石家庄玉晶玻璃有限公司LOW—E玻璃镀膜生产线PLC控制系统应用

【摘 要】本文旨在结合成功工程实例，介绍应用SIEMENS公司S7-400系统控制LOW-E玻璃镀膜生产过程的具体系统配置、应用软件组成、典型软件功能。

【关键词】LOW-E玻璃镀膜 S7-400控制系统 SEW系列伺服传动 应用软件功能

现代化工业生产过程基础自动化系统通常采用PLC控制系统，以网络技术构成分散采集和集中控制的控制系统，实现对生产过程的管理和控制。

河北迎新玻璃集团石家庄玉晶玻璃有限公司建设LOW-E玻璃镀膜生产线，项目基础自动化控制系统采用德国SIEMENS公司S7-400控制系统，电气传动装置采用德国SEW公司系列伺服传动，分子泵采用日本岛津公司产品，机械泵采用德国莱宝公司产品，阴极磁控溅射电源采用美国AE公司产品。

工程项目于2014年初一次建设完成，该自动化控制系统具有电气、仪表和计算机一体化特点，投入使用后系统功能和指标达到国内先进水平。

1 系统组态构成

LOW-E玻璃镀膜生产线设置一套PLC控制系统承担相应控制功能，控制系统的CPU与固定远程I/O站、活动远程I/O站、固定真空分子泵、活动真空分子泵、传动伺服控制器、阴极旋转变频器以及阴极磁控溅射电源等系统设备经PURFIBUS现场总线网络连接实现过程控制，PURFIBUS现场总线网络采用光纤环网。镀膜线设置两套双屏操作员站与控制系统的CPU通讯采用工业以太网络方式连接通讯；两套HMI操作员站的画面组态程序数据采集和操作功能完全相同，每套操作员站的双屏显示器可以显示不同的操作画面。

建成镀膜线工艺设备配置12套传动伺服控制器、15套阴极盖板及其阴极电源、17套分子泵盖板、7套管道泵，共计应用70台分子泵。

镀膜线PLC控制系统与镀膜线上下游的上下片台PLC控制系统之间亦采用工业以太网络方式连接通讯。

系统组态参见下图。

1.1 硬件配置说明

控制系统：SIMATIC S7-400

CPU模块型号：CPU 416-2DP

以太网通讯模块型号：CP 443-1

现场总线通讯模块型号：CP 443-5、IM 153-1

I/O模块型号：ET 200M系列

1.2系统软件包

控制系统编程软件包：STEP 7 V5.5

人机界面编程软件包：WinCC V7.0

2 应用功能组成

控制系统所承担的应用控制功能如下：

2.1镀膜线玻璃传递伺服传动控制

镀膜线玻璃传递由大气环境进入真空环境再回归大气环境，历经进口室、进口缓冲室、进口过渡室、工艺室、出口过渡室、出口缓冲室、出口室。由于各腔室为了便于获得真空，其几何尺寸尽可能狭小，而玻璃传递为了迎合工艺节奏追求高速传动，因此采用伺服传动控制以利精准定位和加减速。

2.2镀膜线腔体真空建立控制

玻璃镀膜在真空环境中完成，而玻璃的进出会导致真空度的丧失，控制系统驱动全线机械泵和分子泵协调各腔室门阀、管道阀门和破真空阀门维持镀膜线真空度。

2.3镀膜线阴极单元工艺气体控制

镀膜线工艺对各阴极单元工位上的工艺气体在种类和主气体总量有着工艺应用选择和控制以适合膜系、靶材和工艺速度，同时在玻璃宽度方向上将实施对于辅气体流量的分布控制以实现镀膜均匀。

2.4镀膜线阴极磁控溅射电源控制

镀膜线阴极磁控溅射电源按照工艺需求可选功率模式、电流模式和电压模式加以控制。另外旋转阴极的旋转速度使用变频器加以调节。

2.5镀膜线阴极单元盖板和分子泵单元盖板定位控制

镀膜线上的阴极单元盖板和分子泵单元盖板的应用位置可在同类中任意移动，各类盖板移动吊装定位并且完成网络连接（包括阴极电源连接配用）后，控制系统将识别当前定位并且自动组态现行工艺设备以便正确实施过程控制。

2.6安全联锁

镀膜线生产过程存在诸多设备安全和工艺逻辑的控制联锁。包括：气压与管道阀门开闭和泵组运转的联锁；前级泵与后级泵的运转联锁；气压差与门阀开启的联锁；设备冷却与真空泵、阴极电源、阴极磁控溅射的运转联锁；玻璃传动位置与门阀状态的联锁；玻璃传动异常与阴极磁控溅射的运转联锁；现场总线各单元在线与否与相关单元的控制逻辑有效的联锁。

3 典型应用功能

3.1玻璃传动伺服控制

镀膜线玻璃的传递过程如下：

高速进入和经过进口室、进口缓冲室、进口过渡室

在进口过渡室追赶工艺室内玻璃队列以弥补因进口区真空置换而带来的玻璃间隔

在工艺室内恒定保持工艺速度

在出口过渡室逃离工艺室内玻璃队列以赢得为出口区真空置换而需要的运行时间

高速进入和经过出口过渡室、出口缓冲室、出口室

应用控制功能要求确保：玻璃传动速度精准实现、加减速快捷且平滑稳定、上下游辊道正确线速度同步、进出口区机械节拍协调同步、玻璃传递安全可靠合理定位、全线实施玻璃动态位置跟踪。玻璃传动采用伺服传动辅以绝对值编码器完成位置速度控制。

主要应用控制算法：

均匀加减速度给定

编码取值位置换算

队列位置动态跟踪

追赶速度设定计算

机械节拍自动修正

3.2阴极单元和分子泵单元定位控制

镀膜线上的同类阴极单元和分子泵单元依照工艺需求移动吊装并且完成网络连接后，控制系统将自动识别当前定位并且组态现行工艺设备和分配控制数据以便正确实施过程控制。定位识别基于网络连接插头座内的二进制位置编码，由于阴极单元具备自有的远程I/O单元，所以阴极单元的编码在插头内；而分子泵单元归公用远程I/O单元管理，则分子泵单元编码在插座内。控制系统通过相关远程I/O单元读取各单元的位置编码，分别识别某阴极单元连接在哪个工位和某工位连接了哪个分子泵单元。

主要应用控制算法：

依次循环比对各单元位置编码求取工位号

以单元工位号为工艺单元配备控制数据

组合阴极单元的配用阴极电源的控制逻辑关联

4 结束语

纵观项目应用实践，SIEMENS公司S7-400控制系统I/O组件品类丰富组态便捷，系统软件系列完整并且开发方便，采用PURFIBUS现场总线网络广泛联接各类第三方控制系统设备，以此构成生产过程的控制系统，辅以合理的系统硬件设计和应用软件设计，完全满足LOW-E玻璃镀膜工业生产过程自动化控制的应用需求，并且对于镀膜线未来工艺设备扩展打下良好的基础。

参考文献：

[1]管世锋，周秋林，张浙军.离线镀膜玻璃的现状与技术进步 《玻璃》2010年第7期总第226期.

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