真空太阳集热管磁控溅射镀膜机的自动化实现

山东蓝景膜技术工程有限公司 张卫峰

一 引言

真空镀膜机是太阳能真空管生产的关键设备，随着自动化技术的发展，其工艺要求及自动化程度也越来越高。最初的真空镀膜机控制系统采用继电器控制，由模拟线路板及单片机等电路组成实现控制功能，因线路繁杂以及电子元器件的不稳定造成设备性能的不稳定，并且给维修工作带来很大困难，另外操作界面不直观，误操作现象时有发生。目前，真空镀膜机已广泛采用PLC可编程器设计控制系统，该技术已相当成熟，基本取代了单片机，并采用先进的人机界面——触摸屏进行更加直观的人机对话，可方便地设定参数，由控制系统按工艺流程分步或自动运行，具有各种系统保护以及故障提示、报警信息等功能，并且通过利用PLC通讯功能，与上位机通讯，实现对真空镀膜机工艺流程的全程监控，以便工程师及时发现并处理故障信息以及远程修改工艺参数等，极大地方便了生产过程质量控制和管理。

二 设计方案及实现

1 设备原理

真空太阳集热管铝－氮/铝吸热膜层是在正离子机真空环境下，利用真空稀薄气体辉光放电产生的正离子轰击金属或其合金表面，溅射出金属粒子沉积到工件表面，从而获得的物理膜层。其装置一般由溅射电源、真空机组、工作气体控制器、真空室和真空测量仪表等组成。

真空室内工件装填完毕后，真空机组抽出真空室气体，建立镀膜必须的真空环境。抽真空分为粗抽、精抽以及维持扩散泵真空度的过程，真空度由热偶规管、电离规管及真空测量仪表获得。当真空度达到镀膜要求数值后，关闭光拦阀，真空室内充入稀薄的氩气，打开溅射电源，在金属靶上施加400V左右的直流电压，真空稀薄气体辉光放电产生的正离子轰击金属靶表面，溅射出金属粒子沉积到工件表面，并且按照预先设定的工艺参数分层改变充入氮气流量、电流、电压等，进行磁控反应溅射从而形成集热管的太阳选择性吸收膜层；镀膜过程结束后关闭高阀以隔离真空室与扩散泵室，维持扩散泵真空，真空室此时可充气开门取出工件，重新装填工件后进入下一个操作循环。

2 系统组成

磁控溅射镀膜机核心控制部分采用PLC控制，由于PLC采用现代大规模集成电路技术、严格的生产工艺制造，内部电路采取先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。PLC根据预设程序实现对电磁阀、真空泵、旋转电机等进行逻辑过程控制，通过模拟量输入输出模块对电流、电压、温度、流量等进行模拟量信号采集处理，运行工艺参数。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，并可编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

人机界面采用大屏幕触摸屏，通过程序编写和画面编辑，把整个系统做成逼真的画面显示在屏幕上，辅以动画演示，可形象直观表现出设备运行状态和各种参数。由于界面更形象直观，各种操作触控按钮及数据可显示在模拟画面的相应位置，使操作人员更能理解和掌握设备运行系统原理，从而减少误操作，设备故障时也能更快捷发现和排除故障，并且触摸屏还能生成各种数据的历史记录，方便质量控制和管理。

利用PLC的通讯功能，可将一台或多台镀膜机生产的现场数据传送到上位机，实现现场数据集中监控。上位机组态软件丰富的功能可方便监控工艺过程，分析研究工艺参数，及时调整工艺参数以获得更好的镀膜效果。

3 上位机监控主要实现以下功能

(1)实时数据显示。实时显示磁控靶电源电压、电流、各真空计数值、气体流量等现场参数数值；可根据需要定时记录设备运行情况及重要工艺参数，并形成报表文件和历史曲线。

(2)故障报警记录。在设备出现故障时监控系统自动弹出报警画面和文字提示，同时报警灯闪烁。根据故障的轻重缓急，可对报警信息进行分类并记录所有报警信息，以备检修时查询。

(3)自动诊断保护。当设备出现严重故障时，监控系统可自动启动保护措施减少因故障对设备造成的损害；可自行检测上、下位机通信是否正常。

(4)其他功能。该计算机监控系统还设置了系统时钟、设备输入输出点监控界面、设备操作说明界面等，方便用户查询、使用。

三 自动化实现

依据磁控溅射镀膜生产线的工艺要求，镀膜生产控制可设计成四个分时动作过程。

第一个过程是真空获得，为保证镀膜的质量，系统要求必须具备一定的本底真空；第二个过程是可供选用的离子轰击，为了提高膜层的附着力，采用高能离子轰击清洗工件表面，以去除表面杂物；第三个过程是磁控溅射镀膜，空间、电离与从阴极发出来的电子，在磁场和电场中受到洛仑兹力的作用，沿着磁场的方向作摆线动力前进，大大增加了电子的运动路径，电子轰击氩原子，氩原子电离成氩离子和电子，氩离子在电场作用下轰击阴极(靶材)，而靶材“溢出”金属粒子与二次电子，形成自持的辉光放电，金属粒子沉积到工件表面行成金属薄膜为非反应溅射，再加入氮、氧等活性气体，形成金属与介质的复合薄膜(吸收层)为反应溅射，当活性气体成分多时，形成介质薄膜；第四个过程是系统开关机，这是镀膜前后对整个设备的处理操作。

1 真空获得过程的自动化控制设计

磁控镀膜生产线真空系统采用滑阀真空泵、罗茨真空泵、高真空油扩散泵机组获取低真空和高真空。采用微机型数显真空计检测真空度，该过程的自动化控制包括:机械泵、扩散泵、真空计、水泵的启停控制；各真空计的高、低真空值输出控制；各真空阀门、翻板阀的开闭控制。

整套设备采用循环水处理冷却，所以系统在没有接收到水压指示前不能开启真空机组。翻板阀用来实现大气与低真空室以及低真空室与高真空室之间的隔离；真空阀门用来控制真空抽气通路的通断。系统通过控制气动装置来实现对阀门的打开与关闭。

2 离子轰击过程的自动化控制设计

对于某些机型(如亚克力镀膜生产线)，为了提高薄膜的附着力，本系统采用高能离子轰击作为镀前处理工艺。在轰击清洗过程中，控制指标是氩气质量流量、轰击电压、轰击电流、轰击时间和传动速度等；为了满足镀膜工艺的要求，可选择工件缓慢地通过轰击室，一边行进一边轰击；也可选择工件停留在轰击室，轰击一段时间后再进入缓冲室，这就实现了对工件的高能离子清洗。

3 镀膜过程的自动化控制系统设计

为了满足镀膜工艺的要求，镀膜过程中需要控制氩气质量流量、反应气体质量流量、各靶溅射电压、溅射电流和镀膜传动速度等指标。当工件行进至磁控靶前，靶电流由维持状态自动转至工作状态，对工件进行镀膜，直至工件离开该靶后，回复至维持状态，最大限度地节省靶材。为有效保护磁控靶及靶电源，系统设计了水压、真空度控制和过流、过热故障报警功能，以及靶电源电压、电流的缓升降功能。

4 系统开关机的自动化控制设计

自动开机，是从扩散泵预热开始，真空抽气系统自动工作直至镀膜室真空度达到后，磁控靶自动启动，这一段过程的所有操作均由设备自动完成。

自动关机，是生产线镀膜工作完成后，自动关闭磁控靶，并逐步关闭真空抽气系统，这一段过程的所有操作均由设备自动完成。

四 结语

通过以上自动化功能的实现，可极大地方便太阳能生产企业实时监督和控制生产过程，加强质量管理和控制，使企业更加规范，更能适应现代企业发展的要求。作为一套成功的镀膜生产线计算机监控自动化控制系统，具有极大的推广价值和应用前景，从而促进我国真空镀膜设备计算机监控技术的发展。