ZSN-800AG2电子束蒸发镀膜机程序化自动控制系统的设计

2013-09-13 汪光武北京北仪创新真空技术有限责任公司

　　本文对ZSN-800AG2 电子束蒸发镀膜机的控制系统进行了设计，重点对应用iFix 组态软件实现工艺过程用户可编程序化的自动控制方法设计以及数据存储和趋势曲线显示等做了设计分析，完成了整机的工艺试验。设备使用证明控制系统界面清晰友善、编程简单、操作方便、数据查阅迅速、系统稳定可靠、工艺重复性好，达到了设计目的。

　　随着科技水平的不断创新发展，薄膜技术不断提高，减反射膜的应用越来越广，也越来越重要了。近年来，能源紧缺已成为全球性话题。太阳能是我们可以用之不尽的绿色能源，是我们解决可持续性发展不可或缺的重要方面。其中各种太阳电池的研发试验与规模化生产都在飞速发展，太阳电池转换率稳步提高。效能提高的背后，包含了光学减反射膜的贡献。越宽越高的光谱透射率带来越高的电池转换率。我公司生产的ZSN-800AG2 电子束蒸发镀膜机就是一种专为航天技术领域应用研发的高端PVD设备，它通过对基底沉积的减反射膜层提高并拓宽电池对光谱的接收效能，从而提高太阳电池的转换率。

　　ZSN-800AG2 电子束蒸发镀膜机并不是以试验或生产高端的光学窄带滤波片或其它光学镜片等为设计目标的纯光学镀膜机产品，而是为航天用GaAs 太阳电池提高接收光谱效能提供的减反射层膜的沉积，并同时增强保证太阳电池电极层和基底间的牢固度而设计的试验生产型设备，它不需要光学控制方式。因此，必须在控制系统光控以外的性能及功能上有所突破。ZSN-800AG2的设计在对高性能GaAs 太阳电池不同减反射层沉积提供精确的自动膜层蒸发控制同时，该设备还要将真空系统与多种镀膜工艺融为一体，实现一键按顺序启动用户随心设置的多个功能块子程序连续或重复执行，并将参数配方、历史数据及曲线、工作状态及报警记录等存储在工控机里，为分析和提高GaAs 太阳电池镀膜工艺水准提供充分的数据依据。

1、整体系统结构组成

　　整体系统结构如图1 所示。真空室是圆筒形前开门结构;真空系统主泵为低温泵，配罗茨泵和机械泵机组;工件架由变频调速的三相交流电机驱动;下烘烤碘钨灯温度参数通过串口进行数据传送;电子枪是美国Telemark 公司的4 穴永磁偏转电子枪以及配套电源等;1 路模拟量控制的质量流量计;沉积速率由Inficon 公司的膜厚控制器控制，配双晶体探头;数显真空计采用通讯控制;PLC 为整个控制系统的核心;人机界面采用工控机及iFix4.5 组态软件等。

系统示意图

图1 系统示意图

2、控制系统软硬件选型设计

　　高性能光学镀膜机在要求性能指标高，系统工作稳定、可靠的同时，灵活的、人性化的用户可编程程序设计自动控制方式是一个发展方向。过去通常的自动控制设计方法是固定程序，即启动某个开关只能执行这个开关的自动程序功能，不能变更它的进程。若要执行新的功能程序就要启动其它的输入开关。而ZSN-800AG2 工艺过程实现用户自主可编程序化设计是我们的目标，也是用户的要求。按照不同工艺沉积进程，设备操作者或者更高级权限的管理者可以人为地编制工艺子程序，设置程序参数，并有选择地组合功能子程序来一键完成或重复完成某个过程工艺。为达到此目的，模块化编程及子程序调用比过去简单的时间顺序编程方式有着无比的优越性，特别对于复杂的控制系统尤显突出。

　　根据整体结构配置，要满足系统实际需求，系统各部件的全部主要工艺参数均能采集到工控机中，进行预设置或实时显示并存储的特点。通过优化，我们确定了控制系统采用的以下主要组成部分。

　　(1)做为ZSN-800AG2 系统控制核心的PLC，选用CJ2M-CPU33 具有功能强、工作速度快、精度高、模块化的特点，充分满足设备的整体控制要求。另外它自带以太网口的配置，数据传输速度快、性价比好，适合与工控机使用以太网线的高速通讯方式，保障了大量工艺数据的高速传输，可以使人机界面控制的响应速度等得以体现。

　　(2)数据的存储采用ACCESS 数据库完成，适合ZSN-800AG2 控制系统较大数据量的存储，方便用iFix 组态软件按控制需求分时段显示对应数据，也便于查找。当然也可用常见的Microsoft OfficeAccess 软件离线查看所有历史记录。

　　(3)系统应用的iFix 组态软件是一个运行稳定、功能强大、性能优越的应用控制平台，很适合在此平台上快速完成ZSN-800AG2 控制系统的设计，能在较短生产周期内开发出美观实用较复杂的人机交互监控操作界面。

3、软件设计

　　3.1、模块化程序软件设计

　　程序化设计在于主程序和被调用的各个功能模块和子程序的编写。功能模块主要应用于PLC 编程，子程序主要用于iFix 组态软件中VBA脚本的编写。每个模块或子程序都有对应的输入输出接口用来传递数据和控制模块的执行条件或完成情况。ZSN-800AG2 控制系统根据实际用户需求，PLC 程序要应用很多个功能模块或子程序。设计时我们把它们都分别赋予各自的编号，并与操作界面工艺子程序一一对应。主程序随着每个工艺进程步骤的结束或目的标记置位，程序指针自动指向下一个功能模块或子程序，直到最后完成当前全部选择的工艺子程序步后，等待命令或直接返回开始，再次重复执行全部选择的工艺子程序。等待时，在界面还可以重新选择新的工艺子程序并修改配方参数。图2 是PLC 主程序的工艺程序流程框图。例如，当操作者在界面上已经选择好要执行的某个或数个连续的工艺子程序时，确认它们的参数后，输入启动命令，首先第一个子程序指针被确定，iFix 把这个指针指向传递给PLC 程序，PLC 自动比较寻找这个功能模块或子程序，当该模块或子程序的条件满足时，由主程序调用这个进程模块直到完成该模块功能，然后修定指针，进入下一个子程序循环或等待命令。每执行一个动作时，系统提示区按时间顺序记录了该动作的内容，逐条地在界面显示出来。

工艺程序流程图

图2 工艺程序流程图

　　3.2、数据存储及实时趋势曲线显示

　　所有的工艺数据最终都要永久地存储在工控机硬盘的Access 数据库文件中，才能便于随时调用或查看分析处理。ZSN-800AG2 控制系统的报警信息、工艺配方、实时数据等都是自动进行存储的。每出现或解决一个报警，每确定或修改一组数据，即刻添加或修改对应的存储记录。执行蒸发工艺过程中，每秒钟添加一组实时工艺参数记录，包括发生的日期和时间等。这样的设计有利于每批次的设定参数和实时参数比对，容易快速发现镀膜工艺中的问题。

　　采集到的实时数据量可以与iFix 图表和趋势图的链接联系起来，用图表和趋势曲线把它们分别显示出来，这种直观的显示非常有利于观察把握工作进程，发现问题并立即采取措施。用iFix 组态软件实现这些设计，对于ZSN-800AG2 硬件控制系统来说，我们在工控机上进行了FinsGetway 以太网口驱动程序的安装及配置，也预先编制了Access 数据库所需各种表格文件的模板，并分别使这些模板中参量位置和数量与iFix 数据库SQD 数据块变量一一对应以备存储或刷新数据。在此基础上，我们可以在画面中加入控件并配置，以及相应简单的VBA 脚本程序完成所需数据和图形的设计。这样的设计方法显然比完全用VB 或VC 等编写程序要来的直接快捷简便多了。

　　3.3、工艺数据传送

　　设备最大量的数据主要来自蒸发工艺中的工作参数，如真空度、温度、旋转速度、充气量、蒸发速率、蒸发功率、膜层厚度等等。要与每个控制器、电源和仪表等传递数据，串口通讯技术是最常用的手段。但设计时有必要对全部数据量分组或合并优化，针对不同时段、不同组的数据打包，用几个接口分别独立传送以可靠地提高工作传输效率，满足系统较大量数据传输的要求。

　　ZSN-800AG2 控制系统中，总共有5 个控制器的数据需要通讯传输。优化后我们用工控机和PLC自带的4 个串口完成了这些工作。其中温度参数和转速参数的通讯量是相对比较少的，共用了一个物理接口，实践证明是快速可靠的。

　　3.4、安全及保护设计

　　安全保护系统对任何仪器设备都是很重要的。为保证整机设备和人身安全，对于用户来说，我们设计分配了2 级的安全级别，即管理者和操作者。管理者可以修改工艺和参数，而操作者只能执行程序，查阅程序参数。

　　不论是工作在自动工作方式，还是手动维护方式，输出量的互锁保护都是非常重要的。为防止误操作，我们设计了互锁电路和程序互锁的2 级互锁。条件不充分按错键时，系统给予提示不执行错误命令。系统中还增添了某些重要参数的安全区域报警或警告。通过红黄绿三色报警灯和讯响器的控制动作，分别实现各种情况的警示。如工艺过程中工艺气体充气流量稍低于设定流量时，给予黄灯讯响警告仍然继续工作，压力恢复后流量转为正常，绿色指示灯亮。但当流量低于设定的下限时，红灯点亮报警，停止工艺进程。

4、结论

　　ZSN-800AG2 镀膜机通过用户的使用和生产，证明整个程序化自动控制系统满足了用户的使用要求。控制系统界面清晰友善、编程简单、操作方便、数据查阅迅速、系统稳定可靠、工艺重复性好，光学减反射膜层的透射率等性能指标完全符合航天高性能GaAs 太阳电池的要求，并为今后提高GaAs 太阳电池的减反射膜层性能提供了良好的平台。

　　尽管如此，电子束蒸发镀膜机的发展在国内已有几十年，技术虽不断提高，但比较国外先进技术还有一定差距，特别是高端领域。本文对电子束蒸发镀膜机所应用的控制技术国际上虽然不是很新的技术，但此方面控制系统的应用，在国内生产的真空应用设备上还很少，且要能长期工作稳定可靠，还有很大的发展空间，这是和国内真空行业在高端真空应用设备上的整体发展水平相关的。