基于plc的ito生产线控制系统设计.docx

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基于plc的ito生产线控制系统设计

毕业设计

题目：

基于PLC的ITO生产线控制系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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日期：

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毕业设计说明书（论文）中文摘要

此设计基于显示行业制造面板公司，对ColorFilter工厂ITO生产线的设计进行研究。

本文设计的内容有以下几点：

1、针对ITO生产线自动控制系统进行总体设计研究。

通过分析生产工艺以及生产条件，分析该控制系统的原理，介绍相关硬件的选型。

2、考虑到电机是生产线的一个重要组成，分析与介绍本产线使用的所有电机型号与变频器控制和伺服控制，使用变频控制每个单元之间的平稳传送，伺服控制系统精确控制位置的定位系统

3、ITO薄膜直接影响液晶电视的显示效果，因此本文利用PID控制器结合功率调节器实现对温度的平稳控制

4、利用以太网实现工控机与PLC之间的通讯，实现设备控制、显示、报警等功能于一体的人机交互系统

关键词：

关键词:

PLC，变频器，伺服，控制系统

毕业设计说明书（论文）

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3.1Systemoverview13

3.2基础配置选型16

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1绪论

1.1液晶显示器发展概况

早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。

在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化。

从而影响到它的光学性质，这种现象叫做电光效应。

利用液晶的电光效应，英国科学家在本世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。

今天的液晶显示器中广泛采用的是定线状液晶，如果我们微观去看它，会发现它特像棉花棒。

与传统的CRT相比，LCD不但体积小，厚度薄（目前14.1英寸的整机厚度可做到只有5厘米），重量轻、耗能少（1到10微瓦/平方厘米）、工作电压低（1.5到6V）且无辐射，无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。

由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域。

1.1.1ColorFilter的概况

彩色滤光片（Colorfilter）是一种表现颜色的光学滤光片，它可以精确选择欲通过的小范围波段光波，而反射掉其他不希望通过的波段。

彩色滤光片通常安装在光源的前方，使人眼可以接收到饱和的某个颜色光线。

有红外滤光片，绿色，蓝色等。

与UV滤光片，VD滤光片相比，凡是带色的滤光片之总称。

如反差滤光片、分色用滤光片、LB滤光片等。

彩色滤光片基本结构是由玻璃基板（GlassSubstrate），黑色矩阵（BlackMatrix），彩色层（ColorLayer），保护层（OverCoat），ITO导电膜组成。

1.1.2ITO的发展状况及生产技术概况

氧化铟锡（IndiumTinOxide简称ITO）是重掺杂、高简并n型半导体。

从20世纪80年代ITO薄膜工业化生产以来,以其低地电阻率（可达7×10-5Ω・cm）、可见光透射率（≥90%）、良好的得、红外高反射比、玻璃结合牢固、抗擦伤及半导体特性等优点,被广泛应用于显示器、太阳能电池、气敏元件、抗静电涂层以及/绝缘体半导体/半导体（SIS）异质结、现代战机和巡航导弹的窗口等。

近年来,由于ITO薄膜材料所具有的优异光电特性,其应用得到迅速发展,特别是在薄膜晶

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体管（TFT）制造、平板液晶显示（LCD）、太阳能电池透明电极以及火车飞机用玻璃除霜、红外辐射反射镜涂层、建筑物幕墙玻璃方面,其应用得到迅速推广。

为使铟资源增值,合理利用铟锡资源的重要途径，是开发高质量ITO靶材、ITO薄膜,这样不仅可改变国内靠进口得局面,还可向世界市场提供ITO材料,形成自己地支柱产业。

工业地发展，其生产技术得发展是密不可分的,因此了解ITO薄膜得生产技术概况,发展趋势是非常必要的。

ITO导电薄膜的方法很多,根据生产原理得不同,ITO薄膜地生产技术主要有磁控溅射法、喷雾热分解法、真空蒸发法、以及近年来发展起来的可大面积成膜的溶胶2凝胶（Sol2Gel）技术等5种制膜工艺。

本文对以上5种主要制膜工艺的特点进行了分析,并在此基础上探讨了ITO工业的发展趋势。

溶胶凝胶法

1971年德国人报道了通过金属纯盐水解得到溶胶,经凝胶化后可制备出多组分玻璃后,溶胶凝胶法引起了材料界的极大兴趣和重视。

20世纪80年代是溶胶2凝胶科学技术发展的高峰时期。

大量文献纷纷涌现许多国际会议应运而生我国在1990年召开了第一届全国溶胶凝胶技术讨论会。

我国具有丰富的铟锡资源鉴于溶胶凝胶法具有可广泛成膜的特点,若能适时开展溶胶凝胶法制备ITO薄膜的研究,则很有可能在不久得将来形成ITO薄膜优势产业。

采用溶胶凝胶法制备ITO薄膜的基本原理为:

首先用金属无机盐或有机金属盐化合物溶于溶剂中加入掺杂剂,在低温下液相搅拌形成溶胶,然后将衬底（如玻璃衬底等）浸入溶胶,以一定速度进行提拉或甩胶,使溶胶吸附在衬底上,经胶化过程成为凝胶,再经一定温度热处理后即可得到ITO薄膜,膜的厚度可通过提拉或甩胶得次数来控制。

目前,国内外有关溶胶凝胶法，制备ITO薄膜得文献报道很多,如Yasutaka等研究了退火温度、溶胶浓度、镀膜层数对电阻的影响;采用溶胶-凝胶法制备出了电阻

直流磁控溅射法

直流磁控溅射法，已广泛应用于各种薄膜的制备,也是制备薄膜一种非常成熟得技术。

其原理是在电场和交变磁场作用下,被加速的高能粒子轰击锡合金靶材或氧化铟锡靶材表面,经能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出并转

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到衬底表面成膜。

直流磁控溅射法是目前工业应用最成熟的工艺,与其它工艺相比较,其主要优点为:

1）成膜面积大,沉积速度高,可适用于大规模生产。

2）获得的ITO薄膜密度高,而且薄膜的纯度较高,因为在溅射过程不存在污染问题。

3）由于通过控制靶电流可有效控制溅射速率,所以溅射镀膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚再现性好,能够有效地镀制预定厚度的薄膜;4）薄膜与衬底的附着性好。

5）工艺稳定性好,容易控制薄膜的厚度。

其主要缺点是所需设备非常复杂,需要高压或大功率直流电源,设备投资高其次该法的影响因素非常复杂,尤其是ITO靶材质量的影响,要获得高性能的ITO薄膜,必须首先制备出高质量的ITO靶材。

针对直流磁控溅射法的合成机理、不同基底上的成膜工艺以及工艺参数，对薄膜性能的影响规律等,科学家们进行了广泛研究。

化学沉淀法（CVD）

化学气相沉淀方法指：

利用两相或多相反应气体在加热的基片表面上或接近该表面的位置上发生化学反应,并使化学产物同时沉积，在基片表面上而形成薄膜。

如果CVD法中的铟、锡来源均为有机金属化合物,则称为MOCVD法,该法可使反应温度大幅度降低。

比如以In（C5H7O2）3（乙酰丙酮铟）和（CH3）4Sn（四甲基锡）为原材料,在300℃下通过化学气相沉积热分解和原位氧化制取ITO薄膜,主要原因是它提供了一种在相对较低温度下沉积大量的各种元素及化合物的方法。

而且,用这种方法既能制备玻璃态物质,又能制备高度完整和高纯的晶态物质。

此外,CVD法还有一个超越其它成膜方法的优点,即用该方法较容易地制备范围广泛的可准确控制化学成分及薄膜结构的材料。

由于化学气相沉积法必须先制备高蒸发速率得铟锡前驱体物质,有关采用CVD法制备ITO薄膜得报道较多,比如Byabova和Maruyama等人[20221]分别采用CVD法在玻璃衬底上制备ITO透明导电膜。

Akinwunmi和Eleruja[22]等则采用MOCVD法制备出光透射率为80%,电阻为7.2×10-4的ITO薄膜。

喷雾热分解法

喷雾热解法用于玻璃基板镀功能薄膜得有效方,其过程是将含金属离子得溶液，经雾化喷向热玻璃基板随着溶剂挥发溶质在基板上进行热分解反应形成薄膜。

SP法可以用于氧化物陶瓷粉末合成纤维合成薄膜制备。

用该法制备地薄膜

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地电导率高,对可见光得透过率90%以上,与其它方法相比较,SP法的优点在于:

1）原料的选择范围广,并且成分、组成便于调整。

2）对真空、气氛等实验条件要求不高。

3）设备简单,反应易于控制。

4）所镀膜层与基板结合牢固性能良好;5）适用于大面积镀膜,尤其适合玻璃在线镀膜，其不足之处是制得的ITO薄膜精度不高,性能不稳定这是由于盐类喷雾热分解过程很复杂。

Viguie[23]等根据基体表面的反应类型，将喷雾热分解过程分为四个步骤,分别为溶液配制、雾化、蒸发干燥、热分解;其次是由于喷雾热分解过程得影响参数很多,其中最重要地是基板温度、喷雾气流速度、溶液浓度、液滴尺寸、喷嘴2基体距离[24]。

目前,还没有有关喷雾热分解法制备ITO薄膜实现工业化生产的报道,仍处于实验室研究阶段。

Vasu[25]等用喷雾热分解法制取了ITO薄膜,并研究了ITO薄膜地光电性质与锡掺杂浓度、基体温度、喷嘴2基体距离的关系,以及薄膜形成得反应动力学。

Benamar[26]等采用SP法在350～500℃的玻璃基体上制备出了电阻率为4×10-4Ω・cm,可见光区透射率85%～90%地ITO薄膜。

真空蒸发法

真空蒸发法是指：

在真空室中加热蒸发容器中形成薄膜得原材料,使其原子或分子从表面气化逸出形成蒸汽流入至衬底表面凝结形成固态薄膜方法。

按照蒸发源加热部件不同,蒸发镀膜法可分为电阻蒸发、高频感应蒸发、电子束蒸发、电弧蒸发法,激光蒸发法等。

真空蒸发法具有如下优点:

1）所用设备简单、2）成膜纯度高、;3）可以比较准确得控制膜的厚度;4）膜的生长机制比较单纯,成膜速度较好效率高，但真空蒸发法也有其缺点:

不易获得具有良好结晶结构得薄膜,薄膜与衬底的附着力较小,工艺重复性不够好,且由于铟锡的饱和蒸气压远远大于锡的饱和蒸气压二者的蒸发速率有显著差异,这必然造成在沉淀过程中ITO膜的组分偏离源,从而影响膜的性质，解决此问题的方法是采用多源同步蒸发,有很多文献专门针对这一问题进行了讨论,。

1.2ITO控制系统的发展状况

任何产品地生产设备都将经过人工手动到机械自动化的发展过程，任何工艺都在不断随着产品的更新而改进，ITO产线也经历了几个阶段。

在液晶产品问世初期，产线工艺还处于半自动化阶段，需要人工搬送Glass

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在每个工艺设备之间。

随着产品尺寸与厚度不断变大和减小，要求设备的精度与自动化程度的也不断的提高，目前生产线均采用现场总线控制，生产效率高，其可靠性好，这正实现了自动化，大大降低了生产线的人工需求量。

1.3论文的主要内容

本文在我国ITO生产线得现状基础上对ITO生产线的自动化控制系统进行检讨，其主要内容包括以及几个方面。

1.控制系统总体方案得设计

根据ITO成膜工艺及结合目前生产工艺，对ITO生产线的控制系统进行详细分析，主要包括ITO生产工艺各个关键工艺得相关生产参数，总结以往生产经验得不足，提出改善。

2.控制系统的硬件选择

根据控制系统得组成、对各部分得硬件设备进行选型、同时介绍各部分的功能。

3.电机控制技术得研究

电机控制是ITO生产线控制得重点之一，本文详细介绍变频器、伺服驱动器在本系统中的应用

4．温度控制技术得研究

介绍ITO得温度工艺结合控制理论PID控制方法，通过理论分析结合PID控制在PLC软件上的实现完成ITO生产线得温度控制工艺。

2ITO膜生产工艺及控制方案设计

本章介绍ITO得生产工艺流程分析，该生产工艺过程然后针对工艺流程中的相关特点，对ITO生产线控制系统的设计，进行总体规划。

2.1ITO生产的工艺流程

ITO生产线所有设备示意图如下图（2.1）所示

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图（2.1）ITO生产线设备示意图

生产线设备主要包括以下几个部分：

分别是Feeder收发片机，Inline传送机构，INCL&PDCL清洗机构，Oven烘烤设备，Handling大气搬送机，Sputter为ITO成膜设备。

具体生产工艺为：

Glass从Index传出，经过Inline进入INCL进行镀膜前的清洗Glass上Particle，清洗干净Glass通过Handling进入Sputter设备通过真空磁控模式镀膜，镀膜后通过PDCL对镀膜后的Glass进行清洗表面杂质，清洗干净后进入Oven进行烘烤，退火后进入AOI微观进行品质检查，最终回到Feeder生产完成。

2.2ITO生产线控制系统的要求及主要参数

ITO生产线控制系统包含以下控制器回路：

温度传感器和功率控制器组成的工艺控制回路、编码器、接触器组成距离测量回路。

还有变频器、伺服驱动器控制得速度以及位置控制回路，及人机界面和仪表组成复杂得现场总线控制系统，该控制系统具有以下功能：

系统有计算机控制，要求稳定可靠。

人机操作界面要求简单易懂，便于查看信息与操作。

能实时显示工艺流程中的重要参数，并显示各点击状态和传感器状态。

只有具有修改权限的操作人员才可修改系统运行参数，同时当操作人员发生误操作时，系统会发出警告信息提醒操作人员。

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有可靠保护机构和报警方式。

出现故障时，能够及时的通知在线操作人员并在人机界面显示故障发生的位置，以便第一时间故障得到快速、妥当处理。

报警信息具备Warning与Alarm之分，Warning报警为提示功能不会导致宕机，以提高设备生产效率。

电机具有实时性好，反映准确灵敏，抗干扰能力强。

生产线主要传送速度能够同步。

Glass在各个设备交接传送时，两个设备间的传送速度要能同步以防止速度不同导致的Glass表面受到划伤。

2.3ITOInlineNetwork

（1）TelecommunicationSpecification

ThetelecommunicationmethodbetweenthePLCintheequipmentandthePCisMELSECNET/G.However,theHOSTtelecommunicationwiththeCIMfollowstheHOSTspecification.

ThebasicspecificationoftheMELSECNET/Gtelecommunicationisasfollows:

ModuleType:

QJ71GP21-SX（PLC）,Q80BD-J71GP21-SX（PC）

Speed:

1Gbps

CableType:

Optic（SI,H-PCF,broadbandH-PCF,QSI）

LinkRange:

LB0000~LB7FFF,LW0000~LW1FFFF

FollowingthespecificationoftheMelsec-netforotheritems

Specificinformationon'NetworkNo.','StationNo.'and'Memory',configurationrelatedtotelecommunicationfordevicesintheInline,arerecordedinthe'MemoryMap'.

（2）NetworkChart如图（2.2）

ThislineisforMelsec-Netamongdevicesandconfiguredasbelow.

图（2.2）NetworkChart

2.4ITO成膜设备控制系统的组成

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2.4.1现场总线介绍

现场总线（过程现场总线）是一个开放的现场总线系统,标准化的EN50170,因此独立于制造商。

现场总线使用分散的外围,现场总线与通信节点,然后通过控制信号从现场总线组件。

现场总线是适合:

快速、实时数据传输和广泛,复杂的通信任务。

现场总线应用:

生产自动化、过程自动化和楼宇自动化。

2.4.2现场总线结构

FMS=FIELDBUSMESSAGESPECIFICATION

DP=DEZENTRALIZEDPERIPHERY

PA=PROCESSAUTOMATION

结构如图（2.3）所示

图（2.3）现场总线结

3生产线控制系统的硬件设计

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本章研究了ITO控制系统的硬件构成，前面介绍了ITO生产线的控制系统采用现场控制总线系统，将系统分为输出逻辑处理、输出和反馈监控四个部分。

下面就针对ITO设备所应用的控制系统设计进行研究。

3.1Systemoverview

ITO生产设备真空磁控溅射控制系统图如图（3.1）

图（3.1）真空磁控溅射系统图

图中每个单元功能如下：

VM：

VacuumModuleFVP:

ForeVacuumPumpStation

Cr:

CraneVGT：

Ventinggastank

EC：

ElectricalcabinetTr：

Transformer

3.1.1VacuumModule

超真空是ITO成膜的关键因素之一，如何能够保证Glass从大气进入设备后很短时间内达到成膜压力是本文主要的重点，下面就研究ITO成膜设备的真空腔室，如图（3.2）所示：

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图（3.2）VacuumModule

腔室各功能配置如下：

Sputteringequipment

Heatingelements,radiatingplatesandshieldings

Watercoolingequipment

Highvacuumpumps

Connectionsforthepumpsystem,pressuregaugesandgassupply

Flangeopeningsforelectricalandmechanicalfeedthroughsaswellasviewingwindows

Lockvalvesandadditionalinlinemoduleunitscanbeconnectedontheside.

3.1.2Heaterequipment

电加热器用于保持Glass在生产中保持最佳温度，加热系统的结构如下图（3.3）所示：

Theheatingelementsareresistancewiresmadeofsteel,arrangedmeandering.Theyaremountedonheatreflectingsheets.

Tomeasurethetemperatures,thermocouplesareattachedattheheatingelements.

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图（3.3）加热系统的结构

3.1.3Pumpsystem

ITO成膜设备的真空泵系统如下图（3.4）所示，其中包含的组件如下：

Forevacuumpumpingstationforthelockingmodulesandseparatestationfortheothervacuummodules

Turbomolecularpumpsresp.crypumps（dependingonsystem）forachievinghighvacuumintherespectivemodules

Ventingdevice

Pressuremeasurementsystem

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图（3.4）真空泵系统

3.2逻辑处理部分

SIMATICS7-400PLC适用于中、高档性能范围的可编程序控制器。

SIMATICS7-400PLC的主要特色为：

极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量，由于ITO制作工艺复杂，工作环境复杂，故本产线采用西门子S7-400的PLC。

3.2.1工控机硬件配置

本生产线控制系统选用的是西门子的SIMATICRackPC847B，基本配置如下：

微处理器：

Intel®Core™2DuoT7400（2.16GHz，667MHz前端总线，带扩展内存64（EM64）技术的4-MbyteL2缓存）

基本主内存：

256MbyteDDR2677SDRAM，可扩展至4Gbyte

驱动器：

80-Gbyte串行ATA硬盘（在内部的固定安装驱动框架中）

磁盘驱动器：

1.44Mbyte，3.5“

图形：

板载的在PCI-Express总线上的Intel®GMA950集成芯片组，最高可达2048x1536象素，75Hz，16位色（可于2007年6月获得）

接口：