CN205990342U - 一种镀膜玻璃生产线控制系统 - Google Patents

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杨国平
袁丽娜
赵海东
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Abstract

本实用新型提供一种镀膜玻璃生产线控制系统，包括第一CPU模块、第二CPU模块、上位机监控系统、真空排气控制系统、磁控溅射控制系统、伺服电机控制系统、变频电机控制系统和门开关控制系统，所述第一CPU模块通过工业以太网与第二CPU模块之间实现双向通信连接，而且该第一CPU模块和第二CPU模块是基于西门子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，细化控制任务，提高了灵活性和可靠性。在WinCC组态软件平台上，上位机监控系统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。

Description

一种镀膜玻璃生产线控制系统
技术领域
本实用新型属于镀膜玻璃生产技术领域，尤其涉及一种镀膜玻璃生产线控制系统。
背景技术
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。
实用新型内容
为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的是提供一种镀膜玻璃生产线控制系统。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，结合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多个系统的控制策略和特点。
同时本实用新型中镀膜玻璃生产线控制系统采用2块独立工作的CPU模块，细化控制任务，提高了灵活性和可靠性。在WinCC组态软件平台上，上位机监控系统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。
为了达到上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：
一种镀膜玻璃生产线控制系统，包括第一CPU模块、第二CPU模块、上位机监控系统、真空排气控制系统、磁控溅射控制系统、伺服电机控制系统、变频电机控制系统和门开关控制系统，所述第一CPU模块通过工业以太网与第二CPU模块之间实现双向通信连接，而且该第一CPU模块和第二CPU模块是基于西门子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。
真空排气控制系统和磁控溅射控制系统分别与第一CPU模块连接，用以实现第一CPU模块对真空排气控制系统、磁控溅射控制系统的控制；伺服电机控制系统、变频电机控制系统、门开关控制系统分别与第二CPU模块连接，用以实现第二CPU模块对伺服电机控制系 统、变频电机控制系统、门开关控制系统的检测和控制；所述第一CPU模块和第二CPU模块分别通过工业以太网与上位机监控系统连接。
其中：
真空排气控制系统:
分为大气模式和真空模式的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操作和手动操作的2种操作方式。
真空排气控制系统具有以下4种功能：
①检修后自动抽气进入生产准备状态。
②正常抽气进入生产准备状态。
③自动整体放气和局部放气。
④停产自动保持气压。
真空排气控制系统分为三级进行控制，由前至后的顺序是旋片泵、罗茨泵和分子泵，旋片泵、罗茨泵和分子泵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。
下面介绍旋片泵TP、罗茨泵RP和分子泵MP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TP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启动罗茨泵RP进行抽气；如果检测为真空状态，则必须在管道阀HV关闭状态下启动旋片泵TP一段时间，再由真空度检测表PG检测到内外真空度平衡，才能打开管道阀HV。
罗茨泵RP的启动对真空度要求较高，必须在50mbar状态以下，且判断到前级相应的旋片泵TP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罗茨泵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10-2mbar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，按照管道阀HV、旋片泵TP、罗茨泵RP、分子泵MP顺序依次关闭对应的管道阀和真空泵。
磁控溅射控制系统:
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3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Profibus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，磁控溅射控制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，否则磁控溅射控制系统禁止给该阴极电源通电。
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。
本伺服电机控制系统中伺服电机选用SEW的KAF7cM90M/BR/TF/Eslh/SM52型，电机扭矩11N·m，额定转速3000r/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Profibus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4096个脉冲数，传送台滚轮半径r＝60mm，所以每1个脉冲对应玻璃传送前进距离关系为e＝2πr/4096i＝O.0107522mHl/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4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)，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150mm，根据计算公式150mm对应13950个脉冲数。图4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＝PLS2+13950，LS3是为防止玻璃过冲而设置的光传感器。
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120W到：200kW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，高级操作面板，Profibus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Profibus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ProfibusPro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(ZSW)、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Profibus—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Profibus通讯模块(CB)，IVIM,440相关的通讯参数要进行设置。
上位机监控系统：
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。
附图说明
图1是本实用新型的原理结构示意图之一；
图2是本实用新型的原理结构示意图之二；
图3是本实用新型中涉及到的阴极电源工作示意图；
图4是本实用新型中涉及到的玻璃计长与位置控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做一个详细的说明。
实施例1：
如图1～4所示，本实用新型提供一种镀膜玻璃生产线控制系统的具体实施例，包括第一CPU模块、第二CPU模块、上位机监控系统、真空排气控制系统(即真空泵抽气控制系统)、磁控溅射控制系统、伺服电机控制系统、变频电机控制系统和门开关控制系统，
所述第一CPU模块通过工业以太网与第二CPU模块之间实现双向通信连接，而且该第一CPU模块和第二CPU模块是基于西门子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。
真空排气控制系统和磁控溅射控制系统分别与第一CPU模块连接，用以实现第一CPU模块对真空排气控制系统、磁控溅射控制系统的控制；
伺服电机控制系统、变频电机控制系统、门开关控制系统分别与第二CPU模块连接，用以实现第二CPU模块对伺服电机控制系统、变频电机控制系统、门开关控制系统的检测和控制；
所述第一CPU模块和第二CPU模块分别通过工业以太网与上位机监控系统连接。
其中：
真空排气控制系统:
分为大气模式和真空模式的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操作和手动操作的2种操作方式。
真空排气控制系统具有以下4种功能：
①检修后自动抽气进入生产准备状态。
②正常抽气进入生产准备状态。
③自动整体放气和局部放气。
④停产自动保持气压。
真空排气控制系统分为三级进行控制，由前至后的顺序是旋片泵、罗茨泵和分子泵，旋片泵、罗茨泵和分子泵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。
下面介绍旋片泵TP、罗茨泵RP和分子泵MP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TP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启动罗茨泵RP进行抽气；如果检测为真空状态，则必须在管道阀HV关闭状态下启动旋片泵TP一段时间，再由真空度检测表PG检测到内外真空度平衡，才能打开管道阀HV。
罗茨泵RP的启动对真空度要求较高，必须在50mbar状态以下，且判断到前级相应的旋片泵TP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罗茨泵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10﹣2mbar。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，按照管道阀HV、旋片泵TP、罗茨泵RP、分子泵MP顺序依次关闭对应的管道阀和真空泵。
磁控溅射控制系统:
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3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Profibus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，磁控溅射控制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，否则磁控溅射控制系统禁止给该阴极电源通电。
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。
本伺服电机控制系统中伺服电机选用SEW的KAF7cM90M/BR/TF/Eslh/SM52型，电机扭矩11N·m，额定转速3000r/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Profibus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4096个脉冲数，传送台滚轮半径r＝60mm，所以每1个脉冲对应玻璃传送前进距离关系为e＝2πr/4096i＝O.0107522mHl/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4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)，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。阿
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150mm，根据计算公式150mm对应13950个脉冲数。图4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＝PLS2+13950，LS3是为防止玻璃过冲而设置的光传感器。
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120W到：200kW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，高级操作面板，Profibus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Profibus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ProfibusPro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(ZSW)、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Profibus—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Profibus通讯模块(CB)，IVIM,440相关的通讯参数要进行设置，见下表。(即本实用新型中涉及到的MM440变频器通信参数设置图表)
上位机监控系统：
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。
需要强调的是：以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种镀膜玻璃生产线控制系统，其特征在于，包括第一CPU模块、第二CPU模块、上位机监控系统、真空排气控制系统、磁控溅射控制系统、伺服电机控制系统、变频电机控制系统和门开关控制系统，所述第一CPU模块通过工业以太网与第二CPU模块之间实现双向通信连接，真空排气控制系统和磁控溅射控制系统分别与第一CPU模块连接，用以实现第一CPU模块对真空排气控制系统、磁控溅射控制系统的控制；伺服电机控制系统、变频电机控制系统、门开关控制系统分别与第二CPU模块连接，用以实现第二CPU模块对伺服电机控制系统、变频电机控制系统、门开关控制系统的检测和控制；所述第一CPU模块和第二CPU模块分别通过工业以太网与上位机监控系统连接。
2.根据权利要求1中所述的一种镀膜玻璃生产线控制系统，其特征在于，还包括工艺气体配气系统，所述工艺气体配气系统连接到第一CPU模块。
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CN108342704A (zh) * 2018-03-07 2018-07-31 河北物华天宝镀膜科技有限公司 一种智能在线均匀性调节系统
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CN110282433A (zh) * 2019-06-14 2019-09-27 中国建材国际工程集团有限公司 一种基于中断的玻璃自动对准系统及方法

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