磁控溅射镀膜上位机控制系统设计论文.docx
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磁控溅射镀膜上位机控制系统设计论文
磁控溅射镀膜上位机控制系统设计论文
中文摘要...............................................................1
Abstract...............................................................2
1绪论................................................................4
1.1磁控溅射镀膜的现状与发展趋势...................................4
1.2磁控溅射镀膜的原理.............................................4
1.3设计的主要内容.................................................4
1.3.1PLC自动化程序控制.......................................4
1.3.2上位机组态................................................5
2控制系统整体设计方案及硬件选型......................................6
2.1控制系统整体设计................................................6
2.2硬件选型.......................................................8
3PLC与上位机控制系统设计...........................................12
3.1PLC控制系统设计...............................................12
3.1.1PLC硬件组态的选择方案...................................12
3.1.2PLC程序的设计...........................................14
3.2上位机控制系统的设计...........................................14
3.2.1上位机组态软件概述......................................14
3.2.2上位机组态软件的通讯方案.................................16
3.2.3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
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WINCCSiemens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
Abstract:
Magnetronsputteringisoneofthemaintechnologyincoatingindustrial,especiallyforlargeareadeposition,withhighdepositionrate,lowtemperaturerise.ThisdesignismainlytoSiemensS7-300andWINCCasthesoftwaredevelopingplatform.Accordingtotheworkingprincipleandprocesssystem,werealizeelectricalautomaticcontrolon———————————————————————————————————————————————
themagnetronsputteringcoatingprocessthroughtheS7-300programdesign.UsingthecomputerWINCCSiemenssystemforremotereal-timemonitoringoftheprocess.Realizethefunctionofdynamiccomputerdisplay,alarmswitchactionofanalogdatareal-timecollection,remoteprotectionandfaultetc.Inthispaperwemakeaselectionandconfigurationofhardwareandsoftwareofhecontrolsystem.AndusethesimulationmoduleofSiemensPLCandWINCCsoftwaretoanalyzetheprogramandsystem.Itachievedthe
dynamicdemoofcontrolsystemofuppermonitor
KeyWords:
Coatingmachine;controlsystem;PLC;WINCC
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
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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
1.3.1PLC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。
[1]
1.3.2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。
[2]组态软件的一般步骤:
（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
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（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。
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
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1,0.001Pa，前级工作压强为100,1Pa。
）、各靶电源电压、电流（工作电流20A,50A;工作———————————————————————————————————————————————
电压400,600V）、水温（0,80?
）、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。
2.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
[3]
2.2硬件选型
控制方案的选择:
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
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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]
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
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
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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（管理层）的功能是用来汇集各车间管理子网，通过网桥或路由器等连接的厂区骨干网的信息于工管理层。
[5]
MPI是多点接口的简称，S7-300集成了MPI通信协议和MPI物理层RS-485接口。
PLC通过MPI可以同时连接Step7编程器、计算机、人机界面和其他S7。
MPI可以完成车间设备之间的连接。
是用于车间级监控和现场层的通信系统。
S7-300/PLC可以通过通信处理器或集成在CPU上的Profibus-DP接口连接到Profibus-DP网上。
带有Profibus-DP主站/从站接口的CPU能实现高速和使用方便的分布式I/O控制。
Profibus的物理层是RS-485接口。
最大传输速率为12MBit/S，最多可以与127个节点进行数据交换。
PROFIBUS通信网络可以用来完成车间主设备和现场层之间的连接
[6]
工业以态网用于工厂管理层和单元层的通信系统。
用于对时间要求不太严
格，需要传送大量数据的场合。
西门子的工业以态网的传输速率为10M/100MBit/S，最多可以达到1024个网络节点，网络的最大范围为150Km。
鉴于对于实时性和可靠性的考虑，在这里我们选用现场总线。
上位机组态软件的选择:
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表2.4组态软件比较
所谓组态软件，是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们基于自动控
制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法。
其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能。
组态软件支持各种工控设备和常见的通信协议，并且提供分布式数据管理和网络功能。
[7]
目前世界上不少专业厂商包括专业软件公司和硬件/系统厂商生产和提供各种组态软件产品。
上位机组态软件的选择有很多种，其中以国外产品占主导地位。
上表选用了国外三种上位机组态软件进行了比较，基于软件的功能性差异不明显和与PLC间的配套问题，本次设计选择西门子公司的WINCC组态软件。
3PLC与上位机控制系统设计
3.1PLC控制系统设计
3.1.1PLC硬件组态的选择方案
数字量输入输出模块选型:
数字量输入信号4个:
总电源开关、水泵开关、镀膜启停开关、PLC模块极性信号
数字量输出信号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
在控制系统中有4个数字量输入信号、13个数字量输出信号，保留10%~20%的余量。
数字量输入信号:
4?
（1?
15%）?
4.6（取16点）
数字量输出信号:
13?
（1?
15%）?
14.95（取16点）
选择:
数字量输入模块:
1个6ES7321-1BHOO-OAAO
数字量输出模块:
1个6ES7322-8BHOO-OABO
模拟量输入输出模块选型
模拟量输入6个:
前级真空度、真空度、回水温度、气体质量流量、靶电源电压、电流
模拟量输出4个:
前级真空度、真空度、回水温度、气体质量流量
在控制系统中有6个模拟量输入信号、4个模拟量输出信号，保留10%~20%的余量
模拟量输入信号:
6?
（1?
15%）?
6.9（取8点）
模拟量输出信号:
4?
（1?
15%）?
4.6（取4点）
选择:
模拟量输入模块:
1个6ES7331-1KFOO-OABO
模拟量输出模块:
1个6ES7332-5HDOO-OABO
[8]
模块连接图:
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图3.1数字量模块连接
图3.2模拟量模块接口
3.1.2PLC程序的设计
磁控溅射镀膜控制系统的PLC设计中，PLC程序的逻辑顺序按照先前拟定的程序框图设计，满足控制系统的设计要求。
（1）数据采集
磁控溅射镀膜工艺中需要采集真空度、回水温度、气体质量流量、靶电源电流、靶电源电压等数据，经过PLC内部A/D转换处理，存储在PLC数据地址，用于程序运行扫描过程中的调用与处理。
（2）数据监测
数据监测要求:
1、前级真空度与真空度的实时监测，满足工艺要求
2、回水温度不得超过40摄氏度，显示报警
3、气体质量流量要低于80SCCM，显示报警
（3）程序设计、运行与调试
工艺运行程序是PLC控制系统的重点。
在设计中，采用西门子公司提供的step7软件编写S7-300梯形图运行程序。
运行程序需要采集实时数据，控制运行时间和回水温度等模拟量。
在外界给予设定的运行动作后，能实现整个流程的自动运行，完成设计要求。
由step7自带的仿真系统，能够在实际运行前调试整个运行程序，方便查错与修改。
[9]
3.2上位机控制系统的设计
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3.2.1上位机组态软件概述
“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControl
System简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。
组态软件，又称组态监控软件系统软件。
译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据采集与监视控制）。
它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。
在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。
在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
[11]
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统
监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
西门子公司的WINCC软件是西门子在自动化领域中先进技术与Microsoft的功能相结合的产物。
它是用于个人计算机的人机界面。
WINCC是通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案;多语言支持，全球通用;可以集成到所有自动化解决方案内;内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态;可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便;集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台;可用选件和附加件进行扩展;“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。
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它集成了SCADA、组态、脚本语言和OPC先进技术，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能，它继承了西门子公司的全集成自动化产品的技术先进和无缝集成的特点。
WINCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口，使用方式灵活，功能齐全。
用户在友好界面下进行组态、编程，形成所需的操作界面、监控画面、报警画面和趋势曲线等。
操作环境形象直观、软件设计周期短、工作效率高。
WINCC整体开放，可以方便的与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，也可将WINCC作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统
图3.3WINCC操作界面
上位机组态软件项目开发与组态环境:
为了开发和组态项目，WINCC提供了一组特殊编辑器，由WINCC的浏览器访问这些编辑器。
每一个编辑器可以对WINCC某一个专门的子系统进行组态。
WINCC主要的子系统:
（1）图形系统:
用来建立显示图形的编辑器
（2）报警系统:
组态报警
（3）归档系统:
对指定的数据进行归档
（4）报告系统:
编辑建立一个报告格式
（5）通信系统:
能直接在WINCC的浏览器中进行组态，所有的组态数据都存储在CS的数据库中
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上位机组态软件的实时运行任务
（1）读取存储在CS数据库中的数据
（2）显示实时状态
（3）与自动化系统通信
（4）对例如模拟量与报警时间等实时数据进行归档
（5）过程实时运行
3.2.2上位机组态软件的通讯方案
WINCC使用变量管理器来处理变量的集中管理，此变量管理器不为用户所见。
它处理WINCC项目产生的数据和存储在项目数据库中的数据。
在WINCC运行系统中，它管理WINCC变量。
WINCC的所有应用程序必须以WINCC变址的形式从变址管理器中请求数据，这些WINCC应用程序包括图形运行系统
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