PLC的磁控溅射温度控制系统设计

PLC的磁控溅射温度控制系统设计磁控溅射温度控制系统的精度和运行稳定性对沉积构造稳定和性能优良的薄膜材料极为重要。本文以西门子S7-300可编程控制器(PLC)为控制核心，通过触摸屏构成人机交换界面(HMI)，论述了磁控溅射温度控制系统的性能特征与控制方法。以STEP7为软件平台，扩展PLC模拟量输入模块SM331对热电阻标准模拟信号实现A/D转换;在定时中断组织模块(OB35)中循环调用温度功能块(FB58)编程实现对温度的PID闭环控制;结合FB58集成的脉宽调制输出功能，将PID运算结果转换成脉冲占空比控制固态继电器执行。PLC与HMI基于MPI协议实现通信功能，采用WinCCflexible组态友好的控制界面，完成数据输入/输出、参数修改、实时监控和报警联锁。该系统缩短了控制回路的调节时间，并减小超调量，提高了磁控溅射温度控制的自动化水平、控制精度和稳定性。

磁控溅射镀膜技术是目前广泛应用到光学、材料、电子和半导体等领域的一种薄膜沉积方法。采用磁控溅射技术制备的薄膜所获得的附着力、电化学和光学等性能均受溅射温度的影响。磁控溅射沉积二氧化硅时，随着基片温度的增加，薄膜的沉积速率明显下降，折射率不断上升，并产生固体构造变化。

传统继电器控制系统受构造复杂、稳定性差、控制精度低等诸多因素的限制，难以满足现代工业对控制系统的要求。可编程控制器

(PLC)以功能强、集成度高、可靠性强、移植性好和通讯功能强大等优点，受到工业控制的广泛应用。PLC不仅具备简单逻辑控制功能，而且基于现代控制算法可以实现系统的闭环控制、智能控制和功能完善的综合控制。温度控制系统具有惯性大、延迟时间长等特点，系统对温度控制量的反应时间长，对薄膜的沉积带来不利影响。本系统以磁控溅射镀膜生产线的沉积温度为控制目标，考虑到系统的控制规模较大、控制点较多、对控制精度要求较高等特点，选用SIEMENSS7-300PLC做为控制系统的核心部件，负责采集和处理数据，并通过上位机的远程监控和HMI的本地控制相结合，对磁控溅射镀膜设备温度控制系统开展了新的设计。1、系统设计

以S7-300PLC为控制核心来实现温度的PID闭环控制，有两种控制方案：一种是扩展专用温度控制器模块(FM355)来完成温度控制;另一种是扩展模拟量输入/输出模块，结合STEP7编程调用功能块来实现控制要求。

1.1、扩展温度控制模块FM355

FM355是专门用于S7-300、M7-300和ET200M自动化系统中的温度控制器模块，包含可通过自由化功能开展组态的PID控制器和集成的控制算法，功能稳定可靠，使用简单方便，能够独立完成PID控制信号的采样和计算，不占用CPU扫描时间。CPU通过专用函数与FM355模块开展数据交换，实现命令发送和信号反应。FM355模块在CPU故障停止的情况下可自动切换到后援操作模式，防止由于CPU停止而造成的控制失控，保证系统稳定性，但FM355模块硬件成本过高，且灵活性差。扩展温度控制模块的温控系统构造如图1所示。

图1扩展温度控制模块的温控系统

1.2、扩展模拟量输入/输出模块

通过温度传感器采集到的信号为模拟信号，需要经过一系列的处理，转化为能够被CPU接收的数字信号。PLC控制系统中，部分CPU不具备直接采集模拟信号的功能，需要通过扩展模拟量输入模块对其开展A/D转换，转化成为标准数字信号供PLC处理。S7-300PLC可扩展模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入/输出混合模块SM334，对于SM331模块，可选择电压、电阻、电流、热电阻、热电偶等输入信号类型，而SM332模块提供电压和电流两种输出类型。西门子软件中有多种PID控制器，如集成于STEP7的FB41、FB42、FB43和FB58等控制函数，它们是系统固化的纯软件控制器，运行过程中循环扫描，其数据存储分配在背景数据块中。纯软件控制器对编程人员来说具有很高的灵活性和可操作性，基于工程应用中被控对象的特性，将不同控制算法搭接为一个完整PID控制回路，通过软件编程就能实现FM355的硬件功能，满足控制系统设计要求。考虑到硬件成本和性价比等问题，中型控制系统常采用PLC软件编程来实现温度的PID闭环控制。综合考虑，本系统采用扩展模拟量输入模块来实现温度的闭环控制。扩展模拟量输入模块的温控系统构造如图2所示。

图2扩展模拟量输入模块的温控系统

1.3、输入输出控制

测量变送元件常选热电偶或热电阻两种温度器件，热电偶的温度测量范围较宽,测温性能比较稳定,动态响应好;热电阻的稳定性强、灵敏度高、互换性以及准确性较好，温度测量范围：-200℃至850℃。由磁控溅射镀膜技术原理可知，本系统对于温度测量的精度和稳定性要求较高，选取热电阻传感器PT100为测量元件，输入电压模拟信号。PT100温度传感器与模拟量输入(AI)模块的简化接线如图3所示。模拟输入电路中，采用4导线端子测量方式，通过端子IC0+和IC0-为传感器提供恒定电流，M0+和M0-测量传感器上产生的电压。

图3温度传感器接线图

真空室的加热由均匀布置的电阻加热器完成，控制方式通过PLC输出脉冲信号控制固态继电器(SSR)执行。SSR是内部无任何机械运动的无触点电子开关，通过控制端信号对交流电源通断实现控制，是典型弱电控制强电的电器元件，其输入和输出采用光耦合器隔离，具有良好抗干扰性能，广泛应用于微电路及计算机控制。固态继电器内部构造如图4所示，其中VD：发光二极管，VT：双向晶闸管。

图4固态继电器内部构造图2、软件组态

2.1、硬件配置

本系统设计基于STEP75.5为软件开发平台，启动SIMATICManager创立温度控制系统项目，并生成S7-300站点。打开对象进入HWConfig界面调用配置表，根据订货号和硬件组态顺序，依次插入机架、电源模块、CPU和I/O模块等。图5所示为SIMATIC管理器配置图。

图5SIMATIC管理器配置图

进入CPU300属性对话框，设置站地址为2，接口类型为MPI;打开模拟量输入参数修改窗口，选择测量类型为RTD，测量范围为PT100standardrange。根据输入元件为热电阻，安装模拟量输入模块时选择正确的量程卡为A位置。

2.2、功能块FB58调用

在STEP7中创立并进入循环中断OB35，选择库文件进入Libraries→StandardLibrary→PIDControlBlocks，实现连续调用温度控制功能块FB58输出脉冲信号，FB58如图6所示。为FB58建立背景数据块DB58，通过背景数据块可直接修改相关控制参数，背景数据块如图7所示。

图6功能块FB58

图7背景数据块

FB58具有初始化例行程序，启动时执行组织块OB100，在其中调用FB58用于实现PID控制器的初始化操作。当参数COM_RST=TRUE时执行该程序，所有PID内部参数都复位到初始值，初始化程序处理完毕后，将COM_RST重新设置为FALSE，开始PID控制计算。

2.3、参数配置

FB58提供过程值输入通道，设置PVPER_ON=True时，选取模拟量输入通道为直接从PV_PER输入，即输入本文中温度的反应值。设置PER_MODE=0为热电阻标准模拟量输入类型。FB58集成脉宽调制输出功能，通过将PID的运算结果换算成对应的脉冲占空比控制固态继电器实现加热，FB58脉冲输出环节的关键参数：CYCLE：PID控制器的采样时间;CYCLE_P：脉冲输出的刷新时间;PER_TM：脉冲输出的周期时间;PULSE_ON：脉冲输入使能;P_B_TM：最小脉冲/制动时间。

FB58中PID控制器运算和脉冲输出是两个相互独立的过程，有各自的运算周期。参数CYCLE由被测量的变化规律决定，参数PER_TM与参数CYCLE_P的关系决定了脉宽调制的精度。FB58提供SELECT参数来协调PID控制器和脉冲输出的周期，SELECT的取值可以为0、1、2或3。本系统参数设置：SELECT=0，OB35周期时间=20ms，CYCLE_P=20ms，CYCLE=400ms，PER_TM=1000ms。根据经验，上述参数的设置遵循一定原则，并需要在设备实际运行过程中调试获得最优参数(TI为积分时间)：

(1)CYCLE≤0.1*TI

(2)PER_TM≥50*CYCLE_P

(3)PER_TM≤0.05*TI

脉冲输出计算一般取PER_TM/CYCLE_P>50，在每个CYCLE_P时间间隔里，脉冲输出单元运算一次以确定下一次CYCLE_P的输出为高电平或低电平。很明显PER_TM和CYCLE_P的比值越大，控制精度越高。若PID脉冲输出的高电平时间接近100%，低电平时间接近0，此时执行机构需要在极短的时间内完成开断，这对设备的寿命影响极大，通过设置P_B_TM就可以防止此问题，本系统设置P_B_TM为20ms。3、触摸屏界面设计

人机界面是系统与用户交换信息的媒介，以方便操作、直观快捷为设计原则，强调人性化。方案选用SIEMENSTP177BPN/DP-6触摸屏搭建测控系统，TP177B触摸面板有助于提高项目的使用效率，适用于工业控制中等级别的HMI操作和监视任务。本系统采用MPI协议完成PLC与HMI通信功能，实现对磁控溅射镀膜生产线沉积温度的本地控制，保证系统高效稳定运行。HMI界面设计基于WinCCflexible20**软件开展组态，对系统温度完成输入设置、PID参数修改、实时显示和报警连锁等功能，图8所示为温度监控界面。