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应用于磁控溅射镀膜生产线的计算机监控系统的设计 (聂延森)
摘 要：本文介绍了一种成功应用的磁控溅射镀膜生产线计算机监控系统的设计，重点讨论了计算机监控系统的硬件配置、软件设计、通信协议、控制过程实现以及软件编程的控制算法。
关 键 词：磁控溅射镀膜生产线；计算机监控系统；易控（INSPEC）；通信协议；控制算法
肇庆市大力真空设备有限公司生产的DJW（L）系列卧式（立式）磁控溅射镀膜生产线采用DC电源或中频电源控制平面靶、圆柱旋转靶或中频孪生靶在工件上溅射成膜，广泛应用于各种建筑玻璃、ITO透明导电玻璃、家电玻璃、高反射后视镜及亚克力镀膜等行业。该系列生产线在吸收欧洲同类生产线的先进技术和镀膜工艺的同时，融合了独特的操作人性化、使用简便化设计理念，在用户群体中得到了充分的肯定。
在该系列磁控溅射镀膜生产线中，一台10.4寸pro-face彩色触摸屏作为主要操作界面已经成为标准配置，工作亦较稳定.由于镀膜生产中需要控制的工艺参数较多，为了更大地提高工作效率和镀膜工艺的可控性，我们设计了一套计算机监控系统来完成整个生产过程的监控和参数优化，从而使镀膜生产具有很好的工艺重复性，更适合工业化大批量生产的需要。
1 监控系统的功能设计
根据生产线工作状况和生产要求，该计算机监控系统设计有以下功能。
（1） 模式选择：为了满足生产线的工作需要，该计算机监控系统设计了两种运行模式一一 用于镀膜生产的自动监控模式和用于调试及检修的手动监控模式，两种运行模式可自由切换。
（2）工艺方案选择：为了实现对多种工件的镀膜自动化，该监控系统设计了多种工艺方案供使用者选择，设备运行前选择要使用的方案，或自行设定新的方案，然后开始镀膜生产。
（3）数据检测记录：为了方便用户监控工艺过程，分析研究工艺参数的作用，及时调整工艺参数以获得更好的镀膜效果，该监控系统：1）实时显示各磁控靶电源电压、电流、各真空计数值、气体流量等参数数值；2）定时记录设备运行情况，每30分钟记录一次，或按要求随时记录；3）记录重要工艺参数，并形成报表文件和历史曲线。
（4）故障报警记录：1）在设备出现故障时监控系统自动弹出报警画面和文字提示，同时报警灯闪烁；2）记录所有报警信息，以备检修时查询；3）根据故障的轻重缓急，可对报警信息进行分类。
（5）自动诊断保护：这是一种保护措施，减少因故障对设备造成的损害，主要表现在：1）当设备出现严重故障时，监控系统可自动关机；2）磁控电源开启后，对其电压和电流实行缓升，缓降以保护电源；3）可自行检测上、下位机通信是否正常。
（6）操作权限限定：利用该功能可以限制一般用户的权限，防止误操作，减少出错几率；同时还可以实现控制和监控的统一。
（7）其它功能：该计算机监控系统还设置了系统时钟、设备输入输出点监控界面、设备操作说明界面等方便用户查询、使用的一些实用功能。
2 监控系统的构成
本计算机监控系统由上位机、下位机和通信协议三部分构成，系统硬件结构如图1所示。
上位机用于监控生产运行状况和生产工艺数据，完成对镀膜生产的全部控制，并将获取的历史数据，作为镀膜效果检测分析的一项凭据。由于上位机所处的环境干扰较小，所以选用普通的PC机，操作系统采用通用性好、功能强的Microsoft WindowsXP。监控和数据采集软件选用北京九思易自动化软件有限公司开发的易控（INSPEC）E20通用组态监控系统软件,它是全球首款基于Microsoft最新操作平台.NET的同类产品，具有监控功能强大、性能稳定、图形精美、易学易用、开发高效及扩展容易等一系列优点，它采用高级语言C#作为用户程序（脚本）语言，能很好地满足控制的要求。采集和数据显示的功能也比较完善，只要安装好设备的驱动程序就能与各种PLC、智能仪表、板卡及变频器等设备进行通信，还可以与其它计算机相连，组成一个企业的分布式生产管理网络。
应用易控（INSPEC）通用组态式监控系统软件开发自动化控制的画面，通过上位机画面可以对镀膜生产进行实时监控，并将重要数据记到文件保存下来。当生产发生异常时，进行越限或故障声音报警及文字提示，同时弹出有关画面，便于操作人员快速分析、处理，以便在最短的时间内恢复生产。
下位机由三菱PLC加上各种模块构成，包括：一台FX2N-128MR主机，一个FX2N-16EYR输出扩展模块，四个FX2N-4DA模拟输出模块，两个FX2N-4AD模拟输入模块一个FX2N-232-BD通信板。
易控（INSPEC）通用组态式监控系统支持OPC服务器，可连接第三方的软件：由于三菱PLC有专门的通信驱动程序，上位机和下位机之间采用串口RS-232屏蔽电缆进行数据交换。上位机与下位机之间以问答方式进行数据通信，采用由上位机向下位机发送通信命令（下行命令），上位机在接收下位机发回的相应回答命令（上行命令）后，继续发送下行命令的通信形式。根据监控系统功能的要求，通信协议采用周期命令方式进行发送，数据传送采用事件驱动的通信方式。对于接收的数据通信，通信协议在进行帧长度校验、字符校验和超时校验后发送给上位机。若校验时发现错误，则应用重发机制对错误帧进行重发，直至正确接收。
所有控制工作都由下位机完成，上位机只负责提供人机交互界面，进行指令接收和发送、自动化进程控制、数据显示存储、参数设定、报表打印和数据处理等。在系统运行过程中，上位机一直和下位机实时通信，从而保证界面上显示的数据和实际数据相一致；操作人员在上位机上发出的操作命令和设定的参数也都可以实时的送到下位机上执行。由于配备触摸作为冗余操作设备，生产线可随时脱离计算机监控系统转换到触摸屏操作模式，而不影响生产，便于设备维护，增进了系统的可靠性。
3系统工艺流程的设计的控制过程实现
依据磁控溅射镀膜生产线的工艺要求，镀膜生产控制可设计成四个分时动作过程。
第一个过程是真空获得，为保证镀膜的质量，系统要求必须具备一定的基础真空；
第二个过程是离子轰击，为了提高膜层的附着力，采用高能离子轰击清洗工件表面，以去除表面杂物及脏物；
第三个过程是磁控溅射镀膜，从阴极发身出来的电子，在磁场和电场中受到洛仑兹力的作用，沿着磁场的方向作摆线动力前进，沉积到工件表面开成薄膜；
第四个过程是系统开关机，这是镀膜前后对整个设备的处理操作。
3．1真空获得过程的自动化控制设计
磁控镀膜生产线真空系统采用滑阀真空泵一罗茨真空泵一高真空油扩散泵机组来获取低真空和高真空，采用微机型数显真空计来检测真空度，该过程的自动化控制包括：①机械泵、扩散泵、真空计、水泵的启停控制；②各真空计的高、低真空值输出控制；③各真空阀门、翻板阀的开闭控制。
整套设备采用循环水处理冷却，所以系统在没有接收到水压指示前不能开启真空机组。翻板阀用来实现大气与低真空室以及低真空室与高真空室之间的隔离；真空阀门用来控制真空抽气通路的通断。系统通过控制气动装置来实现对阀门的打开与关闭。
3．2离子轰击过程的自动化控制设计
对于某些机型（如亚克力镀膜生产线），为了提高薄膜的附着力，本系统采用了高能离子轰击作为镀前处理工艺。在轰击清洗过程中，控制指标是氩气质量流量、轰击电压、轰击电流、轰击时间和传动速度等；为了满足镀膜工艺的要求，可以选择工件缓慢地通过轰击室，一边行进一边轰击；也可以选择工件停留在轰击室，轰击一段时间后再进入缓冲室，这就实现了对工件的高能离子清洗。
3．3镀膜过程的自动化控制系统设计
为了满足镀膜工艺的要求，镀膜过程中需要控制氩气质量流量、反应气体质量流量、各靶溅射电压、溅射电流和镀膜传动速度等指标。当工件行进至磁控靶前，靶电流由维持状态自动转至工作状态，对工件进行镀膜，直至工件离开该靶后，回复至维持状态，最大限度地节省靶材。
为有效地保护磁控靶及靶电源，系统设计了水压、真空度控制和过流、过热故障报警功能，以及靶电源电压、电流的缓升降功能。
3．4系统开关机的自动化控制设计
自动开机，是从扩散泵预热开始，真空抽气系统自动工作直至镀膜室真空度达到后，磁控靶自动启动，这一段过程的所有操作均由设备自动完成。
自动关机，是生产线镀膜工作完成后，自动关闭磁控靶，并逐步关闭真空抽气系统，这一段过程的所有操作均由设备自动完成。
4 算法控制
4．1反馈算法
在系统应用过程中，磁控电源的设定值与显示值总存在一定的误差，为使二者达到统一，我们应用软件设计了一套反馈算法，用于电源数据设定与显示上，效果非常理想。
设当前电源显示数据（采集数据）为X n，经过时间T后，显示数据为X n+1,电源初始设定值为S1，修正设定值为S2，具体计算流程如图2所示。
流程图中的d、k、e、为选取的常数。︳X n+1-X n ︳<d说明显示值趋于稳定，不再增减，
△ =k〔S1-（X n+1+X n）/2〕为所求的反馈量。
4．2量程转换算法
整套监控系统量程转换分为两个部分，三个阶段。
第一部分：数据显示器：
1） 电源量程转换成0～10V输出
2） 0～10V输出转换成0～2000整型输入到计算机
3） 0～2000整型再转换成电源量程进行显示
第二部分：数据设定
1） 电源量程转换成0～500整型输出计算机
2） 0～500整型转换成0～10V输入电源
3） 0～10V输入转换成电源量程式进行设定
每一阶段的转换都是一个线性模拟过程，只需要计算转换斜率即可求出相应的转换值，例如0～10V输出转换成0～2000整型，它的转换斜率K=2000/10=200，则对于任意输入X，其转换值Y=KX=200X
5 结束语
本文介绍的磁控溅射镀膜生产线计算机监控系统经过运行使用，工作平稳、性能可靠，画面逼真富于表现力，具有较好的监控效果，提升了用户系统形象。作为一套成功的镀膜生产线计算机监控系统，我们计划作出相应改用到多种镀膜设备上，因此具有极大的推广价值和应用前景，从而促进我国真空镀膜设备计算机监控技术的发展。
参考文献
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⑵FX2A系列微型可编程序控制器使用手册。日本三菱公司。2001
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⑸李罡，丁莉Visual basic 6.0中文版编程实例详解（M）北京：电子工业出版社。2000
⑹叶龙福，严峻，朱承军，储亚军，发射机房自动化控制系统（J）.电视技术.1995（5）
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