PLC的磁控濺射溫度控制系統(tǒng)設計

PLC的磁控濺射溫度控制系統(tǒng)設計磁控濺射溫度控制系統(tǒng)的精度和運行穩(wěn)定性對沉積構造穩(wěn)定和性能優(yōu)良的薄膜材料極為重要。本文以西門子S7-300可編程控制器(PLC)為控制核心，通過觸摸屏構成人機交換界面(HMI)，論述了磁控濺射溫度控制系統(tǒng)的性能特征與控制方法。以STEP7為軟件平臺，擴展PLC模擬量輸入模塊SM331對熱電阻標準模擬信號實現(xiàn)A/D轉換;在定時中斷組織模塊(OB35)中循環(huán)調用溫度功能塊(FB58)編程實現(xiàn)對溫度的PID閉環(huán)控制;結合FB58集成的脈寬調制輸出功能，將PID運算結果轉換成脈沖占空比控制固態(tài)繼電器執(zhí)行。PLC與HMI基于MPI協(xié)議實現(xiàn)通信功能，采用WinCCflexible組態(tài)友好的控制界面，完成數(shù)據(jù)輸入/輸出、參數(shù)修改、實時監(jiān)控和報警聯(lián)鎖。該系統(tǒng)縮短了控制回路的調節(jié)時間，并減小超調量，提高了磁控濺射溫度控制的自動化水平、控制精度和穩(wěn)定性。

磁控濺射鍍膜技術是目前廣泛應用到光學、材料、電子和半導體等領域的一種薄膜沉積方法。采用磁控濺射技術制備的薄膜所獲得的附著力、電化學和光學等性能均受濺射溫度的影響。磁控濺射沉積二氧化硅時，隨著基片溫度的增加，薄膜的沉積速率明顯下降，折射率不斷上升，并產生固體構造變化。

傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)受構造復雜、穩(wěn)定性差、控制精度低等諸多因素的限制，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對控制系統(tǒng)的要求?？删幊炭刂破?/p>

(PLC)以功能強、集成度高、可靠性強、移植性好和通訊功能強大等優(yōu)點，受到工業(yè)控制的廣泛應用。PLC不僅具備簡單邏輯控制功能，而且基于現(xiàn)代控制算法可以實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制、智能控制和功能完善的綜合控制。溫度控制系統(tǒng)具有慣性大、延遲時間長等特點，系統(tǒng)對溫度控制量的反應時間長，對薄膜的沉積帶來不利影響。本系統(tǒng)以磁控濺射鍍膜生產線的沉積溫度為控制目標，考慮到系統(tǒng)的控制規(guī)模較大、控制點較多、對控制精度要求較高等特點，選用SIEMENSS7-300PLC做為控制系統(tǒng)的核心部件，負責采集和處理數(shù)據(jù)，并通過上位機的遠程監(jiān)控和HMI的本地控制相結合，對磁控濺射鍍膜設備溫度控制系統(tǒng)開展了新的設計。1、系統(tǒng)設計

以S7-300PLC為控制核心來實現(xiàn)溫度的PID閉環(huán)控制，有兩種控制方案：一種是擴展專用溫度控制器模塊(FM355)來完成溫度控制;另一種是擴展模擬量輸入/輸出模塊，結合STEP7編程調用功能塊來實現(xiàn)控制要求。

1.1、擴展溫度控制模塊FM355

FM355是專門用于S7-300、M7-300和ET200M自動化系統(tǒng)中的溫度控制器模塊，包含可通過自由化功能開展組態(tài)的PID控制器和集成的控制算法，功能穩(wěn)定可靠，使用簡單方便，能夠獨立完成PID控制信號的采樣和計算，不占用CPU掃描時間。CPU通過專用函數(shù)與FM355模塊開展數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)命令發(fā)送和信號反應。FM355模塊在CPU故障停止的情況下可自動切換到后援操作模式，防止由于CPU停止而造成的控制失控，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，但FM355模塊硬件成本過高，且靈活性差。擴展溫度控制模塊的溫控系統(tǒng)構造如圖1所示。

圖1擴展溫度控制模塊的溫控系統(tǒng)

1.2、擴展模擬量輸入/輸出模塊

通過溫度傳感器采集到的信號為模擬信號，需要經過一系列的處理，轉化為能夠被CPU接收的數(shù)字信號。PLC控制系統(tǒng)中，部分CPU不具備直接采集模擬信號的功能，需要通過擴展模擬量輸入模塊對其開展A/D轉換，轉化成為標準數(shù)字信號供PLC處理。S7-300PLC可擴展模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332和模擬量輸入/輸出混合模塊SM334，對于SM331模塊，可選擇電壓、電阻、電流、熱電阻、熱電偶等輸入信號類型，而SM332模塊提供電壓和電流兩種輸出類型。西門子軟件中有多種PID控制器，如集成于STEP7的FB41、FB42、FB43和FB58等控制函數(shù)，它們是系統(tǒng)固化的純軟件控制器，運行過程中循環(huán)掃描，其數(shù)據(jù)存儲分配在背景數(shù)據(jù)塊中。純軟件控制器對編程人員來說具有很高的靈活性和可操作性，基于工程應用中被控對象的特性，將不同控制算法搭接為一個完整PID控制回路，通過軟件編程就能實現(xiàn)FM355的硬件功能，滿足控制系統(tǒng)設計要求?？紤]到硬件成本和性價比等問題，中型控制系統(tǒng)常采用PLC軟件編程來實現(xiàn)溫度的PID閉環(huán)控制。綜合考慮，本系統(tǒng)采用擴展模擬量輸入模塊來實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。擴展模擬量輸入模塊的溫控系統(tǒng)構造如圖2所示。

圖2擴展模擬量輸入模塊的溫控系統(tǒng)

1.3、輸入輸出控制

測量變送元件常選熱電偶或熱電阻兩種溫度器件，熱電偶的溫度測量范圍較寬,測溫性能比較穩(wěn)定,動態(tài)響應好;熱電阻的穩(wěn)定性強、靈敏度高、互換性以及準確性較好，溫度測量范圍：-200℃至850℃。由磁控濺射鍍膜技術原理可知，本系統(tǒng)對于溫度測量的精度和穩(wěn)定性要求較高，選取熱電阻傳感器PT100為測量元件，輸入電壓模擬信號。PT100溫度傳感器與模擬量輸入(AI)模塊的簡化接線如圖3所示。模擬輸入電路中，采用4導線端子測量方式，通過端子IC0+和IC0-為傳感器提供恒定電流，M0+和M0-測量傳感器上產生的電壓。

圖3溫度傳感器接線圖

真空室的加熱由均勻布置的電阻加熱器完成，控制方式通過PLC輸出脈沖信號控制固態(tài)繼電器(SSR)執(zhí)行。SSR是內部無任何機械運動的無觸點電子開關，通過控制端信號對交流電源通斷實現(xiàn)控制，是典型弱電控制強電的電器元件，其輸入和輸出采用光耦合器隔離，具有良好抗干擾性能，廣泛應用于微電路及計算機控制。固態(tài)繼電器內部構造如圖4所示，其中VD：發(fā)光二極管，VT：雙向晶閘管。

圖4固態(tài)繼電器內部構造圖2、軟件組態(tài)

2.1、硬件配置

本系統(tǒng)設計基于STEP75.5為軟件開發(fā)平臺，啟動SIMATICManager創(chuàng)立溫度控制系統(tǒng)項目，并生成S7-300站點。打開對象進入HWConfig界面調用配置表，根據(jù)訂貨號和硬件組態(tài)順序，依次插入機架、電源模塊、CPU和I/O模塊等。圖5所示為SIMATIC管理器配置圖。

圖5SIMATIC管理器配置圖

進入CPU300屬性對話框，設置站地址為2，接口類型為MPI;打開模擬量輸入?yún)?shù)修改窗口，選擇測量類型為RTD，測量范圍為PT100standardrange。根據(jù)輸入元件為熱電阻，安裝模擬量輸入模塊時選擇正確的量程卡為A位置。

2.2、功能塊FB58調用

在STEP7中創(chuàng)立并進入循環(huán)中斷OB35，選擇庫文件進入Libraries→StandardLibrary→PIDControlBlocks，實現(xiàn)連續(xù)調用溫度控制功能塊FB58輸出脈沖信號，F(xiàn)B58如圖6所示。為FB58建立背景數(shù)據(jù)塊DB58，通過背景數(shù)據(jù)塊可直接修改相關控制參數(shù)，背景數(shù)據(jù)塊如圖7所示。

圖6功能塊FB58

圖7背景數(shù)據(jù)塊

FB58具有初始化例行程序，啟動時執(zhí)行組織塊OB100，在其中調用FB58用于實現(xiàn)PID控制器的初始化操作。當參數(shù)COM_RST=TRUE時執(zhí)行該程序，所有PID內部參數(shù)都復位到初始值，初始化程序處理完畢后，將COM_RST重新設置為FALSE，開始PID控制計算。

2.3、參數(shù)配置

FB58提供過程值輸入通道，設置PVPER_ON=True時，選取模擬量輸入通道為直接從PV_PER輸入，即輸入本文中溫度的反應值。設置PER_MODE=0為熱電阻標準模擬量輸入類型。FB58集成脈寬調制輸出功能，通過將PID的運算結果換算成對應的脈沖占空比控制固態(tài)繼電器實現(xiàn)加熱，F(xiàn)B58脈沖輸出環(huán)節(jié)的關鍵參數(shù)：CYCLE：PID控制器的采樣時間;CYCLE_P：脈沖輸出的刷新時間;PER_TM：脈沖輸出的周期時間;PULSE_ON：脈沖輸入使能;P_B_TM：最小脈沖/制動時間。

FB58中PID控制器運算和脈沖輸出是兩個相互獨立的過程，有各自的運算周期。參數(shù)CYCLE由被測量的變化規(guī)律決定，參數(shù)PER_TM與參數(shù)CYCLE_P的關系決定了脈寬調制的精度。FB58提供SELECT參數(shù)來協(xié)調PID控制器和脈沖輸出的周期，SELECT的取值可以為0、1、2或3。本系統(tǒng)參數(shù)設置：SELECT=0，OB35周期時間=20ms，CYCLE_P=20ms，CYCLE=400ms，PER_TM=1000ms。根據(jù)經驗，上述參數(shù)的設置遵循一定原則，并需要在設備實際運行過程中調試獲得最優(yōu)參數(shù)(TI為積分時間)：

(1)CYCLE≤0.1*TI

(2)PER_TM≥50*CYCLE_P

(3)PER_TM≤0.05*TI

脈沖輸出計算一般取PER_TM/CYCLE_P>50，在每個CYCLE_P時間間隔里，脈沖輸出單元運算一次以確定下一次CYCLE_P的輸出為高電平或低電平。很明顯PER_TM和CYCLE_P的比值越大，控制精度越高。若PID脈沖輸出的高電平時間接近100%，低電平時間接近0，此時執(zhí)行機構需要在極短的時間內完成開斷，這對設備的壽命影響極大，通過設置P_B_TM就可以防止此問題，本系統(tǒng)設置P_B_TM為20ms。3、觸摸屏界面設計

人機界面是系統(tǒng)與用戶交換信息的媒介，以方便操作、直觀快捷為設計原則，強調人性化。方案選用SIEMENSTP177BPN/DP-6觸摸屏搭建測控系統(tǒng)，TP177B觸摸面板有助于提高項目的使用效率，適用于工業(yè)控制中等級別的HMI操作和監(jiān)視任務。本系統(tǒng)采用MPI協(xié)議完成PLC與HMI通信功能，實現(xiàn)對磁控濺射鍍膜生產線沉積溫度的本地控制，保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。HMI界面設計基于WinCCflexible20**軟件開展組態(tài)，對系統(tǒng)溫度完成輸入設置、PID參數(shù)修改、實時顯示和報警連鎖等功能，圖8所示為溫度監(jiān)控界面。