基于光纤通讯的真空镀膜控制系统

真空镀膜 姜亚南 核工业西南物理研究院

  本文针对镀膜的特殊要求,通过分析传统控制方式的不足,提出了新型的控制方式,即光纤通讯。以成都普斯特真空镀膜控制系统为例,介绍了该系统的软硬件配置,工作原理,主要控制功能,应用效果以及光纤通讯在该系统中的应用。

  随着时代的进步,从民品到军品,从商界到科界,真空镀膜已无处不在。如何简洁、方便、有效的进行镀膜已成为不可忽略的方面。当前使用最多的控制方式是模拟式控制,但由于精度低、操作复杂、适用性不强,所以将其改进为数字式控制。

  数字式控制主要采用485 通讯。由于这种通讯方式的通讯线一般为电缆线或屏蔽双绞线等,且为电信号传输,带来了三种弊端:(1)当传输距离较远时,电信号传输有能量损耗;(2)当传输过程中受到较多外界干扰源的影响,抗干扰能力下降。(3)布线繁琐,占用空间面积大。为克服以上缺点,本系统采用一种新型通讯方式:光纤通讯。

1、光纤通讯原理

  首先,要在发送端把传输的信息发送到激光束上,使光的强度随电信号的幅变为电信号;然后,调制到激光器发出度(频率)变化,并通过光纤发送出去;最后,在接收端,检测器收到光信号后把其变换成电信号,经解调后恢复原信息。具体如图1 所示。

光纤通讯原理图

图1 光纤通讯原理图

  光纤通讯的优点为:

  容许频带很宽,传输容量大;
  损耗小,中继距离很长且误码率很小;
  重量轻,体积小;
  抗电磁干扰性能好;
  泄露小,保密性好;
  节约金属材料,有利于资源合理利用。

2、方案设计

2.1、系统构成

  根据真空镀膜工艺的要求,建立控制系统如图2 所示。

真空镀膜控制系统图

图2 真空镀膜控制系统图

  在本系统中,上位机采用维纶MT8150X 触摸屏;PLC 采用三菱FX3U- 80M;PLC 扩展模块采用FX3U- 485- ADP; 温控仪采用台达DTA4896型;变频器采用台达VFD007E43A 型;真空计采用清华SKY- 90 型;流量计采用PC- 540 型;所有电源和光纤集线器均由普斯特电气责任有限公司研发。

2.2、系统功能与通讯实现

  上位机(触摸屏)为操作站,可下达命令并显示系统当前状态,所以作为主站,其分别与3 个站进行通讯。其中,与0 号站触摸屏采用RS232的信号通讯;与1、2 号站即温控仪、变频器采用RS485 的信号通讯。

  PLC 主要为上位机传输数据,并将上位机的命令分配给其负载。同时,PLC 的485 扩展模块与光纤集线器采用RS485 通讯,以完成发送和接收数据的功能。

  光纤集线器的作用是将RS485 信号转为光信号,保证每个负载能够通过2 路光纤与其正常通讯。

  真空计控制盒完成将光信号转换为RS232信号,并与真空计通讯的功能。流量计控制盒完成将光信号转换为RS485信号,并与流量计通讯的功能。

2.3、软件实现

  本系统上位机采用维纶公司推出MT8150 系列专用软件:EB8000。下位机采用三菱PLC 的梯形图,具有直观、可读性强等特点。

2.3.1、功能介绍

  由于不同的设备或不同材质,其镀膜的特性不同,所以,在每台设备未进入正式镀膜之前,均需一段时间进行调试工艺。针对这种情况,将系统设计为手动、半自动和全自动三种工艺模式,以适合镀膜的不同阶段的需要。

  手动模式可实现对所有泵组阀体、电源和温控仪、变频器的单独操作。并且,系统已嵌入所有保护功能,有效防止误操作。

  半自动模式主要为镀膜的测试阶段所设计。其中包含的功能模块有:粗抽、细抽、清洗、沉积四大部分。每个部分可根据用户的要求来完成,具有灵活和可用性强的特点。

  全自动模式主要为实现镀膜批量生产所设计,将成熟的工艺流程在工艺界面设定完成后,点击镀膜键即可由系统自动完成镀膜的所有操作。另外,为防止意外、特殊情况出现,系统中还设置了三个功能按键:停机、充气、待机。停机是将分子泵等所有负载全部按顺序关闭;充气是在产品镀膜时发现问题或产品镀膜结束,需打开炉体时使用;待机是设备需进行小型维修,但不影响分子泵正常运行的情况下使用。

2.3.2、界面介绍

  整套软件包含多个界面,其相应功能如下:主界面集成了手动、半自动、自动的所有按键,并将所有的负载的状态表现出来,可以直观有效地监控系统当前运行状态。

  系统设定界面起到3 种作用。(1)“屏蔽”作用。当负载(即:电源、流量计、屏蔽罩)出现故障或使用者不希望使用某设备时,可点击“屏蔽”,此时无论是手动、半自动还是全自动状态均不会对该设备进行操作。该措施有利于提高系统的可靠性和安全性。(2)记录负载使用时间。此处负载指靶材和所有泵组。因为负载在使用一定时间后均需维护、保养或检修,记录使用时间可提醒操作员当前是否该对此类负载进行保养,该措施可增加设备的使用寿命。(3)运行选择功能。是对高分子泵和阀的选择。在清洗和沉积的过程中可选择是否打开分子泵和高阀,该功能可保证在一台分子泵出现问题的情况下也不会影响当前系统的运行和镀膜的完成。

  工艺设定界面:分为清洗设定和镀膜设定,实现对清洗过程和沉积过程的区分管理。数据监控界面:分为实时监控和历史记录。它们都有趋势图和数据报表两种显示方式。趋势图按颜色、粗细、线形对数据进行区分。数据报表的数据会自屏后面的U 盘中,同时也可选择用打印机打印。

  报警界面:当缺少水、电、气时,系统会出现声光报警且报警界面自动弹出,直到处理完毕后才可将该界面关闭,而对于电源、流量计等出现未按照设定的参数运行时,系统会自动弹出报警界面,可选择忽略或处理。具体如图3 所示。

界面流程图

图3 界面流程图

3、结论

  本文针对镀膜特有的应用需求,基于使用光纤通讯真空镀膜控制系统,通过测试与使用,可以稳定正常地运行。其具体的优点表现为:(1)可以有效的遏制电源开启时对真空计、流量计等负载的干扰(2)系统控制精度高。(3)系统可操作性强,使用方便,系统可根据用户的不同需要来完成镀膜的各项功能。(4)系统可记录镀膜工艺中的各种数据,用户可通过对数据的分析,来更好的选择和完善镀膜工艺。其具体的应用体现在上海某镀膜设备厂的设备上,如图4 和图5 所示。

主控制柜图

图4 主控制柜图5 电源柜

参考文献

  [1] 李方健,何川,曾春.光纤通讯技术[M]. 北京:机械工业出版社,2010.
  [2] 徐成海. 真空工程技术[M]. 北京:化学工业出版社,2006.
  [3] Shinskey F G.过程控制系统—应用、设计与整定.3 版[M]. 北京:清华大学出版社,2004.
  [4] 田民波,刘德令.薄膜科学与技术手册[M]. 北京:机械工业出版社,2010.