本科畢業(yè)論文-真空鍍膜機電氣控制系統(tǒng)設計

濟南大學畢業(yè)設計真空鍍膜機電氣控制系統(tǒng)設計2-PAGEI真空鍍膜機電氣控制系統(tǒng)設計摘要本文所研究的真空鍍膜機是一種蒸發(fā)式卷繞系統(tǒng)的鍍膜機，主要應用于PET、OPP、BOPP等塑料薄膜上蒸鍍金屬膜，也可應用于生產鍍鋁、鍍鋅鋁或鍍銀鋅鋁電容膜。其總體結構主要由真空系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)、蒸鍍系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成，通過PLC來實現對真空系統(tǒng)的各種泵、閥門等開關量的控制，通過三菱觸摸屏實現后臺管理、各種工藝參數的設定及控制功能，自動化程度較高，有利于生產效率的提高。該電氣控制系統(tǒng)主控單元是采用三菱PLC的FX系列的通過三菱觸摸屏設置對紙張力、電機速度、蒸發(fā)舟的狀態(tài)和蒸發(fā)量等工藝要求參數的控制，同時具有故障報警、保護路線的功能，由RS232/485串行接口、A/D轉換模塊和控制器等實現各種參數的傳輸、信息處理、檢測控制功能。文中首先對鍍膜機的真空系統(tǒng)和整個蒸鍍工藝過程進行了分析；并建立了卷繞系統(tǒng)中放卷、收卷的張力控制模型，找出影響張力的相關因素，并采用了模糊自適應整定PID控制算法作為卷繞系統(tǒng)張力控制策略，結果顯示比傳統(tǒng)的PID控制效果好，適應性強；同時完成了控制系統(tǒng)軟、硬件結構的論證分析和設計，設計過程中采用三菱PLC仿真軟件對電氣控制系統(tǒng)進行了模擬仿真，并實現上位機與PLC的通訊功能，仿真結果顯示，該真空鍍膜機自動化程度高，模擬蒸鍍效果好，保證了鍍膜質量。關鍵詞：真空鍍膜機；可編程控制器；張力控制；人機界面；AutoCAD2007

ABSTRACTInthispaper,Vacuumcoatingmachine,whichisdevelopedbythispaperisanevaporation-typewindingcoatingmachine,mainlyusedinPET,OPP,BOPPandotherplasticfilmevaporatedmetallicfilm,alsocanbeusedintheproductionofaluminum,galvanizedaluminumorsilverplatedzincaluminumcapacitorfilm.Thecompositionofitsoverallstructureismainlycomposedofavacuumsystem,windingsystem,evaporationsystemandelectriccontrolsystem;Ontheonehand,throughthePLCtocontrolpumpofthevacuumsystem,valveswitchandsoon,ontheotherhand,throughMitsubishitouchscreentoconductback-stagemanagementandcontrolandsetallkindsofProcessparameters,thiswillimprovethedegreeofautomationandIsconducivetotheimprovementofproductionefficiency.TheelectriccontrolsystemofmaincontrolunitiscontrolledbyMitsubishiFXseries,throughMitsubishitouchscreentosetandcontrolevaporationprocessonpapertension,motorspeed,evaporationboatrequiredparameters,besidesfaultalarm,protectionroutefunction.ByRS232/485serialinterfaceandA/Dconversionmodulecontrollertoachievevariousparameterstransmission,informationprocessing,detectionandcontrolfunction.Firstly,thevacuumsystemforcoatingmachineandtheevaporationprocessareanalyzedinthispaper;andthewindingsystemofrollandtherolltensioncontrolmodelisestablished,thenfindingouttherelevantfactorsthataffecttension,andadoptthefuzzyadaptivetuningPIDcontrolalgorithmasthewindingtensioncontrolsystem,theresultsshowedthatcomparedwiththetraditionalPIDcontroleffect,thefuzzyadaptivetuningPIDcontrolalgorithmisbetterandhavestrongadaptability;atthesametimecompletingtheproofanalysisanddesignofthecontrolsystemofsoft,hardwarestructure,thedesignprocessofelectricalcontrolsystemissimulatedbyusingPLCsimulationsoftwareandMitsubishi,realizethecommunicationbetweenhostcomputerandPLCfunction,thesimulationresultsshowthatthevacuumcoatingmachinehavehighdegreeofautomation,simulationevaporationeffectisgoodandensurethecoatingquality.Keywords:vacuumcoatingmachine;programmablecontroller;tensioncontrol;man-machineinterface;AutoCAD2007目錄摘要 IABSTRACT II目錄 III1前言 -1-1.1課題研究背景 -1-1.2真空鍍膜機的發(fā)展趨勢 -1-1.3研究目的 -2-1.4研究內容 -2-1.4.1電氣控制系統(tǒng) -2-1.4.2工藝參數的控制 -3-2真空鍍膜機的系統(tǒng)結構 -5-2.1鍍膜工藝流程 -5-2.1.1順序控制 -6-2.1.2抽真空裝置 -7-2.1.3工藝參數的輸入與顯示 -7-2.2真空鍍膜機電氣控制系統(tǒng)方案設計 -8-2.2.1控制系統(tǒng)整體方案設計 -8-2.2.2控制系統(tǒng)整體方案論證 -9-3真空鍍膜機的控制系統(tǒng)硬件 -11-3.1.可編程控制器PLC簡介 -11-3.1.1可編程控制器的定義 -11-3.1.2可編程控制器的工作原理 -11-3.1.3可編程控制器的主要特點 -12-3.2.硬件設計方案與論證 -13-3.2.1硬件設計的技術要求 -13-3.2.2PLC型號選擇方案與論證 -13-3.2.3PLC主機選擇方案與論證 -14-3.2.4模擬量輸入/輸出的選擇方案與論證 -15-3.2.5PLC控制單元的設計方案 -16-3.2.6PLC接口電路設計 -16-3.3.觸摸屏簡介 -18-3.3.1觸摸屏的技術簡介 -18-3.3.2觸摸屏與PLC的連接 -18-3.4卷繞系統(tǒng)設計 -19-3.4.1卷繞系統(tǒng)介紹 -20-3.4.2收放卷張力控制系統(tǒng)結構 -21-3.4.3張力控制方法 -21-3.4.4張力執(zhí)行元件 -22-3.4.5送絲系統(tǒng)簡介 -23-4PLC程序設計 -25-4.1.PLC編程思想 -25-4.1.PLC程序調試 -26-結論 -28-參考文獻 -29-致謝 -31-42-1前言1.1課題研究背景我國真空鍍膜的設備研究是開始于20世紀50年代,當時我國研制了各種蒸發(fā)式真空鍍膜設備,滿足了光學事業(yè)發(fā)展的需要，進入上世紀70年代,由于國民經濟各種領域的需要,各種真空鍍膜設備開始長足的發(fā)展。真空鍍膜技術，膜的厚度均勻，比如在有效沉積區(qū)域內，膜層厚度均勻性可以小于5%，且不會出現污染生態(tài)環(huán)境的廢水，另外可以把材料鍍在金屬材料表面的非金屬材料表面上。所以表面鍍膜技術將會在工業(yè)的領域將會起到非常大的作用。把材料鍍在金屬材料表面或非金屬材料表面上或者其他物體表面上，這種技術被稱為真空鍍膜技術，沉積的方法也有很多種，如蒸發(fā)式、濺射式等，環(huán)境是在真空條件下，這樣的蒸鍍效果會很好。這種技術有很多優(yōu)越功能，如使固體表面具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的特點，同時也具有抗氧化、絕緣和裝飾等優(yōu)勢,提高產品質量、節(jié)約能源以及延長產品壽命是眾多優(yōu)點中的突出特點。真空卷繞系統(tǒng)的鍍膜技術是被當作是21世紀最有發(fā)展前途的技術之一，因而其具有廣泛的應用領域，基本上涉及到國民經濟中的各個領域中，如電子、信息、機械、航空、航天、軍事、石油、化工及環(huán)境保護等領域。卷繞系統(tǒng)張力的控制是真空鍍膜設備的重要環(huán)節(jié)，原材料膜的適應性及產品薄膜的質量直接會受到卷繞張力控制的準確度和穩(wěn)定性的影響，為了實現鍍層牢固、均勻、穩(wěn)定和連續(xù)性等性能,達到高生產率、高質量、高產量的需求,必須保證設備的卷繞線速度恒定，提高卷繞系統(tǒng)過程和操作的自動化控制己成為必然發(fā)展趨勢。1.2真空鍍膜機的發(fā)展趨勢目前鍍膜行業(yè)的制作方式主要化學鍍膜、真空鍍膜兩種，一種方法是把含有能夠構成薄膜的氣態(tài)或液態(tài)反應劑，讓他們在襯底表面發(fā)生化學反應，這樣生成薄膜的過程被稱為是化學鍍膜。但是化學鍍膜的缺點很多，比如說，化學鍍膜的反應溫度很高，要在1000℃左右，很多基體材料承受不住如此的高溫，雖然有些材料可以經受住高溫，比如硬質合金，但在高溫的環(huán)境下也會出現晶粒粗大的現象，另外，在化學薄膜的過程中，容易產生對環(huán)境污染的溶液，導致鍍層表面雜質多，這樣會嚴重影響蒸鍍效果。真空鍍膜是在高真空環(huán)境下，利用氣體放電的原理，使被鍍材料蒸發(fā)，利用電場的加速作用，使被蒸發(fā)物質沉積在被鍍材料的表面真空鍍膜機的出現，化學鍍膜產生的大部分問題都可以解決。鍍層材料都是在真空環(huán)境下通過等離子體沉積在工件表面，解決了化學鍍膜中污染環(huán)境問題，不會產生污染環(huán)境的物質，而且膜層硬度也很高，具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，性能更加優(yōu)秀。真空鍍膜工藝的溫度控制在150℃~500℃之間，能夠鍍制豐富多樣的膜層，且適用于多種基體材料，若鍍制硬質合金刀具的話，她的壽命真空鍍膜技術是鍍膜行業(yè)發(fā)展領域的必然趨勢，其應用已經涉及到了各個行業(yè)，對環(huán)境無污染，符合現代綠色環(huán)保的發(fā)展要求，這必然引起世界各國制造業(yè)的高度重視，從二十世紀50年代開始，真空鍍膜能夠完全的取代化學鍍膜。1.3研究目的本課題研究的是真空蒸發(fā)式卷繞鍍膜機，工藝過程主要分為真空系統(tǒng)、鍍膜系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)，分別對這幾個系統(tǒng)進行設計和分析，本文的重點是研究采用PLC裝置實現鍍膜的自動控制及卷繞系統(tǒng)的張力控制。首先在蒸鍍前要保持好真空度，以獲得優(yōu)越的蒸鍍效果，采用前級泵及油擴散泵，必要時采用羅茨泵來達到高真空，同時課題所采用鍍膜材料為純鋁，在蒸發(fā)鍍膜時，為保持良好的蒸鍍效果，膜的厚度適中，要對膜的厚度進行在線測量并調整，同時在卷繞過程中,極易發(fā)生斷裂的情況，因此在卷繞過程中保持每點受力均勻是課題首要目的。由于純鋁在真空蒸發(fā)鍍膜過程中對真空度、鍍膜厚度以及卷繞鍍膜張力控制要求嚴格，提高整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是本課題最終目的。1.4研究內容本課題研究的鍍膜機是真空蒸發(fā)式卷繞系統(tǒng)的鍍膜機，并對其工藝流程進行具體分析，從抽真空到蒸鍍，都是通過PLC來進行控制，并通過上位機設定各種工藝參數，主要研究工作如下所示。1.4.1電氣控制系統(tǒng)電氣系統(tǒng)包括真空抽氣機組控制、蒸發(fā)控制、真空測量控制、卷繞張力控制等部分組成。在沒有出現PLC之前，是采用單片機設計的,但是一旦環(huán)境發(fā)生變化就會直接影響到單片機的工作性能，特別是在比較惡劣的情況下，比如電磁干擾，其可靠性大大降低，工作性能也會變得不穩(wěn)定，因而,現在的真空鍍膜機都采用PLC來設計，操作人員可以選擇自動或者手動模式來進行操作，這樣不但提高工作性能的穩(wěn)定性，而且不會受環(huán)境的影響，同時PLC的操作靈活方便,可靠性高，PLC會逐步地取代單片機。人機界面采用的是easyview觸摸屏，可以直接對流程進行后臺管理,智能化實現功能，體現了以人為本的設計思想。PLC電氣控制系統(tǒng)具有很多其他工控機沒有的優(yōu)越性能，比如可靠性高、設計靈活方便，開發(fā)周期相對來說較短，抗干擾能力強，移植性，操作簡單，維護方便，因此采用其來設計真空鍍膜機的控制系統(tǒng)是較理想的選擇,其性價也比較高。1.4.2工藝參數的控制（1）真空度的控制本設計采用的是熱偶規(guī)管和電離規(guī)管組成的復合真空計，其負責測量鍍膜室真空度，將測量到的實時數據首先會傳到PLC的數字/模擬量轉換模塊，通過與PLC中內部存儲的實際所設定的壓強數據做差，自動進行PID控制，使其達到特定的值，當你設定好真空度后，當測到的真空度小于設定的真空度時，給PLC信號，真空泵就會自動啟動抽真空。當真空度高于設定的真空度時，給PLC信號，真空泵就會自動停止抽真空。（2）鍍膜厚度的控制蒸發(fā)量及蒸發(fā)狀態(tài)的控制可以轉化為鍍膜厚度的控制，而鍍膜厚度控制可以選用真空鍍膜在線測厚儀,此設備由三部分組成，分別是探測系統(tǒng)、人機設備、電腦實監(jiān)控系統(tǒng)，探測系統(tǒng)部分主要包括光源、接收器和控制器，各個測量點的透過率和光密度數據由人機交互界面來顯示，此設備可以和RS485通訊，方便和PLC、人機界面通訊。而且真空鍍膜能夠讀取此設備的光密度數據，然后實現閉環(huán)控制。（3）張力控制因為PID控制具有實施簡單、魯棒性強等諸多優(yōu)點,在工業(yè)控制場合的應用越來越多。因為張力具有很多非線性的因素，比如不確定因素、多干擾因素、強耦合因素，這些特征強化的時候，傳統(tǒng)的PID控制可能無法起到作用。因此在傳統(tǒng)的PID控制用于張力控制領的時候，但是傳統(tǒng)的PID控制會因為某些因素的強化失去作用，因此在面對這樣的狀況的時候,我們就會先對傳統(tǒng)的PID進行改造，比如積分分離的PID可以降低超調以及減小積累誤差，前饋補償的加入可以抑制干擾，并能提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，三菱的張力控制器正是利用這種改造過的PID來控制張力并實現張力的恒定，過程如下：由現場的張力傳感器測到的張力經過張力控制器經過放大，然后通過A/D轉換模塊和電平轉換模塊傳送至PLC,根據生產現場的張力控制要求，即PLC可編程控制器中的參數設定值,PLC下達控制命令，進而實現張力的恒定。（4）卷繞轉速控制一般來說，要控制放膜輥、收膜輥的張力，主要包括以下兩個部分：張力控制和速度控制，當電容膜收卷時，若收卷輥的電機轉速保持不變，隨著母卷徑的增大，由于鍍膜主輥即冷卻輥電機轉速不發(fā)生變化，所以電容膜被送入的速度也是不會變，這樣一來，就必然引起收卷張力的增大，鍍好的膜會出現內松外緊的現象，然而里層膜會因外層電膜被壓皺，而且增加分切時的復卷難度，會使分切質量受到嚴重影響，因此，要求收卷輥的收卷轉速和電容膜的母卷徑成反比例關系，也就是說當電容膜母卷徑增大時，收卷輥的轉速必須減小，反過來也是一樣，當電容膜母卷徑減小時，放膜輥的轉速必須增大。因此轉速控制和張力控制往往是同時進行控制的。2真空鍍膜機的系統(tǒng)結構2.1鍍膜工藝流程真空鍍膜機主要由以下幾部分組成：鍍膜部分、真空部分、卷繞部分、電控部分及輔助部分，簡圖如圖2.1所示，鍍膜部分是用于完成基材鍍膜的地方，真空系統(tǒng)主要是為鍍膜部分制造一個高真空的條件，為了得到良好的蒸鍍效果，電氣控制系統(tǒng)主要來控制真空室中機械泵、擴散泵等的啟停、相應閥門的開關以及相應泵的指示燈和故障告警等，它是真空鍍膜機的一個重要環(huán)節(jié)，卷繞系統(tǒng)主要負責放膜、鍍膜、收膜，工作過程主要分成以下幾個階段：抽真空前準備階段：保證放氣閥是關閉狀態(tài)；保證循環(huán)水的暢通；檢查水、電、氣路都處于暢通狀態(tài)，保證機械泵、油擴散泵等能正常使用接通總電源。抽真空階段：在初始狀態(tài)下，所有閥門處于關狀態(tài)，鍍膜室門處于關狀態(tài)。按啟動鍵，啟動維持泵，并同時啟動機械泵，并打開旁路閥和預抽閥，等機械泵和維持泵聲音平靜后，延時二十秒后接通加熱器給擴散泵加熱，約90分鐘后擴散泵能正常工作，此時熱偶規(guī)管真空計監(jiān)測真空室的真空度，當氣壓降至4Pa時，開啟油擴散泵對真空室抽真空，并開啟水冷卻系統(tǒng)使擴散泵降溫，這時真空計轉換為電離規(guī)管測量真空度；當抽真空使鍍膜室壓力達到9.9Pa后，關閉旁路閥，啟動羅茨泵，開始對鍍膜室抽高真空，當鍍膜室真空壓力達到4Pa以下關預抽閥門，開前級閥門，開高壓閥門，此時擴散泵的加熱時間已經充足，開始可以通過擴散泵抽高真空，開復合計開始高真空的測量。這個階段就是控制真空室內機械泵、油擴散泵和相應閥門的順序通斷，使鍍膜室達到高真空。鍍膜階段：當鍍膜室壓力達到0.01Pa時，啟動卷繞系統(tǒng)，同時啟動送絲步進電機，啟動加熱器使鋁蒸發(fā)，開始鍍膜，鍍膜過程中，通過張力傳感器將張力信號傳達至張力控制器，使張力恒定。蒸鍍完畢后，停卷繞系統(tǒng)，停步進電機，同時關高真空計測量。關前級閥門，關高壓閥門，開啟充氣閥門，向鍍膜室內充入干燥氣體，20s后關斷，而后打開鍍膜室門取出被鍍工件。當全部停止工作時，關閉擴散泵，開啟機械泵和開預抽閥，對真空室抽低真空。然后關閉機械泵和預抽閥，待擴散泵完全冷卻后，關復合計低真空測量和維持泵。故障告警：鍍膜機中真空泵出現突發(fā)情況以及水、氣、電出現異常，PLC都能及時告警，并立即啟動保護。檢測部分：為了保證氣路的正確，一般會采用霍爾元件來檢測閥門的關閉情況，也就是說閥門關到位了程序才會進行，沒有關到位，它會給PLC信號，待關閉好后程序運行。圖2.1真空鍍膜機外觀圖控制部分可采用可編程控制器即PLC進行自動/手動控制，按自動啟動按鈕時，工藝流程自動完成鍍膜，手動過程需按照順序操作。2.1.1順序控制根據上述工作過程,真空簡圖如圖2.2所示，真空鍍膜機順序部分的工藝流程為如下所示：(l)按啟動鍵，打開預抽閥和旁路閥，啟動機械泵和維持泵，并給擴散泵加熱；(2)真空達9.9Pa給PLC一路信號(點信號)，啟動羅茨泵，并啟動真空計測真空；(3真空達4Pa給PLC一路信號(3秒抗干擾信號),關預抽閥、旁路閥、羅茨泵，開高閥，對真空室和鍍膜室抽真空；(4)真空達0.001Pa給PLC一路信號(3秒抗干擾信號)，開蒸發(fā)模擬工作同時真空計關；(5)蒸發(fā)結束,關蒸發(fā)和高閥,高閥關到位給PLC一路信號，延時10秒開充氣閥，門開后給PLC一信號，關氣閥。圖2.2真空系統(tǒng)簡圖2.1.2抽真空裝置該鍍膜機的抽氣部分采用較大的抽氣機組，鍍膜機預抽時采用了一臺維持泵和兩臺機械泵，高真空時采用了一臺油擴散泵和一臺羅茨泵，可以達到良好的真空環(huán)境，工作室設計合理，抽氣時間短，這樣的抽真空效果會比較好，蒸鍍效果相對會比較好，其真空系統(tǒng)硬件選型如下表2.1所示：真空計由熱偶規(guī)管和電離規(guī)管組成，熱偶規(guī)制成的原理是利用在低壓強環(huán)境中氣體承擔的熱傳導與壓強成正比例關系，而電離規(guī)管的原理是在低壓強條件中氣體電離生成的正離子數與壓強成正比例關系，低真空時由熱偶規(guī)管真空計測量真空度，當達到高真空時，才能接通電離真空計測量真空度，否則電離真空計容易損壞。當真空室內部真空度達到鍍膜要求準備鍍膜時，要關閉電離真空計。當鍍膜完成后結束全部工作時,關復合真空計開關，關油擴散泵，開機械泵，必須有循環(huán)水工作，油擴散泵的溫度降下來后，這樣實驗才算結束，而后關閉機械泵、循環(huán)水及總電源。2.1.3工藝參數的輸入與顯示參數輸入包括以下幾個：（1）真空度的設定，包括前級真空度，真空室真空度（2）膜的厚度設定，即蒸發(fā)量的設定；（3）電機轉速設定，包括步進電機，卷繞電機。（4）張力設定；參數顯示包括以下幾個：（1）真空度的顯示；（2）速度顯示，包括步進電機，卷繞電機；（3）工藝層數顯示；（4）張力顯示。2.2真空鍍膜機電氣控制系統(tǒng)方案設計2.2.1控制系統(tǒng)整體方案設計根據電氣系統(tǒng)常見的控制模式，提出了如圖2.3所示的三種方案，分別是以PLC、單片機和工控機為核心的控制系統(tǒng)。單片機單片機模擬量擴展模塊通訊模塊模擬量擴展模塊張力控制與調整真空度鍍膜厚度（蒸發(fā)量）三菱觸摸屏電源電機轉速a.以單片機為核心的控制原理圖工控機工控機模擬量擴展模塊通訊模塊模擬量擴展模塊張力控制與調整真空度鍍膜厚度（蒸發(fā)量）電源電機轉速b.以工控機為核心的控制原理圖模擬量擴展模塊模擬量擴展模塊通訊模塊模擬量擴展模塊PLC張力控制與調整真空度鍍膜厚度（蒸發(fā)量）三菱觸摸屏電源電機轉速c.以PLC為核心的控制原理圖圖2.3電氣系統(tǒng)方案設計原理圖2.2.2控制系統(tǒng)整體方案論證由圖2.3所示,圖a以PLC為核心的控制系統(tǒng),利用模塊實現模擬量的采集與輸出控制,利用觸摸屏實現工藝參數的設定和顯示,程序編寫時修改方便,結構簡單，圖b以單片機為核心的控制系統(tǒng)，因為單片機本身的接口有限,依據12位的數據存儲，對18路的A/D、D/A轉換電路，模擬量擴展端子就要超過200個，這樣一來接線就比較復雜，圖c以工控機為核心的控制系統(tǒng)，雖然實時性強，但模擬量轉換電路較多，采用純粹面板安裝開關的方法要解決27個輸入量，將會導致操作誤動作頻繁，接線復雜，三種控制方案的比較如表2.1所示通過表2.1可知，PLC控制系統(tǒng)具有功能豐富、使用方便、可靠性強、設計簡單等諸多優(yōu)勢，滿足設計要求，因此，圖2.3，相比較方案b、c方案而言，方案a更加合理，所以我們將以PLC為核心的電氣控制系統(tǒng)為最終選擇的方案。3真空鍍膜機的控制系統(tǒng)硬件真空鍍膜機的控制部分主要由三菱PLC和EasyView觸摸屏構成，人機界面-EasyView觸摸屏可以對各種狀態(tài)進行后臺控制，設定、監(jiān)視各種工藝參數的值或狀態(tài)，下位機-可編程控制器主要由FX2N系列模塊、模擬量輸入/輸出轉換模塊等組成，上位機-EasyView觸摸屏主要完成系統(tǒng)中各種信號、參數的檢測以及信息處理和輸出控制等功能，系統(tǒng)結構如圖2.5所示。AOAODODI圖3.1控制系統(tǒng)結構圖三菱觸摸屏CPURS232/485I/O接口真空蒸發(fā)鍍膜機三菱PLC人機界面3.1可編程控制器PLC簡介1969年，世界上第一臺可編程控制器PLC是由美國DCE公司研究出來的。從70年代初到現在，PLC在工業(yè)控制的應用領域占據著主導地位，如今PLC已經發(fā)展成一個巨大的產業(yè)，美國PLC和歐洲PLC是在互相隔離的情況下形成的，他們獨自的研究開發(fā)了PLC，美國的PLC和歐洲的PLC產品充分表現出明顯的差異性，而日本是從美國引進的的PLC技術，因而日本的PLC產品對美國的PLC產品有一定的繼承性，日本的主要產品是定位在小型PLC上，亞洲占據著主要市場。3.1.1可編程控制器的定義可編程控制器的核心是微處理器，采用存儲器，用其在內部存儲執(zhí)行邏輯運算、算術運算、時序控制、計數和定時等操作，并帶有數字式和模擬式的輸入/輸出來控制生產過程，可編程控制器及相關設備都具有易于與工業(yè)控制系統(tǒng)集成、容易擴展功能等優(yōu)點。3.1.2可編程控制器的工作原理采用“循環(huán)掃描”的方式是可編程控制器的系統(tǒng)工作的獨特之處。可編程控制器在運行時，其內部要進行一系列操作，大致包括6個方面的內容，其執(zhí)行順序和過程如圖3.1所示。通信與外設服務通信與外設服務輸入采樣執(zhí)行用戶程序輸出刷新初始化處理系統(tǒng)自診斷圖3.2PLC工作過程PLC上電瞬間可編程控制器的存儲器一般有下面兩種類型：EEPROM-只讀存儲器、RAM-可讀寫隨機存儲器，CPU大多集成多個存儲器，并且可以選擇是否支持EEPROM存儲器。3.1.3可編程控制器的主要特點如今，可編程控制器的出現，使控制領域中困擾人們的抗干擾、可靠、安全、方便、靈活及經濟等都有了很好的解決，同樣也使得可編程控制器迅速發(fā)展，它具備了許多獨特的優(yōu)點，可編程控制器的主要特點如下：（1）可靠性高，抗干擾能力強I/O接口電路為實現電氣隔離使用繼電器、光電耦合器，降低接地干擾和其他的干擾，加上其他的軟件、硬件噪音對策措施，可編程控制器的可靠性高，抗干擾能力強。高可靠性是可編程控制器的最顯著的優(yōu)勢。可編程控制器連續(xù)工作數十萬個小時，幾乎沒有故障，1年的連續(xù)使用時間是8765小時，幾十年也無故障。通常是35年以上，可以說是無故障設備?？删幊炭刂破魃峡垢蓴_能力強，可靠性高，因為它在惡劣的環(huán)境中也能使用。（2）編程簡單，易于使用由于程序設計簡單、易于使用的特點，使得可編程控制器迅速普及。PLC梯形圖編程語言和繼電器控制電路可以說是非常相似的，而且不需要專業(yè)的計算機知識，只要學會一定的電工知識就可以很快學會。（3）網絡的便利，溝通能力

可編程控制器有多種通信接口和模塊，可編程控制器可以連接到智能儀表并可以進行相應的操作。PLC網絡和其他工業(yè)LAN相比，雖然沒有什么特別的地方，但它具有較高的性價比，這必然是可編程控制器的優(yōu)勢之處。3.2硬件設計方案與論證3.2.1硬件設計的技術要求依據真空鍍膜機電氣控制系統(tǒng)的設計需求和技術指標,可以得知控制單元的技術要求如下:（1）控制對象為蒸發(fā)式卷繞系統(tǒng)真空鍍膜機；（2）既滿足手動工藝運行流程，也能滿足自動工藝運行流程，在需要時，手動和自動模式能夠切換；（3）PLC和觸摸屏完成實時通信，設置和手動調整各種工藝參數，動態(tài)顯示開關的工作狀態(tài)、模擬量的在線監(jiān)測、卷繞鍍膜系統(tǒng)的運行狀態(tài)等內容（4）由熱偶計和電離計構成的復合真空計完成前級真空度的測量，當真空度達到了某一個設定的值會給PLC一個信號，然后由PLC來啟動真空泵的開關。

（5）真空蒸鍍薄膜的厚度采用在線測厚儀來測量，測試出來的數據傳送至到PLC，經過A/D轉換模塊，與存儲在PLC內部設定的數據相比較，經過閉環(huán)控制后，再經過PLC的D/A模塊輸出的模擬信號作為鍍膜機直接讀取的光密度數據。實現對蒸發(fā)量的控制。（6）張力控制器完成對張力的自動控制，將張力傳感器測到的信號傳到張力控制器，然后進行閉環(huán)控制。（7）控制系統(tǒng)的工作方式為連續(xù)式：抗干擾能力強，結構簡單，接線簡單，操作靈活，可靠性高，維修量小；（8）綜合考慮電氣控制系統(tǒng)的成本；（9）保護與報警功能。3.2.2PLC型號選擇方案與論證3.2.2.1PLC選型原則PLC選型是系統(tǒng)設計的一個關鍵環(huán)節(jié),要按照滿足控制系統(tǒng)的功能需要、兼顧維修和備件的通用性的基本原則來進行設計，在PLC選型時，主要考慮以下幾個方面：（1）功能要適當；（2）選擇程序存儲器容量；（3）I/O點數的準確統(tǒng)計；（4）考慮輸入輸出信號的性質；（5）性能價格比；（6）編程器與外圍設備的選擇；（7）估算系統(tǒng)對PLC響應時間的要求。3.2.2.2PLC的選型與論證現在有數百家生產PLC產品的廠家，大小廠家的產品又分為很多種類的系列，要對各種型號的PLC進行詳細的比較幾乎不大現實，根據相關分析了解到該電氣控制系統(tǒng)是小型控制系統(tǒng)，表3.1列出的是占據我國主要市場的兩個公司的小型PLC，分別列舉他們兩家的功能和價格，價格采用網上詢價和自動化的網絡的自動報價相結合的方法得到，比實際價格偏高一些。由表3.1可知，三菱FX2N系列的小型PLC性價比較高，在中國占據著大部分市場，因此將日本三菱電機FX2N系列的PLC作為最終的選擇。3.2.3PLC主機選擇方案與論證3.2.3.1PLC輸出方式的選擇PLC常用的開關量輸出接口按輸出開關器件不同有三種類型：繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。繼電器輸出是采用繼電器觸點和外部線圈將PLC的內部電路和的負載電路實現電氣隔離，使用壽命短，響應時間晚，觸電斷開時容易出現電弧。容易產生干擾。晶體管輸出是采用光電耦合控器控制外部負荷，光電耦合器會使晶體管截止或導通，然后通過PLC的內部電路和晶體管輸出電路實現電氣隔離，這樣會使壽命變長，頻率響應速度很快，常用高速響應的場合，例如電器、直流電動機以及電磁閥。雙向晶閘管輸出接口的響應速度快，工作頻率高，但是缺點很多，它的負載能力差，只可以驅動交流負載，價格比前兩個都高。由于真空鍍膜機中電磁閥頻繁開關次數較多，故選擇晶體管PLC。3.2.3.2主機的選擇FX2N系列主機具有很多種不同輸入、輸出點的主機,并且還可以靈活地擴展單元,對它進行16-256點的輸入、輸出組合，如表3.2所示在控制系統(tǒng)中,有13個輸入信號，15個輸出信號，依據留有10%-20%余量的選擇原則，計算如下：開關量輸入信號：13*(1+15%)=14.95(取15點)開關量輸出信號：15*(l+15%)=17.25(取18點)根據計算出來的1/0點數和表3.2的數據，定出以下兩種方案：方案(1)選擇一臺FX2N-32MT：16入/16出，晶體管輸出,4400.00元，另選擇一臺FX2N-8EYT：8出，晶體管輸出，1320.00(共計:5720.00元)。方案(2)選擇一臺FX2N-48MT：24入/24出，晶體管輸出，4660.00元；顯而易見，方案(2)可靠性較好，價格較低，能滿足電磁閥高速頻繁開關的需要，因此選用方案(2)。3.2.4模擬量輸入/輸出的選擇方案與論證3.2.4.1模擬量輸入/輸出模塊選擇方案（1）模擬量輸入模塊FX2N-2AD：該模塊為2路電壓輸入（0～10VDC，0～5VDC）或電流輸入（4～20mADC），轉換的速度為2.5ms/通道。（2）模擬量輸入模塊FX2N-4AD：該模塊有4個輸入通道，轉換的速度最高位6ms/通道。FX2N-4AD占用8個I/O點。（3）模擬量輸入模塊FX2N-8AD：該模塊有8個輸入通道，轉換的速度最高位12ms/通道。FX2N-8AD占用8個I/O點。（4）模擬量輸出模塊FX2N-2DA該模塊用于將12位的數字量轉換成2點模擬輸出。輸出的形式可為電壓，也可為電流。本模塊需占用8個I/O點。適用于FX1N、FX2N、FX2N子系列。（5）模擬量輸出模塊FX2N-4DA：該模塊有4個輸出通道。并且提供了12位分辨率的數字輸入。他們的價格分別如表3.2所示：在控制系統(tǒng)中,有4個檢測信號，2個模擬輸出信號,依據留有10%~20%余量的選擇原則,計算如下：模擬量檢測信號：4*(l+10%)=4.6(取5點)模擬量輸出信號：2*(l+10%)=2.3(取3點)根據上述模擬量數量和表3.2的價格，定出以下兩種方案:方案(1)：1個FX2N-4AD，1個FX2N-2AD，1個FX2N-4DA，7760元方案(2)：2個FX2N-4AD，1個FX2N-4DA，7180元很明顯，方案中的模擬模塊都沒有超出FX2N-32MT的擴展模塊數，方案(2)價格優(yōu)惠，且都預留了一個通道，綜合來看，方案(2)比方案(1)更加合理，因此選擇方案(2)。3.2.5PLCPLC主機與模擬模塊的連接如圖3.1所示，A/D模塊的編號分別為O號和1號，D/A模塊的編號為2號，PLC和三菱觸摸屏之間需要的是雙向實時通訊，因此選用FX2N-485ADP通信模塊，FX2N系列模擬模塊如圖3.3所示。FX2N-48MTFX2N-48MTFX2N-4ADFX2N-4ADFX2N-4DAFX2N-485ADP#0#1#2圖3.3PLC主機與模擬模塊的連接圖3.2.6PLC接口電路設計晶體管型PLC帶負載能力較小，在工程上PLC一般不直接連接接觸器和電磁閥，有時候要加其他東西來帶動大負載，如繼電器、固態(tài)繼電器等，因此我們通過中間繼電器(KA)去控制接觸器、電磁閥的開關量和模擬量的輸入/輸出接口電路，如圖3.3所示。圖3.3PLC接口電路3.3觸摸屏簡介隨著多媒體信息查詢方式的與日俱增，人們越來越多會接觸到觸摸屏，因為觸摸屏作為一種新興的電腦輸入設備，賦予了人們最簡單、方便、自然的輸入方式，觸摸屏的優(yōu)點也有很多，它堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間。利用這種技術，只要用手指輕輕地觸摸計算機顯示屏上的圖符或菜單選項就能實現你想要的操作，體現了人機交互的人性化思想，這種技術極大方便了那些不懂電腦操作的用戶，它賦予了多媒體簡捷、方便的信息查詢方式，是極有吸引力的全新多媒體人機交互設備。3.3.1觸摸屏的技術簡介因為采用鼠標或鍵盤來輸入或控制信息，使操作變得很不方便，于是人們開始研究觸摸屏。觸摸屏主要由兩部分組成，分別是觸摸檢測部件和觸摸屏控制器，按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質，可將其分為四種：為電阻式、紅外線式、電容感應式以及表面聲波式。我們平時可以看到，觸摸屏是裝在顯示器屏幕前面，檢測部件就在觸摸屏內，可以用來對用戶觸摸位置的檢測，當你觸摸顯示屏上的圖標時，檢測部件會接受到信號后將其傳送至觸摸屏控制器，其功能是從觸摸點位置接收信號，然后轉換成觸點坐標，再傳給CPU處理，觸摸屏檢測器同時也能接收CPU發(fā)來的命令。在工作的時候，我們用手指觸摸觸摸屏上的選項，然后觸摸屏檢測部件自動根據手指觸摸的圖標來確定信息輸入。在本次設計中，我們采用的是EasyView500系列中的MT510S型觸摸屏，它可以兼容幾乎所有的主流PLC和某些品牌的運動控制器，Easyviwe觸摸屏采用的是高品質、高亮度的液晶面板，功能豐富，可以多個窗口同時監(jiān)控數據。它在畫面刷新速度上處于領先地位。3.3.2觸摸屏與PLC的連接PLC和觸摸屏連接通信口類型選用FX-485ADP通信模塊，觸摸屏與PLC的連接方式，如圖3.4所示。圖3.5觸摸屏與PLC的連接參數設置可點擊主菜單中的“編輯”下的“系統(tǒng)參數”在PLC設置一欄中設置如下：PLC類型：ModBusRTU、人機類型：你所使用的類型、通訊口類型：RS-4852W、波特率：19200，數據位：8位、校驗位：偶校驗、停止位：1、PLC站號：1、其余為缺省值。設置結果畫面如圖3.5：圖3.5操作界面和參數設置3.4卷繞系統(tǒng)設計卷繞控制系統(tǒng)是比較常見的控制系統(tǒng)之一，常用于塑料收卷、包裝、印刷、造紙、鋼鐵等工業(yè)領域中。引入線帶或線材的收放卷張力在產品的質量中是一個相當重要的角色。鍍膜的質量好壞直接會受到張力控制系統(tǒng)的影響，材料的張力一旦小了，輥軸和材料之間的摩擦力小，容易出現滑動的現象，材料還可能會出現皺紋。張力一旦大了，材料處于拉伸的情況下，這樣鍍膜出來效果不好，因此不管是有皺紋或者拉伸的情況下鍍膜，這兩種情況都會影響鍍膜的質量，也就說，張力要在一個合適的值，如果經常變化，對鍍膜質量產生不利的影響，所以張力控制的目的有：(l)保證材料行走的穩(wěn)定性：防止橫向移動，輥軸間要固定，以免發(fā)生松動；(2)防止變形：如皺紋和伸縮；(3)確保尺寸精度：如厚度、寬度等；(4)確保收卷質量：不產生間隙、不產生皺紋、不錯位、確保緊密度和卷徑。3.4.1卷繞系統(tǒng)介紹整個卷繞張力系統(tǒng)由收卷輥、放卷輥、張力檢測輥、彈簧輥、導輥、壓輥、冷卻輥(主輥)、收卷跟蹤機構等組成。卷繞系統(tǒng)各導輥的布置詳見圖3.6。圖3.6真空鍍膜機卷繞系統(tǒng)示意圖圖3.6中，整體的鍍膜速度直接受冷卻輥8的速度的約束，因此，要保證鍍膜精度，冷卻輥的速度應該保持在一個恒定值，為此，可以采用伺服電機并結合變頻器來控制冷卻輥的速度，其實該速度與張力無關，但是在張力比較大的時候，電機的輸出功率會變大。整個鍍膜過程描述如下：收卷輥、冷卻輥都是由交流電動機拖動，制動器控制放卷輥，變頻調速器控制交流電動機，鍍材由放卷輥放出，鋁絲由送絲機構送出，鍍材經過冷卻輥，鋁絲經過蒸發(fā)薄膜沉積在鍍材上，然后由收卷輥將鍍好的薄膜送出。鍍材在放卷輥放出以及收卷輥收卷的過程中，要求薄膜上的張力是一個恒定值。由放卷輥放出的原膜經過導輥、彈簧輥、展平輥、張力檢測輥，在中間輥上進行處理，經收側導輥、彈簧輥、展平輥、張力檢測輥，由收卷輥收卷。3.4.2收放卷張力控制系統(tǒng)結構圖3.7放膜卷張力控制框圖圖3.7是放膜卷張力控制框圖，在放膜過程中，我們要將進入冷卻輥鍍膜的張力維持在一個恒定值，采用三菱LE-40MTB-E型的張力控制器對張力進行閉環(huán)控制可以達到很好的效果。由于電容膜收卷質量，鍍膜產品的質量，均會因收卷張力的好壞而受到影響，所以在收膜過程中，采用LE-40MD型卷徑計算工具與LE-40MTB-E型的張力控制器相結合的方式，使用外部錐度控制可實現高準確度的張力控制?？刂瓶驁D如圖3.8所示圖3.8收膜卷張力控制框圖3.4.3張力控制方法張力的控制方法按照不同的工藝要求,可以分為兩種類型，分別為直接張力控制、間接接張力控制。采用張力傳感器形成的張力閉環(huán)控制是直接張力控制系統(tǒng)，直接張力控制就是使用浮輥作為張力傳感器，然后使用機械電位器確定位置，并與給定的位置做差，將差值傳至位置調節(jié)器，實現電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的三環(huán)的張力控制，張力控制的微處理器作為控制核心，實現了實時的復雜的控制算法，對張力傳感器的硬件檢測，在以張力反饋實現閉環(huán)控制，實現高精度的張力控制。速度調節(jié)器可以維持張力恒定，通過控制其輸出幅值可以達到張力的恒定的控制是間接張力控制，通常情況下，使用最大力矩的控制或恒功率的控制的方式，能實現要求較低的控制系統(tǒng)的設計目標。在這個研究項目中，因為要在卷繞時，要求薄膜的張力隨著薄膜的運動時不發(fā)生變化，因此，張力的控制不僅要求在動態(tài)的時候不發(fā)生變化，而且要在加、減速時保證張力不發(fā)生變化，這樣的張力控制系統(tǒng)需要補償動態(tài)力矩，尤其是補償因加、減速或者摩擦引起的力矩。故本研究的項目采用的是屬于直接張力控制的反饋式張力控制來維持張力的恒定。需要說明的是，張力檢測不需要另外加上，它已經在直接張力控制里面，系統(tǒng)的簡約圖如圖3.9所示，因為張力F這個性能指標直接由檢測量反映了出來，因此相比較間接控制而言，該控制系統(tǒng)的結構簡潔，它對張力傳感器的精度、靈敏度及可靠性依賴比較大，成本相對較高。3.4.4張力執(zhí)行元件在薄膜在運行的過程中，會因為外部物理或化學元素的影響和薄膜材質的變化，張力會發(fā)生變化，且變化的幅度和頻率都很大，因此，要求必須檢測系統(tǒng)張力的瞬間變化，且能及時跟蹤張力使其不變，所以在選擇系統(tǒng)的張力調節(jié)機構上，不僅需要和控制算法匹配，被控對象的實際情況也要考慮進去。所以要滿足：(1)要具有線性度良好的機械特性、調節(jié)特性，特性硬；(2)電機轉動慣量小、啟動性能好、并具有較小的機電時間常數；(3)系統(tǒng)響應速度快，且電機能在堵轉和低速下運行,對速度和位置的控制有較高的精度、穩(wěn)定性及可靠性好；以下是恒張力控制方法的比較：(1)力矩電機及驅動控制器力矩電機是通過特殊改造的交流籠型電機，是隨著轉速的上升，輸出轉矩減少的反相關特性，卷徑比（最大卷徑/最小卷徑）小，而且對一定的速度移動卷取機構來說，有著能使用滑動式等簡單電壓調整器任意實現收卷的優(yōu)勢。a.性能：張力控制穩(wěn)定型弱，線性度較差；b.對張力的精度要求不高，如：電線、電纜。(2)磁粉制動器張力控制a.精度差：線性不夠好，卷徑的可控制范圍較小；b.磁粉制動器的可靠性差，維護費用高(經常要更換磁粉)，故障率高，發(fā)熱嚴重且功率大的還需要水冷設備。c.性能：相比力矩電機來說，張力穩(wěn)定性較高，使用范圍光，具有張力速度可隨時修改的性能，。(3)舞蹈棍控制器a.性能：張力控制穩(wěn)定性好,有張力儲能的作用，但張力控制起來不方便；b.調速單元必須是響應的速度快，機械設備較繁瑣，適用范圍只在線材中使用，不能在片材中使用，如：光纖光纜。c.無法在較大型的張力控制適用。(4)直接張力閉環(huán)控制通常情況下，驅動電機的選擇我們是采取伺服電機、矢量變頻器。a.性能:張力控制的穩(wěn)定性較好，調速單元必須響應速度快,并顯示張力，系統(tǒng)易發(fā)生振蕩；b.電氣設備繁瑣，要求有張力控制器和張力傳感器。張力控制系統(tǒng)的電機驅動形式主要有四種類型，分別是直流調速驅動、交流調速驅動，力矩電機驅動及交流變頻驅動，交流調速電機具有運行可靠，結構簡潔，維護方便等優(yōu)勢，而直流電動機具有堵轉轉矩大和調速及啟動特性好的優(yōu)點，但是電機的電刷和換向器之間形成滑動機械接觸的現象，從而導致電機精度的下降以及可靠性變差，換向器電刷裝置還會導致電機結構變得復雜，噪音變得很大，維護起來麻煩，因此目前使用最廣泛的還是交流變頻調速。3.4.5送絲系統(tǒng)簡介步進電機在本研究中是用來驅動送鋁絲機構的。本次設計采用的被鍍材料是鋁絲。整個過程描述如下：將鋁絲通過步進電機送到蒸發(fā)舟上，鋁絲到達蒸發(fā)舟后，因真空條件及坩堝的溫度較高，鋁絲很快就會融化、蒸發(fā)，沉積到被冷卻輥冷卻的原膜上，得到一定厚度的薄膜。送絲系統(tǒng)分為5個部分，人機界面、三菱PLC控制器FX2N-48MT、三菱脈沖功能模塊FX2N-1PG、步進電機驅動器LE4-40和2相步進電機組成的。蒸發(fā)舟的控制是通過晶閘管交流調壓器，送鋁絲的速度會因原膜的速度及鍍好了的膜層厚度而發(fā)生變化，這樣整個過程可以得到控制。直流步進電機由LE4-40步進電機驅動器驅動，FX2N-1PG脈沖模塊發(fā)出的正向脈沖信號會由LE4-40接受，LE4-40向FX2N-48MT反饋驅動報警信號，FX2N-1PG和FX2N-48MT之間通過數據線進行數據通信，按鍵輸入速度數據，具體系統(tǒng)構成框圖如圖3.8所示：圖3.8送絲系統(tǒng)構成框圖4PLC程序設計在鍍膜機的PLC控制軟件系統(tǒng)的設計中，程序被分為三個部分，分別是自動運行程序、手動調試以及工藝運行程序，這不僅使程序簡單化了，而且還增加了程序的可讀性，在調試控制電路的時候，用戶只需要修改在觸摸屏上的工藝參數，就可以完成鍍膜過程，操作簡單、方便。自動工藝流程圖如圖3.9所示4.1PLC編程思想（1）自動運行程序要采集的工藝參數包括真空度、張力、電機轉速等，然后通過PLC的A/D擴展模塊進行轉換，然后經過當量處理，為了使程序在掃描過程中方便調用和處理，將程序存儲于在PLC的數據地址中。根據工藝運行的實際情況，為了方便地對系統(tǒng)進行升級，在設計時，預留計時器和寄存器等元件。在設備運行正常后，操作人員只需選擇自動或手動模式，然后系統(tǒng)會自動地開真空室門，取工件，裝工件，關上門，按下運行鍵，可以看到觸摸屏上的參數在變化，鍍膜機自動地完成工件的加工，自動運行程序流程采用的是步進指令SET、RST，時間繼電器控制是來控制狀態(tài)轉移的。（2）程序手動調試手動調試是在設備調試和確定系統(tǒng)參數過程中必不可少的操作步驟，手動調試有很多方便之處，程序可以單步執(zhí)行，改變掃描周期等好處，因為所有泵和電磁閥的開關都要實現定義好順序，并且要嚴格按照順序執(zhí)行。所以如果按照手動流程圖執(zhí)行手動操作，利用單步指令可以調試真空鍍膜機使其在正常工作狀態(tài)下轉成自動狀態(tài)。（3）工藝運行程序工藝運行程序是這個控制系統(tǒng)的重要組成部分，在這個程序任務中需要采集薄膜厚度信息、張力大小、轉速大小等信息，并且將數據處理后實時顯示在顯示器件上如觸摸屏，通過觸摸屏能夠改變工藝參數，完成對工件鍍層的控制。這個程序有以下幾部分組成：模擬量的讀寫指令、傳輸指令、基本指令等組成。將程序模塊化，這樣減少了程序的復雜性。圖3.9自動工藝運行程序N告警圖3.9自動工藝運行程序N告警NY告警告警NNY檢查接通水、電、氣正常，無報警觸摸屏與控制面板均選擇手動手動開維持泵和機械泵，開旁路閥，開預抽閥給擴散爐加熱40分鐘前級真空度≤9.9Pa關旁路閥，開羅茨泵，繼續(xù)抽真空前級真空度≤4PaY關預抽閥，開前級泵，開高閥通過擴散泵抽真空前級真空度≤0.01PaY啟動卷繞系統(tǒng)啟動送絲系統(tǒng)開強電流使鋁絲蒸發(fā)，對工件鍍膜蒸鍍完Y停卷繞系統(tǒng)停卷繞系統(tǒng)停步進電機關前級閥，關高閥，開充氣閥關擴散泵和鍍膜室門，開啟機械泵和預抽閥對鍍膜室抽低真空關機械泵和預抽閥，待擴散泵冷卻，關復合計和維持泵。新一輪鍍膜工藝開始4.1PLC程序調試根據真空鍍膜機中要實現的功能來說，對工藝流程進行編程我們打算采用三菱公司提供的軟件，該編程軟件能夠在Windows95/98/NT下運行，兼容fxgpwni軟件，能夠方便的下載程序和在線調試程序，同樣也方便了梯形圖與指令表之間的轉換，軟件監(jiān)控與仿真系統(tǒng)等功能成為一個現實，可以在線和離線調試功能包括組件的測試和外部I/O設備的模擬操作等，由于梯形圖邏輯測試允許在計算機中進行編程和調試，使得檢查一個的程序將變得快速且容易軟件操作界面的編程，如圖3.10所示。圖3.10編程軟件操作界面從調試程序的經驗來說，就是先手動后自動，意思就是說是指先調試手動部分的程序,再調試自動部分程序，因為自動運行的基礎是手動運行，各種工藝參數的確定是要靠慢慢調試修改以及經驗值來做到的，仿真與在線調試的結合同樣也是調試修改程序的一部分，也就是說利用仿真軟件的同時還要兼顧著離線調試PLC程序，觀察輸出開關量間的聯動與互鎖，觀測程序是否滿足工藝運行過程,發(fā)現PLC參數誤差等等，最大限度的減少在線調試的工作量:在線調試程序是基于離線調試和硬件獨立的程序以及適當的修改再加上技術人員的幫助下，慢慢完成工藝運行的整個過程，相應地對模擬量轉換當量進行合理的調整，進一步完善使軟件程序能夠得到完善，進而滿足整個控制系統(tǒng)的需求。程序測試的過程是非常艱苦的，調試者應該具有科學、求知的態(tài)度，在整個軟件程序中，將主程序分成了四大部分，這樣具有結構簡單、布局合理、思路清晰的優(yōu)點，利用的跳轉指令能夠有效地減小程序掃描周期，加強了控制系統(tǒng)的實時性。結論根據真空鍍膜機的電氣控制系統(tǒng)的需要，研究了PLC控制單元、觸摸屏的設計、卷繞張力控制系統(tǒng)以及變頻調速等幾個部分，取得了一些創(chuàng)新性的成果，根據真空鍍膜機控制系統(tǒng)的工藝參數和工藝設計的需求，將分別以單片機、工控機、PLC核心的控制系統(tǒng)相比較，最后確定主要由PLC控制單元作為控制部分，整個PLC控制單元分為真空單元、檢測單元、張力控制單元等幾部分組成，控制系統(tǒng)采用手動控制和自動控制的設計相結合的方式，以PLC為核心，通過對真空度、薄膜的厚度、張力的模擬量采集以實現電機的自動控制和電磁閥門開關的執(zhí)行，利用PLC和觸摸屏的實時通訊，實現對工藝參數、真空泵的開關狀態(tài)以及蒸發(fā)量的狀態(tài)的檢測，通過分析PLC的CPU模塊和擴展模塊模擬數字輸入輸出的選擇，最后確定13路的數字輸入、15路的數字輸入以及3路的模擬輸入、3路的模擬輸出，為了采用性價比較高的產品，我們對價格也進行了比較，最后確定選用三菱PLC主機FX2N-48MT，模擬量擴展模塊2個FX2N-4DA，1個FX2N-4AD，采用FX-485ADP觸摸屏通信模塊，又因為整個電氣控制系統(tǒng)的正常運行會直接受到PLC接口電路的影響，而PLC接口電路決定了I/O的地址分配的和A/D、D/A擴展模塊相關的通道，做好這些才是PLC軟件編程的基礎，所以我們考慮變址查詢方便的設計地址配置，工藝操作程序梯形圖由仿真軟件編寫，從調試程序的經驗來說，就是先手動后自動，意思就是說是指先調試手動部分的程序,再調試自動部分程序，因為自動運行的基礎是手動運行，各種工藝參數的確定是要靠慢慢調試修改以及經驗值來做到的，仿真與在線調試的結合同樣也是調試修改程序的一部分，逐漸調整后基本上能滿足真空鍍膜機的電氣控制系統(tǒng)的要求。參考文獻［1］丁雪成，馮震宇，吳麗穎等.現代真空鍍膜機電氣控制系統(tǒng)的設計與實現［Ｊ］.電子測量與儀器學報，2008，增刊：322-325［2］劉進志，郝長生，劉希太．基于PLC的真空濺射鍍膜機控制系統(tǒng)設計［Ｊ］.煤礦機械，2008，29(1)，179-181［3］蔣群．智能雙室真空鍍膜機的控制系統(tǒng)設計［Ｄ］．安徽：安徽理工大學，2010［4］宋曉峰.高精度卷繞真空鍍膜設備張力控制技術研究［Ｄ］.上海：上海大學機械電子工程學院，2007［5］王兆義．小型可編程控制器實用技術[M]．北京：機械工業(yè)出版社,1996.［6］徐祖華．三靶磁濺式真空鍍膜機電氣控制系統(tǒng)的研究［Ｄ］．湖南：湖南大學電氣與信息工程學院，2004［7］陳敏，王存華．真空鍍膜機的原理及故障分析［J］．光電子技術，2002，22(2)：114-118［8］周志文．卷繞式鍍膜中的張力控制［J］．機械研究與應用，2003，16(1)：48-49．［9］宋永良.淺析真空鍍膜技術[J].甘肅科技,2004,20(7):59-60.［10］邵文韞,王陽明.真空鍍膜機卷繞系統(tǒng)中張力控制的研究[J].機床與液壓,2004,12(12):123-124.［11］徐祖華，王彥，雷運喜等．用PLC實現的磁濺式三靶真空鍍膜機控制系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畢業(yè)設計外文資料翻譯真空電弧鍍膜工具的潛力和應用摘要：空陰極電弧蒸發(fā)是廣泛用于沉積硬質耐磨涂層的工具和零件。這篇文章綜述了不同硬質涂層的發(fā)展前景，比如MeN,(Me1,M%)N,Me(N,C)形成的單層或多層形式以及在混合形式涂層。鑒于不同鍍膜工具的應用，我們在這里討論所選定的鍍膜特性。關鍵詞：陰極真空電?。煌繉咏Y構；粒徑；涂料選擇；混合涂料1.真空電弧鍍膜的發(fā)展真空陰極電弧蒸發(fā)的發(fā)展始于20世紀60年代和而到了70年代，繼續(xù)對硬質涂層[1-4]展開研究，真空陰極電弧蒸發(fā)系統(tǒng)在上世紀80年代和90年代[5-7]加速發(fā)展，多年來，幾乎所有類型的工具可以通過真空陰極電弧蒸發(fā)可成功地涂覆。本文綜述了為硬質涂層的真空陰極電弧蒸發(fā)沉積的可能性。選定的結果表明潛在的涂層的沉積方法。2.鍍膜單元設計圖1顯示了在高真空容器組件的布置安裝。主要部件有電源供應器蒸發(fā)器，襯底支架電源，和進氣系統(tǒng)。除了主要組成部分，還要安裝更多的設備；這些包括輻射加熱器，供電弧增強輝光放電的附加電極，在蒸發(fā)器和磁系統(tǒng)前面的來激發(fā)電弧運動或修改等離子體，以及特殊的系統(tǒng)通過電子碰撞加熱來加熱襯底[6,8]。通過電弧增強輝光放電的過程或使用那種在[8]的描述過的方法可以執(zhí)行等離子體輔助化學熱處理，比如在硬涂層沉積之前，進行滲氮。不同類型的涂層系統(tǒng)在實踐中得以應用：一個最大涂層區(qū)達3米的間歇鍍膜機以及一種在線的鍍膜機。圖1高真空容器組件的布置安裝1陰極，2高真空容器，3磁系統(tǒng)進行了電弧的運動，4對等離子體改性的磁系統(tǒng)，5可移動的快門在陰極的前面，6與氣體流量計和壓力控制裝置的進氣系統(tǒng)，7可旋轉的基板保持器基板，8輻射加熱器，9用于電弧增強輝光放電電極，10電源（300個，100個V）的電子碰撞加熱連接到B或弧增強輝光放電連接到，11弧電源（300A，40V），12襯底電壓電源（1500V，30）。2.1蒸發(fā)器和陰極材料蒸發(fā)器的類型按它們的幾何特性和饋電點的圓弧運動控制的性質分類。陰極的幾何安排可以包括圓形狀（直徑值60-100毫米），矩形狀（400-700毫米的尺寸在長度和寬度100-200公厘）或圓柱狀（直徑20-180毫米長度300-600毫米）活性表面[9]。利用陰極裝有電磁等離子體指南允許等離子體被國家環(huán)保總局評為從宏觀粒子流，因此只有等離子體粒子撞擊在襯底上[11]。電弧的運動可分為如下：隨機?。o外磁場域）；弱轉向?。ㄈ醯耐獠看艌鲇脕肀３诌\動的邊界）；轉向?。ň哂泻軓姷耐獠看艌龅拇艌瞿茱@著增加積分弧速度）；電控?。ㄓ呻姎鈼l件一定的變化對電弧運動的刺激）[12]。蒸發(fā)器所投入使用的電弧運動大多數是隨機型和弱轉向弧型。陰極材料可分為以下方式：均勻的組成元素的陰極上，由基體材料與插入陰極(Ti+Zr合金等）和陰極（A1Ti等）。2.2特別領域的發(fā)展在蒸發(fā)器目前的開發(fā)工作正在向脈沖電弧源轉變，但廣泛的工業(yè)用途的倍增的問題仍然是有待解決[13,14].為了在基板上的修改涂層生長，脈沖電源的應用越來越廣泛。一個特殊的電源產生的脈沖電壓為10kV，可用于在較低的溫度下[15]的TiB2涂層。另一種方法是較高和較低的襯底電壓調制[16]。此外，我們能夠運用非對稱交變磁場脈沖與在基板上的電位，使交流電子和離子電流撞擊基板。3.涂層的組成和結構3.1化學成分在現代設計和硬涂層的應用最重要的元素組合圖2所示，最經常應用的涂料是TiN和CrN，緊接著是Ti（N，C）和（Al，Ti）N，第三經常用的是ZrN,Cr(C,N),(Ti,Zr)N和Me:CH，硬非晶C'H涂層可采用電弧增強輝光放電產生的等離子體，純碳涂層可以通過蒸發(fā)石墨陰極處理[17]。圖2.涂層的應用發(fā)展最重要的元素循環(huán)。線的厚度顯示應用中的重要性，虛線顯示的是研究和開發(fā)活動。3.1結構該涂層有著不同的體系結構，圖3顯示了一個構建原則的模型涂層結構。兩種金屬，被認為是氮和碳。涂層應能創(chuàng)建一個兩相結構。忽略紋理效果和缺陷，可以通過相、涂層的厚度和化學成分描述該涂層，該涂料可根據層的厚度t和晶粒尺寸D的比例對其進行分類。圖3化學組合物模型，相和縱橫比：單層厚度除以晶粒尺寸(1)當T/D>>1。經典的多層膜可以通過化學成分和總厚度比在層的晶粒尺寸大得多的逐步變化進行描述（例如TiN2μm/Ti(N,C)2μm)。(2)當T/D≈1。在一定的層序列的厚度幾乎相等于晶粒尺寸。一個例子是多層HFC/WC（總厚度的20的杜松子酒，序列HFC100nm，WC30nm）[18]。(3)當T/D<1。厚度小于晶粒尺寸。據報道，鈦沉積（N）/TiN涂層約10nm的厚度可以通過反應氣體的壓力改變[19]。、應該說，通過在涂層不同的T/D比值，接口的數量將會改變，因此機械性能也會不同如裂紋傳播和硬度[18]。在解釋硬度為單層涂層的晶粒尺寸的函數（由峰展寬法測量）時，結構效應的重要性很明顯，圖4顯示的晶粒尺寸對硬度的影響（從[5,20-26]和我們自己的實驗值）圖4.TiN，ZrN和CrN涂層的硬度關于晶粒尺寸的函數成分梯度涂層?；瘜W梯度涂層可以通過元素的內容不斷變化的創(chuàng)建：Ti（N，C）隨碳含量的增加而變化，（Ti，Al）N隨著A1的含量增加或減少[27]。多相涂層，許多涂層可沉積具有不同的相位的內容(例如Cr2N+CrN)[28],和(Ti,Cr)N+(Cr,Ti)=N[29]).結構是尺寸幾個到幾十納米的納米晶。3.2紋理和壓力生長織構主要是（111）定位，但在一些情況下也有一個（220）的方向，例如CRN。當有（220）定位，在法維爾磨損試驗，這樣的CrN涂層表現出更好的性能[28]。應當指出的是，內壓涂層的應力可通過改變工藝參數改變，典型值是在范圍1-10GPA。明顯的應力狀態(tài)與晶粒尺寸，增長的紋理和缺陷密度都有關系，Lowerdepositiontemperaturesresultinastronger(111)texture,asmallergrainsizeandhigherstressstate.較低的沉積溫度可以形成一個更強大的（111）的紋理、較小的晶粒尺寸和更高的應力狀態(tài)。3.4對于不同的體系結構的沉積方法有許多方法中，通過涂層參數的選擇可以控制一層序列中的組合物：對陰極材料例如Ti75／125化學成分選擇的（Ti，Al）N涂層或175/25為（A1，Ti）N涂層（在原子百分之值）。兩個或兩個以上的蒸發(fā)器安裝不同材料的操作（如Ti和Cr）；不同氣體（氮氣，氣態(tài)烴，氧，或它們的混合物）在反應蒸發(fā)；采用不同的襯底的控制參數，如襯底偏置電壓，襯底溫度和沉積速率。4.工具和涂層荷載的選擇圖5顯示了載荷作用的三維場，六種不同類型的工具操作期間。值已被選定的1和6之間的負載的重要性的定性估計。很明顯，根據不同的工具的應用，最嚴重的負荷，機械（應力），熱（高溫）和腐蝕（物理攻擊），有很大的不同。所以可以這樣理解，不同的涂層性能要承受磨損，粘著磨損而產生不同的負載，分層和物理化學磨損（氧化，腐蝕，溶性）。涂料選擇總的原則應該是基于在運行溫度的以下屬性：硬度和脆性，氧化率，熱導率，電阻率，溶解度隨涂層刀具的對應的承載能力，復合摩擦引發(fā)的在涂層表面的物理化學反應。因為大多數的上述的性質是未知的，因為大多數的上述性質是未知的，關于涂料的選擇主要依據經驗。在下面，試圖在涂料的選擇提供一些方向。在下面的命令的耐氧化性增加：Ti(N,C)(450°C),TiN(550°C),ZrN(600°C),CrN(650°C),(A1,Ti)N(800°C)[31-33]。顯微硬度（HK1N,5μm對淬硬高速鋼涂層厚度）增加如下：CrN(2300±400),ZrN(2400±400,TiN(2500±400),(A1,Ti)N(2600±400),Ti(N,C)(2700±400).。不同的縮進和彎曲方法呈現以下趨勢：氮化鉻，氮化鋯，錫的脆性，（Al，Ti）N，Ti（N，C）。圖5.為不同類型的工具，顯示不同的要求保護工具對磨損機制的不同負荷啟動負載三維場。5.指導方針和特殊應用5.1.錫，第一通用涂料在前蘇聯，許多不同的硬涂層、二元、三元及四元的組合物，是由陰極真空電弧蒸發(fā)，但在西方主要沉積TiN涂層已使用不同的PVD技術沉積（濺射，陰極真空電弧蒸發(fā)，低電壓的電弧，空心陰極?。Ｒ虼?，毫不奇怪的是，我們可以在所有應用領域找到成功的TiN涂層。然而，對于大多數應用程序，我們也可以選擇另一個涂層的性能比錫類似或更好的（圖6）。有趣的是，報告結果縫紉針工具制造和縫紉針本身在200°C.取代硬鉻涂層與TiN可以顯著增加針的壽命。圖6.涂錫的齒輪滾刀后刀面磨損，Ti（N，C）和（Al，Ti）N，板材1.6511（36CrNiMo4），拉伸強度n.70-1250MPa，切割速度20米min-1，每齒進給銑削寬度0.08毫米，20毫米，切削深度5mm5.2.CrN涂層，第二通用細粒度的涂層結合低的脆性和足夠的硬度和良好的抗氧化性能和耐腐蝕。工業(yè)的經驗表明，CrN涂層可以更好地在金屬成形比TiC/TiN涂層。圖7顯示，CrN涂層可以顯著降低金屬成形[34]的潤滑要求。經過10000沖程潤滑的未涂覆的繪圖工具的失敗。CrN工具使用壽命的增加大于30的一個因素。這是決定用繪畫與乳液復合降低潤滑油的數量。而不是90毫升復合每100份只有16毫升濃縮乳劑用于繪制（乳液85：15）。我們獲得了相同的工具的性能，與一個額外的積極影響減少洗滌之前。最后應該指出的是，工作速度對涂層刀具的增加，從而提高生產力。CrN涂層也顯示了很好的效果，在制造銅材料在成型和切割和渦輪葉片材料時（Inconel）以及在玻璃形成。對于由彈性體零件模具，熱塑性塑料、酚醛塑料已涂多年的成功。同時還發(fā)現，CrN涂層提高模具的壽命拉刀在2-15倍范圍的壓鑄鋁。圖7.在金屬深運用的CrN涂層沖頭潤滑圖形成還原的例子，工件板材零件的幾何形狀，“帽子”（直徑40毫米，高度為30mm）。5.3.Ti（N，C）高耐磨涂料該涂層可沉積具有較高的硬度比TiN和CrN涂層的耐磨性要高，但是，與金屬的附著力比錫低一點。雖然大多數的T