摘 要：针对镀膜工程玻璃生产线工艺复杂，结构庞大，控制参数众多，镀膜过程控制要求响应快、精度高的特点，设计了以西门子s7—400PLc为核心的生产过程控制系统，结舍系统结构与硬件配置方案；详细阐述了真空泵、磁控溅射靶阴极电源和玻璃传送伺服电机等子系统的控制策略和特点．给出玻璃长度计算方法和公式，以及位置控制程序流程框图，该系统采用2块独立工作的cPu模块，细化控制任务，提高了编程的灵活性和系统的可靠性。在wincc组态软件平台上，设计了系统监控软件，上位机处理大量生产过程数据，归档重要参数，实现镀膜玻璃生产过程实时监控：控制系统在现场的成功应用表明，该系统结构合理，功能完善，控制效果好，满足了工程玻璃真空镀膜生严过程自动化的各项要求。
关键词：镀膜玻璃；S7-400PLc；winCC；硬件配置1引 言镀膜玻璃是在玻璃表面涂镀一层或多层金属化合物薄膜，以改变玻璃的光学性能，使产品呈现丰富的色彩，并且对可见光有适当的透射率，对红外线有较高的反射率，对紫外线有较高吸收率，广泛应用于工程建筑以及汽车、船舶等交通工具镀膜玻璃的生。
产方法很多，主要有真空磁控溅射法、真空蒸发法、化学气相沉积法以及溶胶一凝胶法等一：
利用磁控溅射技术，可以在白色玻璃基片上镀出多层复杂膜系，膜层的耐腐蚀和耐磨性能较好，是目前使用和生产较多的方法，但该制备方法要求的真空环境极为苛刻，生产线结构庞大，电气控制系统实现较为困难、传统镀膜生产线存在控制精度不高、产品规格受限、质量不稳定等问题。
本文主要针对真空磁控溅射法生产过程的特点，提出了基于西门子S7_400PLc的控制系统的设计方案，重点分析了真空环境磁控溅射阴极电源和玻璃传递伺服子系统以及上位机监控系统控制难点的实现过程。
2控制系统设计
1)控制系统组成基于西门子s7_400PLc控制系统配置有2块独立工作的cPu416-2DP模块，分别完成相对独立的工作。其中，1个cPu模块实现传动系统以及与之相关的光电开关、门状态的检测与控制；另一个cPu模块控制真空抽气、磁控溅射、工艺气体配气系统。
2个cPu通过工业以太网交换数据同时也可与上位机进行通信，如图l所示。
2)真空泵抽气控制系统 系统分大气和真空2种工作模式。大气模式主要用于设备调试与检修，真空模式又分为自动和手动2种操作方式。真空抽气系统具有以下4种功能：
①检修后自动抽气进入生产准备状态。
②正常抽气进人生产准备状态。
③自动整体放气和局部放气。
④停产自动保持气压。
真空排气系统分三级进行控制，由前至后的顺序是旋片泵、罗茨泵和分子泵，它们的启停顺序要求非常严格。尤其是分子泵属于精密设备，在程序上必须作完善的保护。
下面介绍它们的工作原理以及控制方法。
旋片泵TP可以在大气状态下启动，启动前必须通过真空度检测表PG判断所要抽气的腔体内真空度，防止气流倒灌把旋片泵的泵叶冲坏：如果检测到腔体为大气状态，可以立即打开管道阀Hv启动_rP进行抽气；如果检测为真空状态，则必须在HV关闭状态下启动TP一段时间，再由PG检测到内外真空度平衡，才能打开Hv。
罗茨泵RP的启动对真空度要求较高，必须在50 mbar状态以下，且判断到前级相应的旋片泵为启动状态，自身才可以自动启动，即使在全线手动控制模式下，不满足这2个条件，手动操作也不能启动RP．当镀膜室的真空度达到5×10﹣2mbar时，便可以启动分子泵MP进行接力抽气，镀膜生产所需要的镀膜室背景真空度一般为10﹣2barn如果出现设备故障等紧急情况，程序立即转入停产保压流程，按照HVTPRPMP顺序依次关闭对应的管道阀和真空泵。
3)磁控溅射系统 磁控溅射是向接近真空的密封腔体充入氩气或其他惰性气体，阴极两端达到设定电场强度，产生辉光放电，阴极电源工作泵理图，如图2所示。
溅射区共25个阴极位，对应有18个阴极电源，其中，7个直流电源、11个中频电源。根据阴极电源的控制接口，选择Profus总线控制方式，控制所有的操作、参数设定和数据交换。并根据产品生产工艺控制参数，接受反馈信号，进行安全连锁和过程控制，并监控运行状态，记录和打印运行参数、曲线。
同时，系统会对每个阴极位自动识别，在计算机上自动显示当前阴极电源的输出所接的阴极位置，因为电源不是与阴极位一一对应，所以只有当检测到某阴极控制柜上有阴极电源插入时，才打开相应的阴极电源，否则系统禁止给该阴极电源通电。这一功能是在wincc全局脚本里通过c语言编程实现的，相应的c脚本代码为
4)伺服电机控制系统
玻璃镀膜生产工艺要求传动系统响应快，控制精度高，在镀膜区需要高精度位置控制，采用伺服电机控制系统，实现高精度的速度和位置控制。
本系统伺服电机选用sEw的KAF7cM90M／BR／TF／Eslh／SM52型，电机扭矩11N·m，额定转速3 000 r／min，减速比i 8．56，通过对伺服控制器FM453编程，采集编码器的当前脉冲数，通过Pro曲us总线实时传送给PLc，实现精确玻璃计长和位置控制等功能。
①玻璃计长伺服电机每转一圈对应编码器增加4 096个脉冲数，传送台滚轮半径r=60 mm，所以每1个脉冲对应玻璃传送前进距离关系为e=2π∥4 096i=O．010 752 2 mHl／脉冲 (1)玻璃镀膜生产以“锅”为单位，一锅往往不只一片玻璃，进行玻璃计长只需得到一锅玻璃的头部和尾部分别对应的脉冲值，就可以计算出整锅玻璃的长度，如图3所示。
当传送玻璃至位置①时，感应到光传感器Lsl，得到Lsl上升滑信号，开始计长过程，记下编码器脉冲数PEcl；传送至位置②时，得到Lsl下降沿信号，记下当前脉冲数赋给PEc2；在位置③，得到Ls2上升沿信号，结束计长过程，整锅玻璃长度为Z=c·(PEC2一PECl)=O．01075(PEC2一PECl)㈣(2)将计算出来的长度存储于PLc的数据块中，用来作为上位显示和出口区往外分发整锅玻璃的判断比较。
②位置控制 系统工艺要求在镀膜腔室中，玻璃向前传送感应到Ls2时，将控制模式由速度控制转为位置控制，位控距离为150 mm，根据计算公式150 mm对应13 950个脉冲数。图3中，玻璃从位置③到④过程所示即为位置控制，对应的程序流程中，PNOW为编码器实时脉冲值，PEND为目标位置脉冲值，PEND=PLS+13 950，Ls3是为防止玻璃过冲而设置的光传感器。
具体程序流程图，如图4所示。
5)变频电机控制系统
西门子公司的MM440通用型变频器有多种型号，可以控制额定功率范围从120 w到：200 kw的三相交流电动机，它具有多个继电器和模拟量输出，6个数字输入和2个模拟输入端，配置非常灵活，并且有多种可选件供用户选用，如Pc通讯模块，****操作面板，Profus通讯模块等。：玻璃镀膜生产线的装、卸片区采用变频电机进行玻璃传动操作，MM440变频器通过Pmfii]us总线与PLc控制系统通讯，数据格式符合VDI／VDE规范．3689“变速传动装置的ProbusPro一file数据结构可以是PpO类型1或PPO类型3。
有效的通信数据块被分成PKW区和PzD区2个区域，其中，PKw区用于读写参数、读出故障信息等，PzD区是过程数据区，是为了控制和监测变频器状态而设计的，过程数据包括发送报文的控制字(sTw)、设定值(HSW)和接收报文的状态字(ZSg，)、实际值(HlW)。
根据镀膜生产工艺要求，本系统的MM440变频器采用了PPOl型通讯报文，报文结构为4PKW/2PzD，要实现与主站PLc的Pm矗bus—DP通信，首先要在sTEP7软件中进行MM440变频器的硬件组态，选择PPO类型1，然后在下位机程序中调用系统功能块sFcl4／sFcl5来实现PLc与MM440之间的数据通讯。使用PmFbus通讯模块(cB)，IVIM,440相关的通讯参数要进行设置，见表1。
3上位监控系统
在玻璃镀膜生产过程中，操作员要实时分析诸如玻璃长度，阴极电源功率，电机运行状态等多种数据和设备信息，根据现场情况进行相应操作，要求上位监控界面简洁，且功能全面易操作。本系统使用西门子公司的wincc6．O软件进行上位组态，与sTEP7下位编程软件紧密结合，很好地满足了实际生产需求。具体实现的功能如下：
①生产监控与操作显示整个生产工艺流程模拟图，操作员可以监视生产状况，并可实现设备启动、停止，修改工艺参数等操作。重要参数的数据归档：保存与更新真空计读数，阴极电源功率，循环冷却水温度和流量等数据，并以趋势曲线形式在监控界面上显示。②故障报警系统提供多种报警和分级处理功能，报警事件能自动记录。为了提高系统的安全可靠性，设计有报警自动弹出功能，无论在哪个监控画面中进行何种操作，只要发生报警，就自动弹出报警画面，同时发出声光报警。
4结语
论文针对真空磁控溅射玻璃镀膜法生产工艺特点，设计了西门子s7-400PLC控制系统．使用2块独立工作的cPu模块分别控制真空泵、阴极电源、伺服电机等设备。利用Wincc6 O组态软件实现对整条生产线的上位机监控，完整显示生产线上所有设备的运行方式、流程作业情况及工艺参数当前值等信息，极大地减轻了操作人员的劳动强度，提高了控制系统的可靠性和生产效率，以及镀膜工程玻璃生产线的自动化控制水平。目前该镀膜生产线控制系统已经应用于国内某玻璃加工工厂，系统投入使用半年以来，控制性能稳定，月均产量达10万平方米，处于国内****水平。
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