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摘 要 随着镀膜工艺的发展，镀膜精度的要求不断提高，控制规律不断复杂多变，传统的继电器—接触器控制系统，由于电器触点数量多，可靠性差，控制手段落后，误差大，难以达到所期望的效果。有时因为一个继电器或一条连线出现故障都会造成整个系统运行不正常，而且查找和排除故障困难。另一个是适应性差。设备改造需再重新设计，改变继电器和接线方式，造成大量的资源浪费。 针对传统继电器控制系统存在的问题，本系统主控部分采用了可编程控制器（PLC）。PLC是一种工业微机，具有抗干扰能力强，工作可靠性高，平均无故障时间长，可在恶劣的环境下正常工作，并可方便地与上位计算机联网等特点，此外还可以大大缩短系统的设计、安装和调试周期，加快工程进度。 本系统应用PLC技术，实现真空镀膜系统的真空“手动/半自动”控制。操作简单、方便、直观。 关键字：真空镀膜系统；可编程控制器（PLC）；复合真空计；低真空；高真空 Abstract With the development of the thin—film deposition, the requirements for the precision of film have been raising continuously and the rules of controlling have changed in the much more complicated way. Because the electric appliances touch many times, the controlling instrument is not advanced and the error margin is big, the traditional controlling system of the electric appliances- the contact machine is difficult to attain the expected result. Sometimes the malfunction of one relay or one electric line will cause the whole system fail and it is difficult to check or eliminate the malfunction. Another is low application. The equipment change needs redesigning, but the change of relay and the line connecting method will waste large resources. To solve these problems of the traditional relay controlling system, the main controller of the current system adopts the Programmable Logic Controller (PLC). PLC is a kind of industrial machine, having the stronger anti- interference abilities and longer Mean Time TO First Failure (MTTF). It also can work under the sordid environment normally, and can link with calculator conveniently on line and so on. Besides, the system can shorten the design, installation and trying period of the system and speed the project. The system applied the PLC technique, carrying out the vacuum" manual/ half auto" controlling and the operation is simple, convenience and easy to understand. Keywords: vacuum thin—film deposition system; Programmable Logic Controller (PLC); vacuometer complex;low vacuum;high vacuum
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在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。在不同的真空状态下,应用各种不同的真空工艺以达到为生产及科学研究服务的目的。目前可以说 ,从每平方厘米表面上有上百个电子元件的超大规模集成电路的制造，到几公里长的大型加速器的运转,从民用装饰品的生产到受控核聚变、人造卫星、航天飞机的问世，都与真空工艺技术密切相关。 真空科学的应用领域很广,目前已经渗透到车辆、土木建筑工程、机械、包装、环境保护、医药及医疗器械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、原子能、半导体、航空航天、低温、专用机械、纺织、造纸、农业以及民用工业等工业部门和科学研究工作中。 我国的真空获得和测量水平上还是和国际水平有一定的距离，不少真空设备还保持在国外六十年代的水平，采用传统的继电器控制，系统工作不稳定，故障率高，生产效率低，随着可编程控制器（PLC）的出现，越来越多的机床设备改造为PLC控制，但先进国家已经采用工控机控制，追赶当前国际上在极高真空测量和特殊条件下的真空测量领域中的先进水平、是我国一个技术革新的艰巨任务。 传统真空镀膜控制系统一般采用继电器—接触器控制系统，通过按钮操作来启动和关闭，实现真空镀膜过程。由于电器触点数量多，可靠性较差，控制方式落后。在操作过程中环节多，，劳动强度大，容易出错。采用继电器控制，其输出线路上的火花大，容易对控制系统、仪器设备产生干扰，常造成系统工作不稳定，甚至死机。有时因为一个继电器或一条连线出现故障都会造成整个系统运行不正常，而且查找和排除故障困难。另一个是适应性差。设备改造需再重新设计，改变继电器和接线方式，造成大量的资源浪费。 PLC是专为工业环境应用而设计的计算机，可靠性高、I/O接口模块丰富，软件编程简单，新一代的各类PLC都具有通信功能。它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC和计算机之间的通信，针对机械强度要求高，工作环境不好、控制规律复杂多变的特点，对真空镀膜机实行了从继电器向PLC的改造。达到了“集中管理、分散控制”的目的，成功实现了真空镀膜机的转运机械化，减轻了工人的劳动强度，提高了其生产效率。 真空技术是制备薄膜的基础，真空蒸发，溅射镀膜和离子镀等均要求沉积薄膜的空间要有一定的真空度，因而获得并保持真空环境是镀膜的必要条件。 要获得真空就需要真空系统。真空系统一般包括待抽空的容器（真空室）、获得真空的设备（真空泵）、测量真空的器具（真空计）以及必要的管道、阀门和其它附属设备。能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的泵称为“前级泵”；另一些却只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵常称为“次级泵”。 任何一个真空系统，都不可能是绝对真空（P=0），而是具有一定的压强，该压强称为极限压强（或极限真空），是该系统所能达到的最低压强，是真空系统能否满足镀膜需要的重要指标之一。第二个重要指标是抽气速率，指的是规定压强下单位时间所抽出气体，它决定抽真空所需要的时间。 真空系统最重要的性能参数是其所能获得的极限真空度和对容器的有效抽速。 根据真空室体的腔体大小和所要求的真空度、抽气时间来确定本真空系统的配置。本系统的真空指标如下表2.1 表2.1 真空系统真空指标
真空设计根据工艺要求完成真空系统设计，其真空系统配置如下表2.2： 表2.2真空泵配置及指标
在可编程序控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛应用于工业生产的各个领域。随着生产规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统已愈来愈难以适应，因为继电器控制电路通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制、定时、计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生了变化，就必须进行重新设计、布线、装配和调试。显然这样的控制系统不能满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。 PLC从结构上可分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 可编程控制器（PLC）是以微外理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种工业自动控制装置。它具有体积小，功能强、程序设计简单、灵活、通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。被广泛应用于机械、冶金、化工、交通、电力等领域中。 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 全面权衡利弊、合理地选择PLC机型才能达到经济实用的目的。一般选择PLC机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全、以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择从以下几个方面来考虑： 1、输入/输出点的选择 盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。要先弄清楚控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的确15～20％留下，留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。 在本系统中，输入点均是数字开关量输入类型，输出点为各种泵、阀的控制，均可以用继电器控制。其输入、输出点一览表见下表3.1 表3.1 输入、输出点一览表
图中，输入点数量为24点，输出点为15点， （点） 本系统选用FX2N系列的PLC，其型号为FX2N—48MR。其中： 输入点24点，输出点24点 输出点为继电器输出方式 输入点并且自带3.3K的电阻，可以直接与开关、按钮相连接。 输入、输出点自带隔离器、滤波器，不需要在外部与器件相连时再加隔离变压器，节约开支。 2、对存储容量的选择 对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关时进行控制的系统中，可以用输入总点数乘以10字/点+输出总点数乘以5字/点不估算；计数器/定时器按（3～5）字/个估算；有运算处理时按（5～10）字/个估算；在有模拟时输入/输出的系统中，可以按每输入（或输出）一路模拟量约需（80～100）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。最后按估算容量的50～100％留有裕量。对缺乏经验的设计者，选择容量时留有裕量要大些。 3、对I/O响应时间的选择 PLC的I/O响应包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。对于开关量控制的系统，PLC的I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑这个问题。 本系统中的I/O点均选用的是继电器输入输出点，是开关量控制。其PLC响应时间为10ms，完全可以达到其要求。 4、根据输出负载的特点选型 不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的PLC有许多优点，如导能压降小，有隔离作用，价格相能对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。 负载（机械泵、扩散泵、罗茨泵、维持泵）不能直接接在PLC的输出点上，因PLC的输出点只能够带通过电流为2A的电阴负载或80VA的感应性负载。以上负载均不符合标准，这里系统采用继电器—接触器的组合方式来完成其控制，用PLC的输出点来驱动继电器、接触器的驱动线包，可以在其PLC控制接线图中看到。 5、对在线和离线编程的选择 离线编程是指主机和编程器共用一个CPU，通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程、监控和运行工作状态。编程状态时，CPU只为编程服务，而不对现场进行控制。专用编程器编程属于这种情况。在线编程是指主机和编程器各有一个CPU，主机的CPU完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将新的程序对现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需购置计算机，并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。 对产品定型、工艺过程不变的系统可以选择离线编程，以降低设备的投资费用。 6、根据是否联网通信选型 若PLC控制的系统需要联入工厂自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。 本系统选用PLC的FX2N系列同样具有通信口，可以实现和上位机之间的通信,也可以组成一个自动控制网络系统。 7、对PLC结构形式的选择 在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式比模块式价格低。但是模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。 FX系列PLC有直流24V输出接线端，该接线端可为输入传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。本系统中采用台湾明纬提供的24V开关电源，对24V电气按钮供电。 在选好FX2N系列PLC后，在这里需要对外围元器件进行简单的说明，按钮选用施耐德的24V自带锁、自带指示灯的操作开关。接触器选用LG的MGC系列接触器。其它元器件及仪表不再一一说明。 4 详细设计 FX2N系列PLC提供的编程语言有标准语言梯形图语言、语句表语言（类似于汇编语言）和逻辑功能图语言三种语言。 逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入，右边画输出。在这里采用梯形图来完成对本系统的FX2N系列PLC编程，与计算机联网，在调试中能在线监控，查找错误方便、直观，这样可以节约很多时间，对于初学者来说是一个很好的学习成长方式。 工作方式为手动和自动两种都由PLC程序控制。 手动设：“机械泵”、“罗茨泵”、“扩散泵”、“低阀”、“防湍阀”、“旁通阀”“预阀”、“高阀”、“放气阀”按钮，按钮为自锁按钮，按下“开”，复位（脱开）“关”。 自动设：“自动”、“开机”、“真空”、“取件”按钮。 手动操作程序：开机：开机械泵10s→开阀（对扩散泵抽真空）30s→罗茨泵自动开（快速对扩散泵抽真空）→开扩散泵80min→扩散泵处于正常工作状态→关预阀→罗茨泵自动关→开低阀60 s→罗茨泵自动开→真空度达到5～2Pa→真空计低真空信号指示灯亮→关低阀→开预阀→开高阀→真空计自动转入高真空测量，待真空达到工作真空后即可进行蒸镀工作，蒸镀结束→关高阀→开热水器，待室体门加热至40℃以上时→开放气阀→真空计自动关3s→大气放入室内→打开室体门取出工件第一周期完毕。 装入工件关室体门→关放气阀→真空计恢复工作→关预阀→罗茨泵自动停→开低阀→……第二个工作周期开始 停机：当最后一次蒸镀工作结束后不必取出工件→关高阀→关真空计电源→关扩散泵15min后打开扩散泵快冷阀门60min→关预阀→罗茨泵自动关→关机械泵→泵口管道放气阀自动放气→关气源、水源、电源结束当日工作。 其真空自动流程控制图如图4.1所示。 图4.1 真空自动流程控制图 在抽真空过程中，将系统抽真空的过程分成四个阶段，首先是室门关上，腔体内是在大气压状态下，第一阶段是用机械泵抽真空至粗真空（上限设定为102Pa）时，进行一次泵阀切换进入第二阶段，在第二阶段用罗茨泵快速抽真空至低真空（上限设定为10-1Pa）进行第二次泵阀切换进入第三阶段，用扩散泵抽真空，机械泵作为其前级泵。进入到高真空，到系统设定的真空度3×10-4Pa以上，说明系统达到要求，可以镀膜。 其真空系统流程图见下图4.2所示。 图4.2 真空系统流程图 采用AutoCAD 2004绘制，电气原理图如下：
图4.4 泵阀电气原理图
图4.5 扩散泵电气原理图
图4.6 PLC输入原理图
图4.7 PLC输出原理图
图4.8 仪器仪表电气原理图
本系统中PLC的型号选用日本三菱公司的FX2N系统PLC，其型号为FX2N—48MR—001，在熟悉了真空系统工艺流程后，就将对PLC实行编程，以完成其对真空镀膜机的自动真空控制，下面简单介绍一下PLC程序设计的步骤，其如图4.9所示。 图4.9 程序设计步骤图 1、选择“自动”方式工作时，“开机”是初始状态，“真空”须在“开始”下运行，“取件”则可在“自动”方式下任一时间工作。 2、真空、取件不能同时工作。 3、所有阀门必须在满足气压条件下工作，扩散泵必须在满足水流条件下工作。 4、高阀、低阀必须在室门关好确认之后工作，且高阀、低阀不能同时工作。 5、低阀，预阀不能同时工作。 6、放气阀只能在高阀关到位，低阀不开的情况下工作。 7、罗茨泵在真空度10-2Pa以上不能工作。 8、机械泵、罗茨泵、扩散泵、防湍阀不能直接起动，需加一功率匹配的接触器—继电器组合来实现其驱动。 2005年在四川真空镀膜设备制造商---南光工作过一段时间，镀膜工艺方面感谢高级工程师何开朗、郭庆胜等老师的指点，个人结合公司设备、国内外镀膜工艺发展对镀膜设备的电气化、自动化改造升级方面进行了一些研究和总结。 在本系统中采用了PLC控制，代替了原来的继电器—接触器控制方式，抗干扰能力更强，工作可靠性高，平均无故障时间长，可在恶劣的环境下正常工作，并可方便地与上位计算机联网，此外还大大缩短系统的设计、安装和调试周期，加快工程进度。使控制规律变成了更加人性化。 在今后改造升级中，可能采用触摸屏来作为其控制界面，同时我们也会考虑到冗余结构形式，构成一个网络，使设备也能实现远程监控，在线监测。真空镀膜正不断向前发展，真空镀膜机也需要不断改进以适应新的镀膜的精度要求，我们还要不断的改进我们的设计方案，使系统更优化。
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