磁控濺射鍍膜上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化畢業(yè)論.doc

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1、目錄中文摘要1Abstract21 緒論31.1 磁控濺射鍍膜的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)31.2 磁控濺射鍍膜的原理31.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容41.3.1 PLC自動(dòng)化程序控制41.3.2 上位機(jī)組態(tài)42 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件選型52.1控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)52.2 硬件選型73 PLC與上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)123.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)123.1.1 PLC硬件組態(tài)的選擇方案123.1.2 PLC程序的設(shè)計(jì)143.2上位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)153.2.1 上位機(jī)組態(tài)軟件概述153.2.2 上位機(jī)組態(tài)軟件的通訊方案173.2.3 上位機(jī)組態(tài)軟件變量設(shè)置與畫(huà)面組態(tài)17結(jié)論22謝辭23參考文獻(xiàn)24附錄24摘要：磁

2、控濺射鍍膜是工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中主要的技術(shù)之一,尤其適合于大面積鍍 膜生產(chǎn)，具有沉積速度快、鍍件溫升低等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)主要是以西門 子S7-300和WINCC為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。根據(jù)系統(tǒng)的工作原理和工藝流程， 通過(guò)S7-300程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)磁控濺射鍍膜過(guò)程的電氣自動(dòng)控制。運(yùn) 用上位機(jī)WINCC Siemens系統(tǒng)對(duì)其過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)了上位 機(jī)動(dòng)態(tài)顯示開(kāi)關(guān)量動(dòng)作、模擬量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程保護(hù)和故障報(bào)警等 功能。文中對(duì)控制系統(tǒng)軟、硬件進(jìn)行詳細(xì)的選擇和配置。并利用西門子 PLC和WINCC軟件內(nèi)部提供的仿真模塊對(duì)程序和組態(tài)進(jìn)行了仿真分析與 系統(tǒng)調(diào)試，完成了對(duì)磁控濺射鍍膜上位機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演示。

3、關(guān)鍵字：鍍膜機(jī)控制系統(tǒng)；PLC；WINCC Abstract:Magnetron sputtering is one of the main technology in coating industrial ,especially for large area deposition,with high deposition rate, low temperature rise.This design is mainly to Siemens S7-300 and WINCC as the software developing platform. According to the workin

4、g principle and process system,we realize electrical automatic control on the magnetron sputtering coating process through the S7-300 program design.Using the computer WINCC Siemens system for remote real-time monitoring of the process.Realize the function of dynamic computer display, alarm switch a

5、ction of analog data real-time collection, remote protection and fault etc.In this paper we make a selection and configuration of hardware and software of he control system.And use the simulation module of Siemens PLC and WINCC software to analyze the program and system. It achieved the dynamic demo

6、 of control system of upper monitorKey Words:Coating machine ；control system ；PLC；WINCC 1 緒論1.1 磁控濺射鍍膜的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 磁控濺射鍍膜技術(shù)是當(dāng)前廣泛運(yùn)用的沉積鍍膜技術(shù)。由于其沉積速度快、基材溫度低、對(duì)膜層損傷小、獲得的薄膜純度高、濺射工藝可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，在微電子、光學(xué)、材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 目前，電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的地位日益凸顯，磁控濺射鍍膜與電氣自動(dòng)化的進(jìn)一步聯(lián)系是發(fā)展必然的趨勢(shì)。1.2 磁控濺射鍍膜的原理 磁控濺射鍍膜的工作原理是指電子在電場(chǎng)的作用下，在飛向基片過(guò)程中與氬原子

7、發(fā)生碰撞，產(chǎn)生Ar+離子和二次電子；二次電子飛向基片，Ar+離子在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極靶，使靶材發(fā)生濺射。中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用它們的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng)，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar+ 來(lái)轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率，隨著碰撞次數(shù)的增加，最后沉積電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過(guò)程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過(guò)程，和靶原子碰撞，把部分動(dòng)量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級(jí)聯(lián)過(guò)程。在這種級(jí)聯(lián)過(guò)程中某些表面附近的靶原子獲得向外運(yùn)動(dòng)的足

8、夠動(dòng)量，離開(kāi)靶被濺射出來(lái)。1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 1.3.1 PLC自動(dòng)化程序控制 在鍍膜工藝中，PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)正逐步取代最初的單片機(jī)設(shè)計(jì)?；赑LC系統(tǒng)的性價(jià)比較高，我們選擇PLC來(lái)設(shè)計(jì)磁控濺射鍍膜控制系統(tǒng)。其優(yōu)勢(shì)如下:系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，以開(kāi)關(guān)量控制為其特長(zhǎng)；也能進(jìn)行連續(xù)過(guò)程的PID回 路控制；能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)使用方便，編程簡(jiǎn)單，采用簡(jiǎn)明的梯形圖、邏輯圖或語(yǔ)句表等編程語(yǔ)言，而無(wú)需計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動(dòng)硬件。 (3) 能適應(yīng)各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。1 1.3.2 上位機(jī)組

9、態(tài) 上位機(jī)的概念屬于計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)的概念。在計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)分為各個(gè)級(jí)別，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生直接關(guān)系的計(jì)算機(jī)屬于下位機(jī)，用來(lái)控制下位機(jī)，或給下位機(jī)下達(dá)新任務(wù)的計(jì)算機(jī)是下位機(jī)的“上位機(jī)”。若集散控制系統(tǒng)較大，計(jì)算機(jī)的級(jí)別可能不止兩級(jí)，此時(shí)上位機(jī)還可能有級(jí)別更高的上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制或指派任務(wù)。 組態(tài)是多種工具模塊的組合，它的含義是實(shí)用工具軟件對(duì)計(jì)算機(jī)和軟件的各種資源進(jìn)行配置，是計(jì)算機(jī)或軟件按照預(yù)先設(shè)置的命令，自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，滿足設(shè)計(jì)者的要求。組態(tài)軟件在目前的工業(yè)環(huán)境的實(shí)際運(yùn)用中扮演著越來(lái)越重要的角色。組態(tài)軟件從硬件設(shè)計(jì)到軟件開(kāi)發(fā)都具有組態(tài)性，使得系統(tǒng)更可靠、開(kāi)發(fā)速度更快、開(kāi)發(fā)難度卻降低。

10、較大規(guī)模的控制系統(tǒng)，基本上都采用了這種組態(tài)系統(tǒng)。組態(tài)軟件的一般步驟：2（1） 建模：根據(jù)要求，建立數(shù)學(xué)模型（2） 設(shè)計(jì)圖形界面：利用軟件提供的圖庫(kù)，適用對(duì)應(yīng)的圖形對(duì)象模擬實(shí)際控制系統(tǒng)（3） 變量管理：創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建變量表示控制對(duì)象的各種屬性（4） 建立動(dòng)態(tài)鏈接：組態(tài)變量和圖形間的連接，模擬控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行（5） 運(yùn)行與調(diào)試組態(tài)軟件的特點(diǎn)：（1） 實(shí)時(shí)多任務(wù)、接口開(kāi)放、使用靈活（2） 節(jié)約硬件開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高系統(tǒng)可靠性（3） 縮短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間（4） 便于生產(chǎn)的組織和管理 上位機(jī)組態(tài)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，直觀了解。2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件選型2.1控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)鍍膜工藝流程-

11、程序設(shè)計(jì)流程對(duì)應(yīng)于PLC編程的邏輯順序和條件控制： 圖2.1 程序設(shè)計(jì)方框圖工藝步驟：（1） 開(kāi)啟水電開(kāi)關(guān)，檢查水電安全（2） 啟動(dòng)鍍膜按鈕（3） 開(kāi)機(jī)械泵、旁抽閥粗抽真空，滿足前級(jí)真空度要求時(shí)。關(guān)閉旁抽閥準(zhǔn)備精抽（4） 打開(kāi)分子泵和閘板閥，精抽真空室。達(dá)到真空度要求時(shí)，打開(kāi)通氣閥門，準(zhǔn)備煉靶并鍍膜。（5） 鍍膜完成后先關(guān)閉閘板閥、分子泵、電磁閥，然后關(guān)閉機(jī)械泵。（6） 關(guān)閉水泵和總電源。開(kāi)充氣閥，通入氣體，開(kāi)門取工件。磁控濺射鍍膜工藝過(guò)程的要求如下：1控制系統(tǒng)上位機(jī)以WINCC為平臺(tái)，完成對(duì)鍍膜機(jī)的PLC的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空度（真空室的工作壓強(qiáng)為10.001Pa，前級(jí)工作壓強(qiáng)為1001Pa

12、。）、各靶電源電壓、電流(工作電流20A50A;工作電壓400600V)、水溫(080)、氣體流量等模擬量的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶電源、流量控制計(jì)等執(zhí)行元件的自動(dòng)控制。32. 利用上位機(jī)動(dòng)態(tài)顯示開(kāi)關(guān)量的動(dòng)作狀態(tài)、模擬量的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、濺射工藝運(yùn)行的進(jìn)展情況等內(nèi)容。3.加入遠(yuǎn)程的控制保護(hù)功能,故障報(bào)警等功能。根據(jù)鍍膜工藝流程確定控制系統(tǒng)對(duì)象分析如下： 數(shù)字量輸入15個(gè):總電源開(kāi)關(guān)、水泵開(kāi)關(guān)、鍍膜啟停開(kāi)關(guān)、PLC模塊極性信號(hào)、機(jī)械泵、旁抽閥、電磁閥、分子泵、閘板閥、靶電源、截止閥、氧氣閥、氬氣閥、充氣閥、門開(kāi)關(guān) 數(shù)字量輸出13個(gè):水溫報(bào)警、氣體質(zhì)量流量報(bào)警、機(jī)械泵、旁抽閥、電磁閥、分子泵、閘板閥、靶電源、

13、截止閥、氧氣閥、氬氣閥、充氣閥、門開(kāi)關(guān) 模擬量輸入7個(gè)：前級(jí)真空度、真空度、回水溫度、氧氣質(zhì)量流量、 氬氣質(zhì)量流量、靶電源電壓、靶電源電流 模擬量輸出7個(gè)：前級(jí)真空度、真空度、回水溫度、氧氣質(zhì)量流量、氬氣質(zhì)量流量、靶電源電壓、靶電源電流2.2 硬件選型控制方案的選擇：控制方案比較項(xiàng)目單片機(jī)工控機(jī)PLC可靠性最不穩(wěn)定不穩(wěn)定穩(wěn)定可擴(kuò)展性開(kāi)發(fā)成本高、周期長(zhǎng)開(kāi)發(fā)成本高、周期長(zhǎng)開(kāi)發(fā)成本高、周期長(zhǎng)維護(hù)困難困難簡(jiǎn)單（自診斷）抗干擾性專門設(shè)計(jì)專門設(shè)計(jì)無(wú)需專門設(shè)計(jì)功能用戶可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制、功能較強(qiáng)用戶可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制、功能較強(qiáng)用戶可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜功能特點(diǎn)不可靠、便宜可靠性改善、便宜可靠、略貴操作人機(jī)對(duì)話

14、不友善類似通用計(jì)算機(jī)觸摸式操作終端 表2.1 控制方案的比較 單片機(jī)系統(tǒng)就是采用目前市場(chǎng)上的單片機(jī)CPU及其外圍芯片，根據(jù)不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路板，最終設(shè)計(jì)成為一臺(tái)建議的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，然后編輯程序完成所需要的控制要求。 所謂工控機(jī)就是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)程序達(dá)到控制要求。PLC即可編程控制器，是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。在其基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)程序達(dá)到控制要求。這種形式在目前的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最廣泛。 在自動(dòng)控制中，PLC、單片機(jī)、工控機(jī)承擔(dān)著重要角色，是實(shí)現(xiàn)控制功能的重要載體，三者在功能上即有交叉又有不同，這樣在應(yīng)用上三者就會(huì)出現(xiàn)相同與不同之處，不同的方案就會(huì)有不同

15、的最佳選用方法。本次設(shè)計(jì)，根據(jù)上表選用可靠、穩(wěn)定、性價(jià)比較高的PLC。4PLC類型的選擇：品牌比較項(xiàng)目三菱西門子日本德國(guó)編程直觀易懂、指令多比較抽象、指令較少優(yōu)勢(shì)在于離散控制和運(yùn)動(dòng)控制、有專用的定位指令、可實(shí)現(xiàn)某些復(fù)雜控制在于過(guò)程控制和通信控制、模擬量模塊便宜且程序簡(jiǎn)單不足模擬量模塊昂貴且復(fù)雜、通訊功能相對(duì)薄弱無(wú)專用指令、程序復(fù)雜、控制精度不高適用側(cè)重于動(dòng)作控制和某些有伺服或步進(jìn)要進(jìn)行定位控制的設(shè)備等溫度、電流等較多模擬量需要處理的設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)有很多儀表的數(shù)據(jù)要用通信進(jìn)行采集的設(shè)備等表2.2 三菱與西門子PLC比較 從三十多年前PLC研制成功到當(dāng)前，其應(yīng)用已在控制系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。而且形成了

16、一個(gè)巨大的市場(chǎng)。各種PLC具有不同的特點(diǎn)，美國(guó)與歐洲的PLC技術(shù)差別性較大，日本PLC技術(shù)是從美國(guó)引進(jìn)，對(duì)美國(guó)的PLC技術(shù)具有一定的繼承。上表對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率比較高的兩種PLC進(jìn)行了比較，基于本次設(shè)計(jì)的控制工藝流程中需要處理模擬量輸入輸出，因此選用西門子的S7-300系列PLCPLC通訊方式的選擇通訊方式比較項(xiàng)目MPIPROFIBUS工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型邏輯拓?fù)洵h(huán)星型、線型、環(huán)型應(yīng)用場(chǎng)合通信速率：默認(rèn)187.5kbps；數(shù)據(jù)包122字節(jié)DP：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)PA：過(guò)程自動(dòng)化FMS：車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)通信速率：10、100Mbps、數(shù)據(jù)量為8kb、ISO、TCP通訊方式GD、無(wú)需組態(tài)鏈接、需組態(tài)鏈接FMS、

17、FDCDP、PAISOTCP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)單元級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)單元級(jí)、管理級(jí)適用范圍小范圍、少數(shù)站點(diǎn)間通訊中等規(guī)模、中小量數(shù)據(jù)通訊大量數(shù)據(jù)、長(zhǎng)距離通訊優(yōu)勢(shì)并行規(guī)模上可伸縮性很強(qiáng)全球數(shù)字化通信、分布式控制協(xié)議開(kāi)放、通信速率高、支持冗余不足效率低、不直觀傳輸速率較低、各種此案長(zhǎng)總線不兼容實(shí)時(shí)性、可靠性較差表2.3 三種通訊方式的比較 S7-300的通信分三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層（現(xiàn)場(chǎng)層）的功能是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這一層主要使用AS-I網(wǎng)絡(luò)。車間監(jiān)控層（單元層）的功能是用來(lái)完成車間主設(shè)備之間的連接，實(shí)現(xiàn)車間級(jí)設(shè)備的監(jiān)控。工廠管理層（管理層）的功能是用來(lái)匯集各車間管理子網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)橋或路由器等連接的廠區(qū)骨

18、干網(wǎng)的信息于工管理層。5 MPI是多點(diǎn)接口的簡(jiǎn)稱，S7-300集成了MPI通信協(xié)議和MPI物理層RS-485接口。PLC通過(guò)MPI可以同時(shí)連接Step7編程器、計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面和其他S7。MPI可以完成車間設(shè)備之間的連接。是用于車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)層的通信系統(tǒng)。 S7-300/PLC可以通過(guò)通信處理器或集成在CPU上的Profibus-DP接口連接到Profibus-DP網(wǎng)上。帶有Profibus-DP主站/從站接口的CPU能實(shí)現(xiàn)高速和使用方便的分布式I/O控制。Profibus的物理層是RS- 485接口。最大傳輸速率為12MBit/S，最多可以與127個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PROFIBUS通信網(wǎng)

19、絡(luò)可以用來(lái)完成車間主設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)層之間的連接6 工業(yè)以態(tài)網(wǎng)用于工廠管理層和單元層的通信系統(tǒng)。用于對(duì)時(shí)間要求不太嚴(yán)格，需要傳送大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。西門子的工業(yè)以態(tài)網(wǎng)的傳輸速率為10M /100M Bit /S，最多可以達(dá) 到1024個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的最大范圍為150Km。鑒于對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性的考慮，在這里我們選用現(xiàn)場(chǎng)總線。上位機(jī)組態(tài)軟件的選擇：軟件比較項(xiàng)目InTouchWINCCCimptcity圖形及組態(tài)方案美觀性較差粘貼位圖繁瑣控件不健全圖庫(kù)有限不支持AutoCAD圖形格式易于擴(kuò)展功能功能最強(qiáng)大圖庫(kù)豐富支持畫(huà)面到畫(huà)面的顏色漸變數(shù)據(jù)點(diǎn)管理數(shù)據(jù)型較少數(shù)據(jù)類型相對(duì)較多數(shù)據(jù)類型較少網(wǎng)絡(luò)功能基于工程基于工

20、程基于工程通信功能擁有幾乎所有的硬件接口支持的硬件有限支持的硬件有限表2.4 組態(tài)軟件比較 所謂組態(tài)軟件，是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，它們基于自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的使用方法。其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能。組態(tài)軟件支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)的通信協(xié)議，并且提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。7 目前世界上不少專業(yè)廠商包括專業(yè)軟件公司和硬件/系統(tǒng)廠商生產(chǎn)和提供各種組態(tài)軟件產(chǎn)品。上位機(jī)組態(tài)軟件的選擇有很多種，其中以國(guó)外產(chǎn)品占主導(dǎo)地位。上表選用了國(guó)外三種上位機(jī)組態(tài)軟件進(jìn)行了比較，基于軟件的功能性

21、差異不明顯和與PLC間的配套問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)選擇西門子公司的WINCC組態(tài)軟件。3 PLC與上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1.1 PLC硬件組態(tài)的選擇方案數(shù)字量輸入輸出模塊選型： 數(shù)字量輸入信號(hào)4個(gè):總電源開(kāi)關(guān)、水泵開(kāi)關(guān)、鍍膜啟停開(kāi)關(guān)、PLC 模塊極性信號(hào) 數(shù)字量輸出信號(hào)13個(gè):水溫報(bào)警、氣體質(zhì)量流量報(bào)警、機(jī)械泵、旁 抽閥、電磁閥、分子泵、閘板閥、靶電源、截止閥、氧氣閥、氬氣閥、充氣閥、門開(kāi)關(guān) 在控制系統(tǒng)中有4個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)、13個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)，保留10%20%的余量。 數(shù)字量輸入信號(hào)： （取16點(diǎn)） 數(shù)字量輸出信號(hào)： （取16點(diǎn)）選擇： 數(shù)字量輸入模塊：1個(gè)6ES7 3

22、21-1BHOO-OAAO 數(shù)字量輸出模塊：1個(gè)6ES7 322-8BHOO-OABO模擬量輸入輸出模塊選型 模擬量輸入6個(gè)：前級(jí)真空度、真空度、回水溫度、氣體質(zhì)量流量、靶電源電壓、電流 模擬量輸出4個(gè)：前級(jí)真空度、真空度、回水溫度、氣體質(zhì)量流量在控制系統(tǒng)中有6個(gè)模擬量輸入信號(hào)、4個(gè)模擬量輸出信號(hào)，保留 10%20%的余量 模擬量輸入信號(hào)： (取8點(diǎn)） 模擬量輸出信號(hào)： （取4點(diǎn)） 選擇： 模擬量輸入模塊：1個(gè)6ES7 331-1KFOO-OABO 模擬量輸出模塊：1個(gè)6ES7 332-5HDOO-OABO8 模塊連接圖：圖3.1 數(shù)字量模塊連接圖3.2 模擬量模塊接口3.1.2 PLC程序的

23、設(shè)計(jì) 磁控濺射鍍膜控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)中，PLC程序的邏輯順序按照先前擬定的程序框圖設(shè)計(jì)，滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。（1）數(shù)據(jù)采集 磁控濺射鍍膜工藝中需要采集真空度、回水溫度、氣體質(zhì)量流量、靶電源電流、靶電源電壓等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換處理，存儲(chǔ)在PLC數(shù)據(jù)地址，用于程序運(yùn)行掃描過(guò)程中的調(diào)用與處理。（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)要求： 1、前級(jí)真空度與真空度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足工藝要求 2、回水溫度不得超過(guò)40攝氏度 ，顯示報(bào)警 3、氣體質(zhì)量流量要低于80SCCM，顯示報(bào)警（3）程序設(shè)計(jì)、運(yùn)行與調(diào)試 工藝運(yùn)行程序是PLC控制系統(tǒng)的重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，采用西門子公司提供 的step7軟件編寫S7-300

24、梯形圖運(yùn)行程序。運(yùn)行程序需要采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制運(yùn)行時(shí)間和回水溫度等模擬量。在外界給予設(shè)定的運(yùn)行動(dòng)作后，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的自動(dòng)運(yùn)行，完成設(shè)計(jì)要求。由step7自帶的仿真系統(tǒng)，能夠在實(shí)際運(yùn)行前調(diào)試整個(gè)運(yùn)行程序，方便查錯(cuò)與修改。93.2上位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.2.1 上位機(jī)組態(tài)軟件概述 “組態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System簡(jiǎn)稱DCS）的出現(xiàn)才開(kāi)始被廣大的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)人員所熟知的。組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。

25、它是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件。在工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中，PC（包括工控機(jī)）相比以前的專用系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)日趨明顯。在PC技術(shù)向工業(yè)控制領(lǐng)域的滲透中，組態(tài)軟件占據(jù)著非常特殊而且重要的地位。11 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應(yīng)該能支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。西門子公司的WINCC軟件是西門子在自動(dòng)化領(lǐng)域中先進(jìn)技術(shù)與Microsoft的功能相結(jié)合的產(chǎn)物。它是用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的

26、人機(jī)界面。WINCC是通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語(yǔ)言支持，全球通用 ；可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于Web持續(xù)延展，采用開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡(jiǎn)便；集成的Historian 系統(tǒng)作為IT 和商務(wù)集成的平臺(tái)；可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展 ；“全集成自動(dòng)化” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。它集成了SCADA、組態(tài)、腳本語(yǔ)言和OPC先進(jìn)技術(shù)，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能，它繼承了西門子公司的全集成自動(dòng)化產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)和無(wú)縫集成的特點(diǎn)。 WINCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化

27、設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口，使用方式靈活，功能齊全。用戶在友好界面下進(jìn)行組態(tài)、編程，形成所需的操作界面、監(jiān)控畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面和趨勢(shì)曲線等。操作環(huán)境形象直觀、軟件設(shè)計(jì)周期短、工作效率高。WINCC整體開(kāi)放，可以方便的與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機(jī)界面，也可將WINCC作為系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)放式接口，開(kāi)發(fā)其自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)圖3.3 WINCC操作界面上位機(jī)組態(tài)軟件項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與組態(tài)環(huán)境：為了開(kāi)發(fā)和組態(tài)項(xiàng)目，WINCC提供了一組特殊編輯器，由WINCC的瀏覽器訪問(wèn)這些編輯器。每一個(gè)編輯器可以對(duì)WINCC某一個(gè)專門的子系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。WINCC主要的子系統(tǒng)：（1）圖

28、形系統(tǒng)：用來(lái)建立顯示圖形的編輯器（2）報(bào)警系統(tǒng)：組態(tài)報(bào)警（3）歸檔系統(tǒng)：對(duì)指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔（4）報(bào)告系統(tǒng)：編輯建立一個(gè)報(bào)告格式（5）通信系統(tǒng)：能直接在WINCC的瀏覽器中進(jìn)行組態(tài)，所有的組態(tài)數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在CS的數(shù)據(jù)庫(kù)中上位機(jī)組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行任務(wù)（1）讀取存儲(chǔ)在CS數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)（2）顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)（3）與自動(dòng)化系統(tǒng)通信（4）對(duì)例如模擬量與報(bào)警時(shí)間等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔（5）過(guò)程實(shí)時(shí)運(yùn)行 3.2.2 上位機(jī)組態(tài)軟件的通訊方案 WINCC使用變量管理器來(lái)處理變量的集中管理，此變量管理器不為用戶所見(jiàn)。它處理WINCC項(xiàng)目產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)在項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。在WINCC運(yùn)行系統(tǒng)中，它管理WINCC變量。

29、WINCC的所有應(yīng)用程序必須以WINCC變址的形式從變址管理器中請(qǐng)求數(shù)據(jù)，這些WINCC應(yīng)用程序包括圖形運(yùn)行系統(tǒng)、報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)和變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)等。 WINCC變量管理器管理運(yùn)行時(shí)的WINCC變量。它的任務(wù)是從過(guò)程中取出請(qǐng)求的變量值。這個(gè)過(guò)程通過(guò)集成在WINCC項(xiàng)目中的通訊驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成。通訊驅(qū)動(dòng)程序利用其通道單元構(gòu)成WINCC與過(guò)程處理之間的接口。在大多數(shù)情況下，到過(guò)程處理的基于硬件的連接是利用通訊處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。WINCC通訊驅(qū)動(dòng)程序使用通訊處理器來(lái)向PLC發(fā)送請(qǐng)求消息。然后，通訊處理器將回答相應(yīng)消息請(qǐng)求的過(guò)程值返回到WINCC管理器中。12建立WINCC與PLC間通訊的步驟：（1）、

30、創(chuàng)建WINCC站與自動(dòng)化系統(tǒng)間的物理連接。（2）、在WINCC項(xiàng)目中添加適當(dāng)?shù)耐ǖ莉?qū)動(dòng)程序。（3）、在通道驅(qū)動(dòng)程序適當(dāng)?shù)耐ǖ绬卧陆⑴c指定通訊伙伴的連接。（4）、在連接下建立變量。本次設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接，連接步驟如下：1、打開(kāi)WINCCExplorer，右鍵變量管理，添加新的驅(qū)動(dòng)程序2、新建一個(gè)S7連接，在驅(qū)動(dòng)程序中新建一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線連接3、設(shè)置參數(shù)，完成連接3.2.3 上位機(jī)組態(tài)軟件變量設(shè)置與畫(huà)面組態(tài) 創(chuàng)建新連接外部變量只能在與自動(dòng)化系統(tǒng)連接的基礎(chǔ)上創(chuàng)建。如果還沒(méi)有需要的連接，必須首先創(chuàng)建該連接。先決條件必須安裝所需要的通訊處理器和相關(guān)的硬件驅(qū)動(dòng)程序。還必須安裝期望的通訊驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建于PL

31、C連接的外部變量步驟：在新建的驅(qū)動(dòng)鏈接中新建一個(gè)變量組，方便將同一個(gè)項(xiàng)目中數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理（2）在新建的變量組中新建變量,設(shè)置屬性 在用于通道單元的彈出菜單中選擇“新建驅(qū)動(dòng)鏈接”，在“常規(guī)”標(biāo)簽中，輸出WINCC項(xiàng)目中唯一的連接名稱。打開(kāi)“屬性 ”，打開(kāi)“接參數(shù)”對(duì)話框，設(shè)置連接的參數(shù)，在“常規(guī)”“名稱”域中，填寫項(xiàng)目中唯一的連接變量名稱。設(shè)置變量數(shù)據(jù)的類型，單擊“選擇”打開(kāi)“變量屬性對(duì)話框，在AS中設(shè)置變量的地址區(qū)域。（3） 創(chuàng)建變量完成 圖3.4 變量表 WINCC軟件的畫(huà)面設(shè)置和組態(tài)，是為了創(chuàng)建一個(gè)操作現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面，模擬實(shí)際的工藝流程。在WINCC圖形編輯器中創(chuàng)建一個(gè)畫(huà)面，可以從軟件自帶的圖庫(kù)中

32、選擇適合的相應(yīng)圖形來(lái)表示實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，也可以從界面里的對(duì)象調(diào)色板和樣式調(diào)色板中選擇圖形。 當(dāng)圖形界面創(chuàng)建完成后，需要將設(shè)置的圖形與先前建立的外部變量組態(tài)在一起。已設(shè)置的外部變量是與PLC的控制對(duì)象對(duì)應(yīng)的，反應(yīng)了PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作的工藝流程的控制。將圖形界面與外部變量建立連接，磁控濺射鍍膜的整體工藝就以直接、形象的畫(huà)面呈現(xiàn)在上位機(jī)上，便于操作人員的觀察和對(duì)鍍膜過(guò)程的監(jiān)控。本次設(shè)計(jì)建立了主界面與5個(gè)子界面共6個(gè)畫(huà)面的組態(tài)。以下是磁控濺射鍍膜主界面與鍍膜設(shè)備子界面的設(shè)置：主界面：圖3.5 主界面靜態(tài)顯示 圖3.6 主界面動(dòng)態(tài)顯示上面是鍍膜主顯示界面在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下的狀態(tài)。主界面中主要分為兩個(gè)模

33、塊，界面左半邊為模擬量報(bào)警設(shè)置，界面的右半邊主要是開(kāi)關(guān)量控制動(dòng)態(tài)顯示的設(shè)置。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，鍍膜主界面反應(yīng)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況：開(kāi)關(guān)量的開(kāi)閉狀態(tài)，實(shí)時(shí)工藝流程與數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控報(bào)警等，使得操作人員對(duì)工藝過(guò)程有一個(gè)直觀的了解。例如：當(dāng)設(shè)備界面中與圖像建立組態(tài)連接的PLC控制的對(duì)象開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，設(shè)備界面中圖形也同時(shí)跟著顯示顏色的動(dòng)態(tài)變化，主界面相對(duì)應(yīng)的顯示也發(fā)生同步動(dòng)作。鍍膜設(shè)備子界面：圖3.7 鍍膜靜態(tài)顯示圖3.8 鍍膜動(dòng)態(tài)顯示 鍍膜設(shè)備界面是對(duì)鍍膜系統(tǒng)的設(shè)備模擬，界面中圖形與PLC控制對(duì)象間建立了連接，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的反應(yīng)控制對(duì)象的動(dòng)作狀態(tài)。當(dāng)控制對(duì)象，例如，閥門或者泵工作時(shí)，對(duì)應(yīng)的圖像會(huì)動(dòng)態(tài)閃爍或發(fā)生顏

34、色變化以顯示狀態(tài)的改變。如圖3.8,，各個(gè)閥門開(kāi)啟工作，顏色由白色變?yōu)樗{(lán)色；機(jī)械泵、水泵等閃爍。與靜態(tài)顯示對(duì)比，直觀的反應(yīng)了自動(dòng)控制的過(guò)程。測(cè)量與報(bào)警子界面的設(shè)置：圖3.9 前級(jí)真空度數(shù)據(jù)采集圖3.9真空度數(shù)據(jù)采集圖3.9 回水溫度數(shù)據(jù)采集圖3.9 氣體質(zhì)量流量數(shù)據(jù)采集 上位機(jī)報(bào)警與監(jiān)控界面為4個(gè)子界面，分別對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象為前級(jí)真空度、真空度、回水溫度、氣體質(zhì)量流量。在每個(gè)子界面中都設(shè)置了一個(gè)棒圖、一個(gè)實(shí)時(shí)曲線圖和一個(gè)輸入輸出域，他們連接同一個(gè)變量。運(yùn)行時(shí)，共同顯示該模擬量的變化。棒圖為不同范圍的輸入數(shù)據(jù)數(shù)值組態(tài)了不同的表示顏色，以區(qū)分工藝流程的階段。在界面的左上角有一個(gè)返回按鈕，點(diǎn)擊回到主界

35、面。上位機(jī)界面由WINCC主界面與5個(gè)子界面組成，共同顯示PLC的電氣自動(dòng)化的控制過(guò)程中的各個(gè)部分的狀態(tài)，對(duì)流程中的控制對(duì)象做了具體的圖形或數(shù)據(jù)顯示組態(tài)，使得整個(gè)顯示界面能夠直觀、形象的反應(yīng)控制系統(tǒng)。結(jié)論本次設(shè)計(jì)是對(duì)磁控濺射鍍膜上位機(jī)控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)。編輯梯形圖程序，選擇西門子S7-300PLC對(duì)工藝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，并選用與其配套的西門子WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)操作流程的控制要求。設(shè)置了模擬量報(bào)警和動(dòng)態(tài)曲線顯示等功能，使得操作人員能夠更加方便、直接的觀察到鍍膜過(guò)程的進(jìn)行。設(shè)計(jì)的理論重點(diǎn)是對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程的了解。畫(huà)出程序方框圖，分析控制對(duì)象和對(duì)于控制對(duì)象的控制要求。在這

36、個(gè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了硬件的選型。通過(guò)與單片機(jī)和工控機(jī)比較，我們選擇了西門子的S7-300PLC系列作為控制方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與設(shè)備和上位機(jī)WINCC軟件間進(jìn)行連接、組態(tài)。在PLC的硬件組態(tài)中，根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)量選擇了適合的數(shù)字量模塊與模擬量模塊。依據(jù)程序方框圖，自己編輯PLC的梯形圖程序，利用自帶的仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證和修改。上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)置變量管理，與PLC控制對(duì)象間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。創(chuàng)建圖形畫(huà)面，與設(shè)置變量實(shí)現(xiàn)連接，動(dòng)態(tài)顯示PLC控制對(duì)象的狀態(tài)或數(shù)據(jù)變化。通過(guò)畫(huà)面的設(shè)置和組態(tài)，顯示采集的數(shù)據(jù)、工藝過(guò)程的進(jìn)展與狀態(tài)報(bào)警等。使得整個(gè)鍍膜工藝過(guò)程直觀、形象的呈現(xiàn)在操作人員的面前。謝辭 本次設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了幾個(gè)

37、月的資料收集、工藝分析、程序編寫與寫作論文，終于最終完成。這是我第一次真正的將在整個(gè)學(xué)校期間學(xué)習(xí)的理論知識(shí)運(yùn)用到解決實(shí)際的問(wèn)題上。是對(duì)我在學(xué)校學(xué)習(xí)期間的一個(gè)整體的檢驗(yàn)；促進(jìn)我發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力的提高。整個(gè)設(shè)計(jì)是在陳長(zhǎng)崎導(dǎo)師的細(xì)心指導(dǎo)和汪根生學(xué)長(zhǎng)、唐紅軍學(xué)長(zhǎng)的幫助下完成的。陳老師對(duì)待設(shè)計(jì)嚴(yán)肅、嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度給我留下了深刻的印象。汪學(xué)長(zhǎng)和唐學(xué)長(zhǎng)對(duì)我耐心的輔導(dǎo)讓我非常的感激。另外也要感謝在大學(xué)期間所有傳授我知識(shí)的老師，是你們的悉心教導(dǎo)使我有了良好的專業(yè)課知識(shí)，這也是論文得以完成的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)1.余雷聲.電氣控制與PLC應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2000.18-40

38、.2.廖常初.PLC編程及應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2002.37-44.3.西門子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門子WINCC V6M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2005.86-103.4.蔡行健等.深入淺出西門子S7-300PLCM.北京：北京航天航空大學(xué)出版社. 2009.33-41.第 25 頁(yè)5.劉華波.組態(tài)軟件WINCC及其應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2006.37-57.6.徐德、孫同景.可編程控制器PLC應(yīng)用技術(shù)M.山東：山東科學(xué)技術(shù)出版. 2001.23-54.7.達(dá)道安.真空工程設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2004.217-224.8.張以忱.

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