磁控濺射溫度控制系統(tǒng)的精度和運(yùn)行穩(wěn)定性對沉積結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和性能優(yōu)良的薄膜材料極為重要。本文以西門子S7-300 可編程控制器(PLC)為控制核心，通過觸摸屏構(gòu)成人機(jī)交換界面(HMI)，論述了磁控濺射溫度控制系統(tǒng)的性能特征與控制方法。以STEP 7 為軟件平臺，擴(kuò)展PLC 模擬量輸入模塊SM331對熱電阻標(biāo)準(zhǔn)模擬信號實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換;在定時(shí)中斷組織模塊(OB35)中循環(huán)調(diào)用溫度功能塊(FB58)編程實(shí)現(xiàn)對溫度的PID 閉環(huán)控制;結(jié)合FB58 集成的脈寬調(diào)制輸出功能，將PID 運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成脈沖占空比控制固態(tài)繼電器執(zhí)行。PLC 與HMI 基于MPI 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信功能，采用WinCC flexible 組態(tài)友好的控制界面，完成數(shù)據(jù)輸入/ 輸出、參數(shù)修改、實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警聯(lián)鎖。該系統(tǒng)縮短了控制回路的調(diào)節(jié)時(shí)間，并減小超調(diào)量，提高了磁控濺射溫度控制的自動化水平、控制精度和穩(wěn)定性。

　　磁控濺射鍍膜技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用到光學(xué)、材料、電子和半導(dǎo)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(jié)構(gòu)變化。

　　傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、控制精度低等諸多因素的限制，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對控制系統(tǒng)的要求�？删幊炭刂破�

　　(PLC)以功能強(qiáng)、集成度高、可靠性強(qiáng)、移植性好和通訊功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，受到工業(yè)控制的廣泛應(yīng)用。PLC 不僅具備簡單邏輯控制功能，而且基于現(xiàn)代控制算法可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)具有慣性大、延遲時(shí)間長等特點(diǎn)，系統(tǒng)對溫度控制量的反應(yīng)時(shí)間長，對薄膜的沉積帶來不利影響。本系統(tǒng)以磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線的沉積溫度為控制目標(biāo)，考慮到系統(tǒng)的控制規(guī)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(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)采集和處理數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和HMI 的本地控制相結(jié)合，對磁控濺射鍍膜設(shè)備溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　以S7-300 PLC 為控制核心來實(shí)現(xiàn)溫度的PID 閉環(huán)控制，有兩種控制方案：一種是擴(kuò)展專用溫度控制器模塊(FM355)來完成溫度控制;另一種是擴(kuò)展模擬量輸入/ 輸出模塊，結(jié)合STEP7 編程調(diào)用功能塊來實(shí)現(xiàn)控制要求。

　　1.1、擴(kuò)展溫度控制模塊FM355

　　FM355 是專門用于S7-300、M7-300 和ET200M 自動化系統(tǒng)中的溫度控制器模塊，包含可通過自由化功能進(jìn)行組態(tài)的PID 控制器和集成的控制算法，功能穩(wěn)定可靠，使用簡單方便，能夠獨(dú)立完成PID 控制信號的采樣和計(jì)算，不占用CPU 掃描時(shí)間。CPU 通過專用函數(shù)與FM355 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)穩(wěn)定性，但FM355 模塊硬件成本過高，且靈活性差。擴(kuò)展溫度控制模塊的溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 擴(kuò)展溫度控制模塊的溫控系統(tǒng)

　　1.2、擴(kuò)展模擬量輸入/輸出模塊

　　通過溫度傳感器采集到的信號為模擬信號，需要經(jīng)過一系列的處理，轉(zhuǎn)化為能夠被CPU 接收的數(shù)字信號。PLC 控制系統(tǒng)中，部分CPU 不具備直接采集模擬信號的功能，需要通過擴(kuò)展模擬量輸入模塊對其進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號供PLC 處理。S7-300 PLC 可擴(kuò)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型，而SM332 模塊提供電壓和電流兩種輸出類型。西門子軟件中有多種PID 控制器，如集成于STEP7 的FB41、FB42、FB43 和FB58 等控制函數(shù)，它們是系統(tǒng)固化的純軟件控制器，運(yùn)行過程中循環(huán)掃描，其數(shù)據(jù)存儲分配在背景數(shù)據(jù)塊中。純軟件控制器對編程人員來說具有很高的靈活性和可操作性，基于工程應(yīng)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，通過軟件編程就能實(shí)現(xiàn)FM 355 的硬件功能，滿足控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求�？紤]到硬件成本和性價(jià)比等問題，中型控制系統(tǒng)常采用PLC 軟件編程來實(shí)現(xiàn)溫度的PID 閉環(huán)控制。綜合考慮，本系統(tǒng)采用擴(kuò)展模擬量輸入模塊來實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。擴(kuò)展模擬量輸入模塊的溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 擴(kuò)展模擬量輸入模塊的溫控系統(tǒng)

　　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(wěn)定,動態(tài)響應(yīng)好;熱電阻的穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、互換性以及準(zhǔn)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(tǒng)對于溫度測量的精度和穩(wěn)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)模塊的簡化接線如圖3 所示。模擬輸入電路中，采用4 導(dǎo)線端子測量方式，通過端子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PLC 輸出脈沖信號控制固態(tài)繼電器(SSR)執(zhí)行。SSR 是內(nèi)部無任何機(jī)械運(yùn)動的無觸點(diǎn)電子開關(guān)，通過控制端信號對交流電源通斷實(shí)現(xiàn)控制，是典型弱電控制強(qiáng)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(yīng)用于微電路及計(jì)算機(jī)控制。固態(tài)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2、軟件組態(tài)

　　2.1、硬件配置

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于STEP7 5.5 為軟件開發(fā)平臺，啟動SIMATIC Manager 創(chuàng)建溫度控制系統(tǒng)項(xiàng)目， 并生成S7-300 站點(diǎn)。打開對象進(jìn)入HWConfig 界面調(diào)用配置表，根據(jù)訂貨號和硬件組態(tài)順序，依次插入機(jī)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 屬性對話框，設(shè)置站地址為2，接口類型為MPI ;打開模擬量輸入?yún)��?shù)修改窗口， 選擇測量類型為RTD， 測量范圍為PT100 standard range。根據(jù)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(diào)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(xiàn)連續(xù)調(diào)用溫度控制功能塊FB58 輸出脈沖信號，F(xiàn)B58 如圖6 所示。為FB58 建立背景數(shù)據(jù)塊DB58，通過背景數(shù)據(jù)塊可直接修改相關(guān)控制參數(shù)，背景數(shù)據(jù)塊如圖7 所示。

圖6 功能塊FB58

圖7 背景數(shù)據(jù)塊

　　FB58 具有初始化例行程序，啟動時(shí)執(zhí)行組織塊OB100，在其中調(diào)用FB58 用于實(shí)現(xiàn)PID 控制器的初始化操作。當(dāng)參數(shù)COM_RST=TRUE 時(shí)執(zhí)行該程序，所有PID 內(nèi)部參數(shù)都復(fù)位到初始值，初始化程序處理完畢后，將COM_RST 重新設(shè)置為FALSE，開始PID 控制計(jì)算。

　　2.3、參數(shù)配置

　　FB58 提供過程值輸入通道， 設(shè)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(shè)置PER_MODE=0 為熱電阻標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸入類型。FB58 集成脈寬調(diào)制輸出功能，通過將PID 的運(yùn)算結(jié)果換算成對應(yīng)的脈沖占空比控制固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)加熱，F(xiàn)B58 脈沖輸出環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)：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/ 制動時(shí)間。

　　FB58 中PID 控制器運(yùn)算和脈沖輸出是兩個(gè)相互獨(dú)立的過程，有各自的運(yùn)算周期。參數(shù)CYCLE由被測量的變化規(guī)律決定，參數(shù)PER_TM 與參數(shù)CYCLE_P 的關(guān)系決定了脈寬調(diào)制的精度。FB58 提供SELECT 參數(shù)來協(xié)調(diào)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(tǒng)參數(shù)設(shè)置：SELECT=0，OB35 周期時(shí)間= 20ms ，CYCLE_P=20 ms ，CYCLE=400 ms ，PER_TM=1000ms。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，上述參數(shù)的設(shè)置遵循一定原則，并需要在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中調(diào)試獲得最優(yōu)參數(shù)(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(jì)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(yùn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)需要在極短的時(shí)間內(nèi)完成開斷，這對設(shè)備的壽命影響極大，通過設(shè)置P_B_TM 就可以避免此問題，本系統(tǒng)設(shè)置P_B_TM 為20 ms。

3、觸摸屏界面設(shè)計(jì)

　　人機(jī)界面是系統(tǒng)與用戶交換信息的媒介，以方便操作、直觀快捷為設(shè)計(jì)原則，強(qiáng)調(diào)人性化。方案選用SIEMENS TP177B PN/DP-6 觸摸屏搭建測控系統(tǒng)，TP177B 觸摸面板有助于提高項(xiàng)目的使用效率，適用于工業(yè)控制中等級別的HMI 操作和監(jiān)視任務(wù)。本系統(tǒng)采用MPI 協(xié)議完成PLC 與HMI通信功能，實(shí)現(xiàn)對磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線沉積溫度的本地控制，保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。HMI 界面設(shè)計(jì)基于WinCC flexible 2008 軟件進(jìn)行組態(tài)，對系統(tǒng)溫度完成輸入設(shè)置、PID 參數(shù)修改、實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警連鎖等功能，圖8 所示為溫度監(jiān)控界面。

圖8 溫度監(jiān)控界面

4、結(jié)論

　　基于磁控濺射鍍膜技術(shù)對溫度控制系統(tǒng)的較高要求，以西門子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(jī)交換界面，設(shè)計(jì)了合理的溫度控制系統(tǒng)方案。PLC 和觸摸屏的配合使用組成功能完善的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成化和可視化，簡化了現(xiàn)場操作，并方便工藝的優(yōu)化;PID 閉環(huán)控制算法的應(yīng)用，有效縮短控制回路的調(diào)節(jié)時(shí)間，減小超調(diào)量，提高了溫度控制的精度和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。