基于PLC的磁控濺射溫度控制系統設計

　　磁控濺射溫度控制系統的精度和運行穩定性對沉積結構穩定和性能優(yōu)良的薄膜材料極為重要。本文以西門(mén)子S7-300 可編程控制器(PLC)為控制核心，通過(guò)觸摸屏構成人機交換界面(HMI)，論述了磁控濺射溫度控制系統的性能特征與控制方法。以STEP 7 為軟件平臺，擴展PLC 模擬量輸入模塊SM331對熱電阻標準模擬信號實(shí)現A/D 轉換;在定時(shí)中斷組織模塊(OB35)中循環(huán)調用溫度功能塊(FB58)編程實(shí)現對溫度的PID 閉環(huán)控制;結合FB58 集成的脈寬調制輸出功能，將PID 運算結果轉換成脈沖占空比控制固態(tài)繼電器執行。PLC 與HMI 基于MPI 協(xié)議實(shí)現通信功能，采用WinCC flexible 組態(tài)友好的控制界面，完成數據輸入/ 輸出、參數修改、實(shí)時(shí)監控和報警聯(lián)鎖。該系統縮短了控制回路的調節時(shí)間，并減小超調量，提高了磁控濺射溫度控制的自動(dòng)化水平、控制精度和穩定性。

　　磁控濺射鍍膜技術(shù)是目前廣泛應用到光學(xué)、材料、電子和半導體等領(lǐng)域的一種薄膜沉積方法。采用磁控濺射技術(shù)制備的薄膜所獲得的附著(zhù)力、電化學(xué)和光學(xué)等性能均受濺射溫度的影響。磁控濺射沉積二氧化硅時(shí)，隨著(zhù)基片溫度的增加，薄膜的沉積速率明顯下降，折射率不斷上升，并產(chǎn)生固體結構變化。

　　傳統繼電器控制系統受結構復雜、穩定性差、控制精度低等諸多因素的限制，難以滿(mǎn)足現代工業(yè)對控制系統的要求�？删幊炭刂破�

　　(PLC)以功能強、集成度高、可靠性強、移植性好和通訊功能強大等優(yōu)點(diǎn)，受到工業(yè)控制的廣泛應用。PLC 不僅具備簡(jiǎn)單邏輯控制功能，而且基于現代控制算法可以實(shí)現系統的閉環(huán)控制、智能控制和功能完善的綜合控制。溫度控制系統具有慣性大、延遲時(shí)間長(cháng)等特點(diǎn)，系統對溫度控制量的反應時(shí)間長(cháng)，對薄膜的沉積帶來(lái)不利影響。本系統以磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線(xiàn)的沉積溫度為控制目標，考慮到系統的控制規模較大、控制點(diǎn)較多、對控制精度要求較高等特點(diǎn)， 選用SIEMENS S7-300PLC 做為控制系統的核心部件，負責采集和處理數據，并通過(guò)上位機的遠程監控和HMI 的本地控制相結合，對磁控濺射鍍膜設備溫度控制系統進(jìn)行了新的設計。

1、系統設計

　　以S7-300 PLC 為控制核心來(lái)實(shí)現溫度的PID 閉環(huán)控制，有兩種控制方案：一種是擴展專(zhuān)用溫度控制器模塊(FM355)來(lái)完成溫度控制;另一種是擴展模擬量輸入/ 輸出模塊，結合STEP7 編程調用功能塊來(lái)實(shí)現控制要求。

　　1.1、擴展溫度控制模塊FM355

　　FM355 是專(zhuān)門(mén)用于S7-300、M7-300 和ET200M 自動(dòng)化系統中的溫度控制器模塊，包含可通過(guò)自由化功能進(jìn)行組態(tài)的PID 控制器和集成的控制算法，功能穩定可靠，使用簡(jiǎn)單方便，能夠獨立完成PID 控制信號的采樣和計算，不占用CPU 掃描時(shí)間。CPU 通過(guò)專(zhuān)用函數與FM355 模塊進(jìn)行數據交換，實(shí)現命令發(fā)送和信號反饋。FM355模塊在CPU 故障停止的情況下可自動(dòng)切換到后援操作模式，避免由于CPU 停止而造成的控制失控，保證系統穩定性，但FM355 模塊硬件成本過(guò)高，且靈活性差。擴展溫度控制模塊的溫控系統結構如圖1 所示。

圖1 擴展溫度控制模塊的溫控系統

　　1.2、擴展模擬量輸入/輸出模塊

　　通過(guò)溫度傳感器采集到的信號為模擬信號，需要經(jīng)過(guò)一系列的處理，轉化為能夠被CPU 接收的數字信號。PLC 控制系統中，部分CPU 不具備直接采集模擬信號的功能，需要通過(guò)擴展模擬量輸入模塊對其進(jìn)行A/D 轉換，轉化成為標準數字信號供PLC 處理。S7-300 PLC 可擴展模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332 和模擬量輸入/ 輸出混合模塊SM334，對于SM331 模塊，可選擇電壓、電阻、電流、熱電阻、熱電偶等輸入信號類(lèi)型，而SM332 模塊提供電壓和電流兩種輸出類(lèi)型。西門(mén)子軟件中有多種PID 控制器，如集成于STEP7 的FB41、FB42、FB43 和FB58 等控制函數，它們是系統固化的純軟件控制器，運行過(guò)程中循環(huán)掃描，其數據存儲分配在背景數據塊中。純軟件控制器對編程人員來(lái)說(shuō)具有很高的靈活性和可操作性，基于工程應用中被控對象的特性，將不同控制算法搭接為一個(gè)完整PID 控制回路，通過(guò)軟件編程就能實(shí)現FM 355 的硬件功能，滿(mǎn)足控制系統設計要求�？紤]到硬件成本和性?xún)r(jià)比等問(wèn)題，中型控制系統常采用PLC 軟件編程來(lái)實(shí)現溫度的PID 閉環(huán)控制。綜合考慮，本系統采用擴展模擬量輸入模塊來(lái)實(shí)現溫度的閉環(huán)控制。擴展模擬量輸入模塊的溫控系統結構如圖2 所示。

圖2 擴展模擬量輸入模塊的溫控系統

　　1.3、輸入輸出控制

　　測量變送元件常選熱電偶或熱電阻兩種溫度器件，熱電偶的溫度測量范圍較寬, 測溫性能比較穩定,動(dòng)態(tài)響應好;熱電阻的穩定性強、靈敏度高、互換性以及準確性較好，溫度測量范圍：-200℃至850℃。由磁控濺射鍍膜技術(shù)原理可知，本系統對于溫度測量的精度和穩定性要求較高，選取熱電阻傳感器PT100 為測量元件，輸入電壓模擬信號。PT100 溫度傳感器與模擬量輸入(AI)模塊的簡(jiǎn)化接線(xiàn)如圖3 所示。模擬輸入電路中，采用4 導線(xiàn)端子測量方式，通過(guò)端子IC0+ 和IC0- 為傳感器提供恒定電流，M0+ 和M0- 測量傳感器上產(chǎn)生的電壓。

圖3 溫度傳感器接線(xiàn)圖

　　真空室的加熱由均勻布置的電阻加熱器完成，控制方式通過(guò)PLC 輸出脈沖信號控制固態(tài)繼電器(SSR)執行。SSR 是內部無(wú)任何機械運動(dòng)的無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制端信號對交流電源通斷實(shí)現控制，是典型弱電控制強電的電器元件，其輸入和輸出采用光耦合器隔離，具有良好抗干擾性能，廣泛應用于微電路及計算機控制。固態(tài)繼電器內部結構如圖4 所示，其中VD：發(fā)光二極管，VT：雙向晶閘管。

圖4 固態(tài)繼電器內部結構圖

2、軟件組態(tài)

　　2.1、硬件配置

　　本系統設計基于STEP7 5.5 為軟件開(kāi)發(fā)平臺，啟動(dòng)SIMATIC Manager 創(chuàng )建溫度控制系統項目， 并生成S7-300 站點(diǎn)。打開(kāi)對象進(jìn)入HWConfig 界面調用配置表，根據訂貨號和硬件組態(tài)順序，依次插入機架、電源模塊、CPU 和I/O 模塊等。圖5 所示為SIMATIC 管理器配置圖。

圖5 SIMATIC 管理器配置圖

　　進(jìn)入CPU 300 屬性對話(huà)框，設置站地址為2，接口類(lèi)型為MPI ;打開(kāi)模擬量輸入參數修改窗口， 選擇測量類(lèi)型為RTD， 測量范圍為PT100 standard range。根據輸入元件為熱電阻，安裝模擬量輸入模塊時(shí)選擇正確的量程卡為A 位置。

　　2.2、功能塊FB58 調用

　　在STEP 7 中創(chuàng )建并進(jìn)入循環(huán)中斷OB35，選擇庫文件進(jìn)入Libraries→Standard Library→PIDControl Blocks， 實(shí)現連續調用溫度控制功能塊FB58 輸出脈沖信號，FB58 如圖6 所示。為FB58 建立背景數據塊DB58，通過(guò)背景數據塊可直接修改相關(guān)控制參數，背景數據塊如圖7 所示。

圖6 功能塊FB58

圖7 背景數據塊

　　FB58 具有初始化例行程序，啟動(dòng)時(shí)執行組織塊OB100，在其中調用FB58 用于實(shí)現PID 控制器的初始化操作。當參數COM_RST=TRUE 時(shí)執行該程序，所有PID 內部參數都復位到初始值，初始化程序處理完畢后，將COM_RST 重新設置為FALSE，開(kāi)始PID 控制計算。

　　2.3、參數配置

　　FB58 提供過(guò)程值輸入通道， 設置PVPER_ON=True 時(shí)，選取模擬量輸入通道為直接從PV_PER 輸入，即輸入本文中溫度的反饋值。設置PER_MODE=0 為熱電阻標準模擬量輸入類(lèi)型。FB58 集成脈寬調制輸出功能，通過(guò)將PID 的運算結果換算成對應的脈沖占空比控制固態(tài)繼電器實(shí)現加熱，FB58 脈沖輸出環(huán)節的關(guān)鍵參數：CYCLE：PID 控制器的采樣時(shí)間;CYCLE_P：脈沖輸出的刷新時(shí)間;PER_TM：脈沖輸出的周期時(shí)間;PULSE_ON：脈沖輸入使能;P_B_TM：最小脈沖/ 制動(dòng)時(shí)間。

　　FB58 中PID 控制器運算和脈沖輸出是兩個(gè)相互獨立的過(guò)程，有各自的運算周期。參數CYCLE由被測量的變化規律決定，參數PER_TM 與參數CYCLE_P 的關(guān)系決定了脈寬調制的精度。FB58 提供SELECT 參數來(lái)協(xié)調PID 控制器和脈沖輸出的周期，SELECT 的取值可以為0、1、2 或3。本系統參數設置：SELECT=0，OB35 周期時(shí)間= 20ms ，CYCLE_P=20 ms ，CYCLE=400 ms ，PER_TM=1000ms。根據經(jīng)驗，上述參數的設置遵循一定原則，并需要在設備實(shí)際運行過(guò)程中調試獲得最優(yōu)參數(TI 為積分時(shí)間)：

　　(1)CYCLE≤0.1*TI

　　(2)PER_TM≥50*CYCLE_P

　　(3)PER_TM≤0.05*TI

　　脈沖輸出計算一般取PER_TM /CYCLE_P>50，在每個(gè)CYCLE_P 時(shí)間間隔里，脈沖輸出單元運算一次以確定下一次CYCLE_P 的輸出為高電平或低電平。很明顯PER_TM 和CYCLE_P 的比值越大，控制精度越高。若PID 脈沖輸出的高電平時(shí)間接近100%，低電平時(shí)間接近0，此時(shí)執行機構需要在極短的時(shí)間內完成開(kāi)斷，這對設備的壽命影響極大，通過(guò)設置P_B_TM 就可以避免此問(wèn)題，本系統設置P_B_TM 為20 ms。

3、觸摸屏界面設計

　　人機界面是系統與用戶(hù)交換信息的媒介，以方便操作、直觀(guān)快捷為設計原則，強調人性化。方案選用SIEMENS TP177B PN/DP-6 觸摸屏搭建測控系統，TP177B 觸摸面板有助于提高項目的使用效率，適用于工業(yè)控制中等級別的HMI 操作和監視任務(wù)。本系統采用MPI 協(xié)議完成PLC 與HMI通信功能，實(shí)現對磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線(xiàn)沉積溫度的本地控制，保證系統高效穩定運行。HMI 界面設計基于WinCC flexible 2008 軟件進(jìn)行組態(tài)，對系統溫度完成輸入設置、PID 參數修改、實(shí)時(shí)顯示和報警連鎖等功能，圖8 所示為溫度監控界面。

圖8 溫度監控界面

4、結論

　　基于磁控濺射鍍膜技術(shù)對溫度控制系統的較高要求，以西門(mén)子S7-300 PLC 為控制核心，采用PID 閉環(huán)控制算法，組態(tài)友好的人機交換界面，設計了合理的溫度控制系統方案。PLC 和觸摸屏的配合使用組成功能完善的控制系統，實(shí)現了系統集成化和可視化，簡(jiǎn)化了現場(chǎng)操作，并方便工藝的優(yōu)化;PID 閉環(huán)控制算法的應用，有效縮短控制回路的調節時(shí)間，減小超調量，提高了溫度控制的精度和系統運行的穩定性。