廣，也越來越重要了。近年來，能源緊缺已成為全球性話題。太陽能是我們可以用之不盡的綠色能源，是我們解決可持續性發展不可或缺的重要方面。其中各種太陽電池的研發試驗與規模化生產都在飛速發展，太陽電池轉換率穩步提高。效能提高的背后，包含了光學減反射膜的貢獻。越寬越高的光譜透射率帶來越高的電池轉換率。我公司生產的ZSN-800AG2 電子束蒸發鍍膜機就是一種專為航天技術領域應用研發的高端PVD設備，它通過對基底沉積的減反射膜層提高并拓寬電池對光譜的接收效能，從而提高太陽電池的轉換率。

　　ZSN-800AG2 電子束蒸發鍍膜機并不是以試驗或生產高端的光學窄帶濾波片或其它光學鏡片等為設計目標的純光學鍍膜機產品，而是為航天用GaAs 太陽電池提高接收光譜效能提供的減反射層膜的沉積，并同時增強保證太陽電池電極層和基底間的牢固度而設計的試驗生產型設備，它不需要光學控制方式。因此，必須在控制系統光控以外的性能及功能上有所突破。ZSN-800AG2的設計在對高性能GaAs 太陽電池不同減反射層沉積提供精確的自動膜層蒸發控制同時，該設備還要將真空系統與多種鍍膜工藝融為一體，實現一鍵按順序啟動用戶隨心設置的多個功能塊子程序連續或重復執行，并將參數配方、歷史數據及曲線、工作狀態及報警記錄等存儲在工控機里，為分析和提高GaAs 太陽電池鍍膜工藝水準提供充分的數據依據。

1、整體系統結構組成

　　整體系統結構如圖1 所示。真空室是圓筒形前開門結構;真空系統主泵為低溫泵，配羅茨泵和機械泵機組;工件架由變頻調速的三相交流電機驅動;下烘烤碘鎢燈溫度參數通過串口進行數據傳送;電子槍是美國Telemark 公司的4 穴永磁偏轉電子槍以及配套電源等;1 路模擬量控制的質量流量計;沉積速率由Inficon 公司的膜厚控制器控制，配雙晶體探頭;數顯真空計采用通訊控制;PLC 為整個控制系統的核心;人機界面采用工控機及iFix4.5 組態軟件等。

系統示意圖

圖1 系統示意圖

2、控制系統軟硬件選型設計

　　高性能光學鍍膜機在要求性能指標高，系統工作穩定、可靠的同時，靈活的、人性化的用戶可編程程序設計自動控制方式是一個發展方向。過去通常的自動控制設計方法是固定程序，即啟動某個開關只能執行這個開關的自動程序功能，不能變更它的進程。若要執行新的功能程序就要啟動其它的輸入開關。而ZSN-800AG2 工藝過程實現用戶自主可編程序化設計是我們的目標，也是用戶的要求。按照不同工藝沉積進程，設備操作者或者更高級權限的管理者可以人為地編制工藝子程序，設置程序參數，并有選擇地組合功能子程序來一鍵完成或重復完成某個過程工藝。為達到此目的，模塊化編程及子程序調用比過去簡單的時間順序編程方式有著無比的優越性，特別對于復雜的控制系統尤顯突出。

　　根據整體結構配置，要滿足系統實際需求，系統各部件的全部主要工藝參數均能采集到工控機中，進行預設置或實時顯示并存儲的特點。通過優化，我們確定了控制系統采用的以下主要組成部分。

　　(1)做為ZSN-800AG2 系統控制核心的PLC，選用CJ2M-CPU33 具有功能強、工作速度快、精度高、模塊化的特點，充分滿足設備的整體控制要求。另外它自帶以太網口的配置，數據傳輸速度快、性價比好，適合與工控機使用以太網線的高速通訊方式，保障了大量工藝數據的高速傳輸，可以使人機界面控制的響應速度等得以體現。

　　(2)數據的存儲采用ACCESS 數據庫完成，適合ZSN-800AG2 控制系統較大數據量的存儲，方便用iFix 組態軟件按控制需求分時段顯示對應數據，也便于查找。當然也可用常見的Microsoft OfficeAccess 軟件離線查看所有歷史記錄。

　　(3)系統應用的iFix 組態軟件是一個運行穩定、功能強大、性能優越的應用控制平臺，很適合在此平臺上快速完成ZSN-800AG2 控制系統的設計，能在較短生產周期內開發出美觀實用較復雜的人機交互監控操作界面。

3、軟件設計

　　3.1、模塊化程序軟件設計

　　程序化設計在于主程序和被調用的各個功能模塊和子程序的編寫。功能模塊主要應用于PLC 編程，子程序主要用于iFix 組態軟件中VBA腳本的編寫。每個模塊或子程序都有對應的輸入輸出接口用來傳遞數據和控制模塊的執行條件或完成情況。ZSN-800AG2 控制系統根據實際用戶需求，PLC 程序要應用很多個功能模塊或子程序。設計時我們把它們都分別賦予各自的編號，并與操作界面工藝子程序一一對應。主程序隨著每個工藝進程步驟的結束或目的標記置位，程序指針自動指向下一個功能模塊或子程序，直到最后完成當前全部選擇的工藝子程序步后，等待命令或直接返回開始，再次重復執行全部選擇的工藝子程序。等待時，在界面還可以重新選擇新的工藝子程序并修改配方參數。圖2 是PLC 主程序的工藝程序流程框圖。例如，當操作者在界面上已經選擇好要執行的某個或數個連續的工藝子程序時，確認它們的參數后，輸入啟動命令，首先第一個子程序指針被確定，iFix 把這個指針指向傳遞給PLC 程序，PLC 自動比較尋找這個功能模塊或子程序，當該模塊或子程序的條件滿足時，由主程序調用這個進程模塊直到完成該模塊功能，然后修定指針，進入下一個子程序循環或等待命令。每執行一個動作時，系統提示區按時間順序記錄了該動作的內容，逐條地在界面顯示出來。

工藝程序流程圖

圖2 工藝程序流程圖

　　3.2、數據存儲及實時趨勢曲線顯示

　　所有的工藝數據最終都要永久地存儲在工控機硬盤的Access 數據庫文件中，才能便于隨時調用或查看分析處理。ZSN-800AG2 控制系統的報警信息、工藝配方、實時數據等都是自動進行存儲的。每出現或解決一個報警，每確定或修改一組數據，即刻添加或修改對應的存儲記錄。執行蒸發工藝過程中，每秒鐘添加一組實時工藝參數記錄，包括發生的日期和時間等。這樣的設計有利于每批次的設定參數和實時參數比對，容易快速發現鍍膜工藝中的問題。

　　采集到的實時數據量可以與iFix 圖表和趨勢圖的鏈接聯系起來，用圖表和趨勢曲線把它們分別顯示出來，這種直觀的顯示非常有利于觀察把握工作進程，發現問題并立即采取措施。用iFix 組態軟件實現這些設計，對于ZSN-800AG2 硬件控制系統來說，我們在工控機上進行了FinsGetway 以太網口驅動程序的安裝及配置，也預先編制了Access 數據庫所需各種表格文件的模板，并分別使這些模板中參量位置和數量與iFix 數據庫SQD 數據塊變量一一對應以備存儲或刷新數據。在此基礎上，我們可以在畫面中加入控件并配置，以及相應簡單的VBA 腳本程序完成所需數據和圖形的設計。這樣的設計方法顯然比完全用VB 或VC 等編寫程序要來的直接快捷簡便多了。

　　3.3、工藝數據傳送

　　設備最大量的數據主要來自蒸發工藝中的工作參數，如真空度、溫度、旋轉速度、充氣量、蒸發速率、蒸發功率、膜層厚度等等。要與每個控制器、電源和儀表等傳遞數據，串口通訊技術是最常用的手段。但設計時有必要對全部數據量分組或合并優化，針對不同時段、不同組的數據打包，用幾個接口分別獨立傳送以可靠地提高工作傳輸效率，滿足系統較大量數據傳輸的要求。

　　ZSN-800AG2 控制系統中，總共有5 個控制器的數據需要通訊傳輸。優化后我們用工控機和PLC自帶的4 個串口完成了這些工作。其中溫度參數和轉速參數的通訊量是相對比較少的，共用了一個物理接口，實踐證明是快速可靠的。

　　3.4、安全及保護設計

　　安全保護系統對任何儀器設備都是很重要的。為保證整機設備和人身安全，對于用戶來說，我們設計分配了2 級的安全級別，即管理者和操作者。管理者可以修改工藝和參數，而操作者只能執行程序，查閱程序參數。

　　不論是工作在自動工作方式，還是手動維護方式，輸出量的互鎖保護都是非常重要的。為防止誤操作，我們設計了互鎖電路和程序互鎖的2 級互鎖。條件不充分按錯鍵時，系統給予提示不執行錯誤命令。系統中還增添了某些重要參數的安全區域報警或警告。通過紅黃綠三色報警燈和訊響器的控制動作，分別實現各種情況的警示。如工藝過程中工藝氣體充氣流量稍低于設定流量時，給予黃燈訊響警告仍然繼續工作，壓力恢復后流量轉為正常，綠色指示燈亮。但當流量低于設定的下限時，紅燈點亮報警，停止工藝進程。

4、結論

　　ZSN-800AG2 鍍膜機通過用戶的使用和生產，證明整個程序化自動控制系統滿足了用戶的使用要求。控制系統界面清晰友善、編程簡單、操作方便、數據查閱迅速、系統穩定可靠、工藝重復性好，光學減反射膜層的透射率等性能指標完全符合航天高性能GaAs 太陽電池的要求，并為今后提高GaAs 太陽電池的減反射膜層性能提供了良好的平臺。

　　盡管如此，電子束蒸發鍍膜機的發展在國內已有幾十年，技術雖不斷提高，但比較國外先進技術還有一定差距，特別是高端領域。本文對電子束蒸發鍍膜機所應用的控制技術國際上雖然不是很新的技術，但此方面控制系統的應用，在國內生產的真空應用設備上還很少，且要能長期工作穩定可靠，還有很大的發展空間，這是和國內真空行業在高端真空應用設備上的整體發展水平相關的。