磁控溅射镀膜上位机控制系统设计论文

第 1 页目录中文摘要 .1Abstract .21 绪论 .31.1 磁控溅射镀膜的现状与发展趋势 .31.2 磁控溅射镀膜的原理 .31.3 设计的主要内容 .41.3.1 PLC 自动化程序控制 .41.3.2 上位机组态 .42 控制系统整体设计方案及硬件选型 .52.1 控制系统整体设计 .52.2 硬件选型 .73 PLC 与上位机控制系统设计 .123.1 PLC 控制系统设计 .123.1.1 PLC 硬件组态的选择方案 .123.1.2 PLC 程序的设计 .143.2 上位机控制系统的设计 .153.2.1 上位机组态软件概述 .153.2.2 上位机组态软件的通讯方案 .173.2.3 上位机组态软件变量设置与画面组态 .17结论 .22谢辞 .23参考文献 .24附录 .24第 2 页摘要：磁控溅射镀膜是工业镀膜生产中主要的技术之一,尤其适合于大面积镀 膜生产，具有沉积速度快、镀件温升低等优点。本次设计主要是以西门 子 S7-300 和 WINCC 为软件开发平台。根据系统的工作原理和工艺流程， 通过 S7-300 程序设计实现对整个磁控溅射镀膜过程的电气自动控制。运 用上位机 WINCC Siemens 系统对其过程进行远程实时监控。实现了上位 机动态显示开关量动作、模拟量数据实时采集、远程保护和故障报警等 功能。文中对控制系统软、硬件进行详细的选择和配置。并利用西门子 PLC 和 WINCC 软件内部提供的仿真模块对程序和组态进行了仿真分析与 系统调试，完成了对磁控溅射镀膜上位机控制系统的动态演示。关键字：镀膜机控制系统；PLC；WINCC 第 3 页Abstract:Magnetron sputtering is one of the main technology in coating industrial ,especially for large area deposition,with high deposition rate, low temperature rise.This design is mainly to Siemens S7-300 and WINCC as the software developing platform. According to the working principle and process system,we realize electrical automatic control on the magnetron sputtering coating process through the S7-300 program design.Using the computer WINCC Siemens system for remote real-time monitoring of the process.Realize the function of dynamic computer display, alarm switch action of analog data real-time collection, remote protection and fault etc.In this paper we make a selection and configuration of hardware and software of he control system.And use the simulation module of Siemens PLC and WINCC software to analyze the program and system. It achieved the dynamic demo of control system of upper monitorKey Words:Coating machine ；control system ；PLC；WINCC 第 4 页1 绪论1.1 磁控溅射镀膜的现状与发展趋势磁控溅射镀膜技术是当前广泛运用的沉积镀膜技术。由于其沉积速度快、基材温度低、对膜层损伤小、获得的薄膜纯度高、溅射工艺可重复性好等优点，在微电子、光学、材料等领域得到了广泛的应用。目前，电气控制系统在工业生产中的地位日益凸显，磁控溅射镀膜与电气自动化的进一步联系是发展必然的趋势。1.2 磁控溅射镀膜的原理磁控溅射镀膜的工作原理是指电子在电场的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，产生 Ar+离子和二次电子；二次电子飞向基片，Ar+离子在电场作用下加速飞向阴极靶，使靶材发生溅射。中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的 Ar+ 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率，随着碰撞次数的增加，最后沉积电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。1.3 设计的主要内容1.3.1 PLC自动化程序控制在镀膜工艺中，PLC 系统设计正逐步取代最初的单片机设计。基于 PLC 系统的性价比较高，我们选择 PLC 来设计磁控溅射镀膜控制系统。其优势如下:系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的 PID第 5 页回 路控制；能与上位机构成复杂的控制系统使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 (3) 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。 11.3.2 上位机组态 上位机的概念属于计算机集散控制系统的概念。在计算机集散控制系统中，计算机分为各个级别，与现场设备发生直接关系的计算机属于下位机，用来控制下位机，或给下位机下达新任务的计算机是下位机的“上位机” 。若集散控制系统较大，计算机的级别可能不止两级，此时上位机还可能有级别更高的上位机对其进行控制或指派任务。 组态是多种工具模块的组合，它的含义是实用工具软件对计算机和软件的各种资源进行配置，是计算机或软件按照预先设置的命令，自动执行任务，满足设计者的要求。组态软件在目前的工业环境的实际运用中扮演着越来越重要的角色。组态软件从硬件设计到软件开发都具有组态性，使得系统更可靠、开发速度更快、开发难度却降低。较大规模的控制系统，基本上都采用了这种组态系统。组态软件的一般步骤： 2（1）建模：根据要求，建立数学模型（2）设计图形界面：利用软件提供的图库，适用对应的图形对象模拟实际控制系统（3）变量管理：创建数据库，创建变量表示控制对象的各种属性（4）建立动态链接：组态变量和图形间的连接，模拟控制系统的实际运行（5）运行与调试组态软件的特点：（1）实时多任务、接口开放、使用灵活（2）节约硬件开发时间，提高系统可靠性（3）缩短软件开发时间（4）便于生产的组织和管理上位机组态可以实现对现场工作流程的实时监控，直观了解。第 6 页2 控制系统整体设计方案及硬件选型2.1控制系统整体设计镀膜工艺流程-程序设计流程对应于 PLC 编程的逻辑顺序和条件控制：图 2.1 程序设计方框图第 7 页工艺步骤：（1）开启水电开关，检查水电安全（2）启动镀膜按钮（3）开机械泵、旁抽阀粗抽真空，满足前级真空度要求时。关闭旁抽阀准备精抽（4）打开分子泵和闸板阀，精抽真空室。达到真空度要求时，打开通气阀门，准备炼靶并镀膜。（5）镀膜完成后先关闭闸板阀、分子泵、电磁阀，然后关闭机械泵。（6）关闭水泵和总电源。开充气阀，通入气体，开门取工件。磁控溅射镀膜工艺过程的要求如下：1控制系统上位机以 WINCC 为平台，完成对镀膜机的 PLC 的远程控制，实现对真空度（真空室的工作压强为 10.001Pa，前级工作压强为 1001Pa。 ） 、各靶电源电压、电流(工作电流 20A50A;工作电压 400600V)、水温(080)、气体流量等模拟量的采集，实现对靶电源、流量控制计等执行元件的自动控制。32. 利用上位机动态显示开关量的动作状态、模拟量的实时采集数据、溅射工艺运行的进展情况等内容。3.加入远程的控制保护功能,故障报警等功能。根据镀膜工艺流程确定控制系统对象分析如下：数字量输入 15 个:总电源开关、水泵开关、镀膜启停开关、PLC 模块极性信号、机械泵、旁抽阀、电磁阀、分子泵、闸板阀、靶电源、截止阀、氧气阀、氩气阀、充气阀、门开关数字量输出 13 个:水温报警、气体质量流量报警、机械泵、旁抽阀、电磁阀、分子泵、闸板阀、靶电源、截止阀、氧气阀、氩气阀、充气阀、门开关模拟量输入 7 个：前级真空度、真空度、回水温度、氧气质量流量、 氩气质量流量、靶电源电压、靶电源电流模拟量输出 7 个：前级真空度、真空度、回水温度、氧气质量流量、氩气质量流量、靶电源电压、靶电源电流第 8 页2.2 硬件选型控制方案的选择：控制方案比较项目 单片机 工控机 PLC可靠性 最不稳定 不稳定 稳定可扩展性 开发成本高、周期长开发成本高、周期长开发成本高、周期长维护 困难 困难 简单（自诊断）抗干扰性 专门设计 专门设计 无需专门设计功能 用户可以实现各种复杂控制、功能较强用户可以实现各种复杂控制、功能较强用户可以实现各种复杂功能特点 不可靠、便宜 可靠性改善、便宜 可靠、略贵操作 人机对话不友善 类似通用计算机 触摸式操作终端表 2.1 控制方案的比较单片机系统就是采用目前市场上的单片机 CPU 及其外围芯片，根据不同系统设计的电路板，最终设计成为一台建议的计算机系统，然后编辑程序完成所需要的控制要求。所谓工控机就是工业控制计算机系统，在此基础上设计程序达到控制要求。PLC 即可编程控制器，是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。在其基础上，设计程序达到控制要求。这种形式在目前的工业现场应用最广泛。在自动控制中，PLC、单片机、工控机承担着重要角色，是实现控制功能的重要载体，三者在功能上即有交叉又有不同，这样在应用上三者就会出现相同与不同之处，不同的方案就会有不同的最佳选用方法。本次设计，根据上表选用可靠、稳定、性价比较高的 PLC。 4第 9 页PLC 类型的选择：品牌比较项目 三菱 西门子日本 德国编程 直观易懂、指令多 比较抽象、指令较少优势在于离散控制和运动控制、有专用的定位指令、可实现某些复杂控制在于过程控制和通信控制、模拟量模块便宜且程序简单不足 模拟量模块昂贵且复杂、通讯功能相对薄弱无专用指令、程序复杂、控制精度不高适用 侧重于动作控制和某些有伺服或步进要进行定位控制的设备等温度、电流等较多模拟量需要处理的设备、现场有很多仪表的数据要用通信进行采集的设备等表 2.2 三菱与西门子 PLC比较从三十多年前 PLC 研制成功到当前，其应用已在控制系统领域占据主导地位。而且形成了一个巨大的市场。各种 PLC 具有不同的特点，美国与欧洲的PLC 技术差别性较大，日本 PLC 技术是从美国引进，对美国的 PLC 技术具有一定的继承。上表对国内市场占有率比较高的两种 PLC 进行了比较，基于本次设计的控制工艺流程中需要处理模拟量输入输出，因此选用西门子的 S7-300 系列PLC第 10 页PLC 通讯方式的选择通讯方式比较项目MPI PROFIBUS 工业以太网拓扑结构 总线型 逻辑拓扑环 星型、线型、环型应用场合通信速率：默认187.5kbps；数据包122 字节DP：现场级PA：过程自动化FMS：车间级监控网通信速率：10、100Mbps、数据量为8kb、ISO、TCP通讯方式 GD、无需组态链接、需组态链接FMS、FDCDP、PAISOTCP网络结构 单元级、现场级 单元级、现场级 单元级、管理级适用范围 小范围、少数站点间通讯中等规模、中小量数据通讯大量数据、长距离通讯优势 并行规模上可伸缩性很强全球数字化通信、分布式控制协议开放、通信速率高、支持冗余不足 效率低、不直观传输速率较低、各种此案长总线不兼容实时性、可靠性较差表 2.3 三种通讯方式的比较S7-300 的通信分三层网络结构。现场设备层（现场层）的功能是连接现场设备。这一层主要使用 AS-I 网络。车间监控层（单元层）的功能是用来完成车间主设备之间的连接，实现车间级设备的监控。工厂管理层（