大面积真空卷绕镀膜控制系统研制

摘要

真空卷绕镀膜机用于制备具有“反射红外热辐射”、“透明导电”、“降低薄膜表面的可见光反光”等特性的柔性基片薄膜产品。这些产品可在不影响采光的前提下达到隔热、节能以及降低光污染等效果，目前已广泛应用于汽车、建筑等领域。本论文的目的即是设计一个大面积真空卷绕镀膜机的快速、精确的自控系统，该系统在精确地控制薄膜传送的速度与张力的基础上，通过等离子监测磁控装置制备出厚度均匀、光学性能优异的大面积薄膜。具体来讲，本文主要的研究内容包含以下方面：
　　论文首先介绍了本大面积真空卷绕镀膜机的总体方案设计，其包括真空子系统、金属/化合物溅射工艺子系统、卷绕传送子系统以及PLC控制子系统。继而，设计了基于直流驱动装置的卷绕传送及其控制系统，此系统以AVTRON直流驱动器为控制器、直流无刷电机为执行器，采用张力传感器实时反馈薄膜张力变化，进行闭环补偿控制。系统采用卷径计算补偿了由半径变化而带来的张力变化，采用惯量补偿来解决由于放料/收料卷锟质量变化而引起的张力变化，较精确地实现了在保持恒定线速度、恒定张力的情况下传输大面积薄膜基片。
　　随后，设计了基于光电倍增管（Photomultiplier Tube）的等离子体发射监控装置（PEM）。该系统配以高性能质量流量计（Mass Flow Controller）、多段气体分配器来进一步提高溅射性能。与传统反应溅射相比，该系统不仅能够较显著地增加反应溅射的镀膜速率，也可长时间保持稳定工作，对提高化合物镀膜的整体产出率有重要的意义。
　　本系统采用数字、网络化控制设计，解决以往控制系统中模拟信号远距离传输失真、易受到干扰问题。本系统具体使用基于DH+、Ethernet/IP、DeviceNet、ProfibusDP接口的混合型现场总线控制构架（FCS），设计基于Rockwell RSLogix5000PLC编程软件、Rockwell RSView32人机界面软件、RSLinx通讯软件，实现友好的操作及数据保存与管理。论文具体介绍讨论了通过Profibus DP接口与多台溅射电源进行通讯和控制的设计。
　　最后，课题试制出了工业样机，并进行了测试。结果表明系统功能正常，达到了预期目的和指标。本大面积真空溅射镀膜机性能良好，具有广阔的应用价值和扩展空间，对国产类似设备的设计有一定参考价值。

目录

大面积真空卷绕镀膜机控制系统研制

CONTROL SYSTEMDEVELOPMENT OF A LARGE-SCALE VACUUM ROLL COATER

摘 要

Abstract

目 录

绪 论

1.1 本课题研究的目的及意义

1.2 国内外相关技术研究概况

1.2.1 国外真空卷绕镀膜技术发展现状

1.2.2 国内真空卷绕镀膜技术发展现状

1.2.3 大面积真空卷绕镀膜技术发展现状

1.3 大面积真空卷绕镀膜技术总结

1.4 本论文主要目的与研究内容

1.4.1 论文的研究目的

1.4.2 论文的主要研究内容

第2章 真空卷绕镀膜机系统功能与基本设计方案

2.1 引言

2.2 大面积真空卷绕设备的主要结构与工作原理

2.2.1 卷绕薄膜的运动传输

2.2.2 真空系统

2.2.3 镀膜工艺系统

2.2.4 工艺气体流量控制

2.3 真空卷绕镀膜设备控制系统的设计

2.4 现场总线控制网络的设计

2.4.1 控制网络的主要功能

2.4.2 Rockwell的NetLinx网络架构

2.4.3 卷绕镀膜设备控制系统的网络架构

2.5 人机界面系统设计

2.6 控制程序设计

2.7 本章小结

第3章 高精度直流驱动卷绕传动系统设计

3.1 引言

3.2 卷绕镀膜系统的控制要求与设计方案

3.2.1 卷绕设备的控制要求与影响因素分析

3.2.2 张力的控制方法

3.2.3 张力控制元件

3.2.4 锥张力补偿器（Taper）的设计

3.2.5 卷径计算（Diameter Calculator）

3.2.6 薄膜断裂检测（Diameter Calculator）

3.2.7 卷绕驱动方式的比较

3.3 卷绕控制系统硬件设计

3.3.1 张力传感器/放大器

3.3.2 带编码器的直流电机（执行器）

3.3.3 直流驱动器

3.3.4 定速器/速度参考（Pacer）

3.4 驱动器控制程序

3.4.1 驱动参数设置与监控

3.4.2 基于以太网的PLC控制程序

3.4.3 行程计数器

3.4.4 张力控制测试结果

3.5 本章小结

第4章 反应溅射镀膜的等离子体发射控制系统设计

4.1 引言

4.2 基于PEM的反应溅射镀膜系统

4.2.1 反应溅射镀膜过程

4.2.2 PEM原理和结构

4.3 PEM控制系统硬件设计

4.3.1 光电传感设计

4.3.2 质量流量控制器（MFC）设计

4.3.3 PLC控制器

4.4 PEM控制程序设计

4.5 运行结果与影响因素分析

4.5.1 气体分配均匀性的影响与改善

4.5.2 光电传感器安装和改善

4.6 本章小结

第5章 对PROFIBUS接口中频电源的控制

5.1 引言

5.2 系统控制与通讯原理

5.2.1 ProfibusDP控制接口

5.2.2 Profibus数据包的格式

5.3 电路与程序设计

5.3.1 系统配置设计

5.3.2 主处理器(CPU)文件的配置

5.3.3 主处理器与从站之间的数据交换

5.3.4 通讯程序设计

5.3.5 关于通讯程序的补充说明

5.4 通讯的验证与实测

5.5 本章小结

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致 谢

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