#BLBMÈǲTLÈ QSÈDF

(1)

,0.1-&5/¶ 3&/07"$& 4:45².6 Ʋ¶;&/¶

."(/&530/07² /"13"À07"Ǝ,:

#BLBMÈǲTLÈ QSÈDF

4UVEJKOÓ QSPHSBN # o &MFLUSPUFDIOJLB B JOGPSNBUJLB

4UVEJKOÓ PCPS 3 o &MFLUSPOJDLÏ JOGPSNBǏOÓ B ǲÓEJDÓ TZTUÏNZ

"VUPS QSÈDF %BWJE #SBEÈǏ 7FEPVDÓ QSÈDF *OH %BWJE 7ÈQFOLB

-JCFSFD

(2)

**$0.1-&5& 3&/07"50/ 0' $0/530- 4:45&. '03 ."(/&530/ 41655&3/(**

**."$)*/&**

#BDIFMPS UIFTJT

4UVEZ QSPHSBNNF # o &MFDUSJDBM &OHJOFFSJOH BOE *OGPSNBUJDT

4UVEZ CSBODI 3 o &MFDUSPOJD *OGPSNBUJPO BOE $POUSPM 4ZTUFNT

"VUIPS %BWJE #SBEÈǏ

4VQFSWJTPS *OH %BWJE 7ÈQFOLB

-JCFSFD

(3)

TECHNICKÁ UNIVERZITA v LIBERCI

Fakulta mechatroniky' informatiky a mezioborových studií Akademický rok: 2oL4/2oI5

,,

,Yr2

ZADANI BAKALARSKE PRACE

(PROJEKTU, UMĚLECKÉHo

lÍlA,

UMĚLECKÉHo

vÝroNu)

Jméno a p

íjmení:

David Bradáč osobní

číslo:

M12000045

Studijní

program:

B26L2 Elektrotechnika a informatika Studijní

obor:

Elektronické informační

a ^ídicí

systémy

Název

tématu: Kompletní

renovace

systéml

Íízení magnetronové naprašovačky

Zadávající katedra: Ústav mechatroniky a technické informatiky

Zásady pro vypracování:

1.

V

návaznosti na ročníkoq projekt prostudujte změny provedené na zaÍízení naprašo- vačky.

2. Navrhněte írpravu ízeni vzhledem k ^1.bodu zadáni. A to včetně

v

běru prvkri ídicího systému a akčních člen ^.

3. Upravte ídicí aplikaci tak, aby reflektovalazmény systému Íízení ^provedenév 2. bodě zadání.

4. Proveďte testování v;fsledné realízace a zhodnoťte její _funkčnosta spolehlivost.

(4)

Rozsah grafick; ch prací:

Rozsah pracovní zprávy:

Forma zptacování bakalá ské práce:

Seznam odborné literatury:

Vedoucí bakalá ské práce:

Konzultant bakalárské ^práce:

Datum zadání bakalá ské práce:

Termín odevzdání bakalárské práce:

dle

pot

_ebydokumentace 30-40 stran

tištěnáf elektronická

Ing. David Vápenka

Ústav mechatroniky a technické

I''g. Jan Václavík

Ústav mechatroniky a technické

10.

íjna 2oI4 15. května 2015

1r1

nouŠEK,

Jaroslav. Vakuová technika [online]. 2005 |cit.2oL4_L0-10].

Dostupné z:

www.umel.feec.vutbr.cz f -bousek/vak/Vakuova-technika-S

J.pdf

[2]

MATTOX,

Donald

M.

Handbook of physical vapor deposition

(pvD)

processing. 2nd ed. Norwich,

N.Y: William

Andrew, 2010.

ISBN

08-155-2038-7.

informatiky informatiky

/&*á;-

doc. I''g. Milan Kolá _{, CSc.}

vedoucí ristavu

prof. Ing. Václav Kopecky' CS

děkan

V

Liberci dne 10. íjna 20T4

(5)

Prohlášení

Byl ^jsemsemiímen s tím, že na mou bakaliířskou práci se plně vztahuje ziíkon č.

12l/2000 Sb', o právu autorském, zejména _$60

-

školní dílo.

Beru na vědomí, Že Techníckávtnverzíta v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autor- ských práv užitím mé bakďrířskó práce pro rmiťní potřebu TUL.

UŽiji-li bakalrířskou práci nebo poskyhru-li licenci k jejímu _využití,jsem _{si vědom}po_

vinnosti infonrrovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu niíkladů, které vynaložIlanavytvoření ďíIa, až do jejich skutečné vý-

še.

Bakďrářskou práci jsem vypracoval samostabrě s pouŽitím uvedené literafury a na zá- kladě konzultací s vedoucím mé bakalrířské práce a konzultantem.

Současně čestrrě prohlašuji, že tištěná veÍze práce se shoduje s elekfronickou verzí, vlo- ženou do IS STAG.

Datum,4T.5

,LA15

Podpis:

Ú."t8

(6)

Poděkování

Na tomto místě bych chtěl poděkovat vedoucímu práce Ing. Davidu Vápenkovi za uži- tečné rady při řešení této bakalářské práce.

(7)

Abstrakt

Předmětem této bakalářské práce je navrhnout a zrealizovat řídicí systém pro magnetronovou naprašovačku UPM 810 od firmy ZIMA. Návrh je tvořen tak, aby výsledný sys- tém byl bezpečný a snadno ovladatelný. Hlavní aplikace, která zajištuje obsluhu průmyslových vstupně výstupních jednotek, je naprogramovaná ve vývojovém softwaru Control Web. V úvodu práce se zabývám popisem zařízení a výběrem komponent. V dalších částech popisuji návrh elektrického zapojení a programování aplikace, dále se také věnuji samotnému testování. Na závěr popisuji návrh elektrického rozvaděče zaří- zení a zhodnocuji výsledky.

Klíčová slova: Magnetronová naprašovačka, Control Web, DataLab, PLC

Abstract

The aim of this work is to design a control system of a magnetron sputtering machine UPM 810 by ZIMA company. This system is designed in a form which make it safe and easy to handle. The main application, whose main task is to control the output-input modules, is programmed in a software called Control Web. At the beginning of the work, I describe the machine and explain what components I have chosen for it. In the following parts, I describe the wiring diagram and programming of the application. Af- ter that I talk about the final testing of my work. Lastly, there is a plan of an electric switchboard and at the very end I evaluate the results.

Key words: Magnetron sputtering machine, Control Web, DataLab, PLC

(8)

7

Obsah

Úvod ... 12

1 Magnetronová naprašovačka ... 13

1.1 Magnetronové naprašování ... 13

1.2 Popis zařízení ... 13

1.3 Komponenty ... 15

1.3.1 TURBOVAC 1100 C ... 15

1.3.2 Rotační vývěva ... 16

1.3.3 Vakuo měrka G1 - Pfeiffer PKR 251 ... 16

1.3.4 Vakuo měrka G2 - Pfeiffer TPR 280 ... 17

1.3.5 Ventily ... 17

1.3.6 Vodohospodářství ... 18

1.3.7 Zdroje magnetronů ... 18

1.3.8 Magnetrony ... 19

2 Řídicí systém ... 20

2.1 PLC Fatek B1-24MR2-D24S ... 20

2.2 DataLab IO4/ETH ... 21

2.2.1 Modul AIO1 – modul analogových vstupů/výstupů ... 21

2.2.2 CNT1 – modul digitálních čítačových vstupů ... 22

2.2.3 DI2H – modul digitálních vstupů se společným pólem ... 22

2.2.4 DO1 – modul reléových výstupů ... 22

3 Návrh schématu zapojení ... 23

3.1 Hlavní přívod ... 25

3.2 Vodohospodářství a rotace přípravku ... 25

3.3 Vývěvy a ventily ... 25

3.4 Výboj ... 25

(9)

8

3.5 Magnetrony ... 25

3.6 Měrky vakua a zavzdušňovací ventil TV ... 25

4 Vývojový software ... 26

4.1 Control Web 6.1 ... 26

4.1.1 Prostředí aplikace CW ... 26

4.1.2 Paleta přístrojů ... 27

4.1.3 Inspektor přístroje ... 27

4.2 WinProLadder ... 29

5 Aplikace pro PLC ... 31

6 Řídící aplikace pro CW ... 32

6.1 Vzhled ovládací masky ... 32

6.2 Vnitřní struktura aplikace ... 33

6.2.1 Vytvoření knihovny ... 33

6.2.2 Program řídící aplikace ... 33

6.3 Naprogramované procedury ... 34

6.3.1 Předčerpání ... 34

6.3.2 Naprašování ... 34

6.3.3 Zavzdušnění ... 35

6.3.4 Odstavení ... 35

7 Testování ... 37

7.1 Testování jednotlivých komponent ... 37

7.2 Programová simulace ... 37

7.3 Test výsledného řídicího systému ... 38

8 Návrh rozvaděče ... 39

Závěr práce ... 41

Použitá literatura ... 42

(10)

9

A Obsah přiloženého CD ... 43

B Seznam výstupů ... 44

C Seznam vstupů ... 45

D Ovládací panel ... 46

E Schémata zapojení ... 47

(11)

10

Seznam obrázků

Obr. 1: Nákres magnetronové naprašovačky ... 14

Obr. 2: Turbo vývěva ... 15

Obr. 3: Rotační vývěva ... 16

Obr. 4: Vnitřní zapojený reléových výstupů PLC ... 20

Obr. 5: Zapojení sériového spínání ... 23

Obr. 6: Překlápění v softwaru CW ... 26

Obr. 7: Hlavní části softwaru CW ... 26

Obr. 8: Paleta přístrojů ... 27

Obr. 9: Inspektor přístroje ... 28

Obr. 10: Nabídka možností programu WinProLadder ... 29

Obr. 11: Typy vstupů a výstupů... 30

Obr. 12: Příklad simulace programu ... 30

Obr. 13: Parametry naprašování ... 35

Obr. 14: Testovací panel ... 37

Obr. 15: Ovládací panel ... 46

Obr. 16: Schéma zapojení přívodu do rozvaděče ... 47

Obr. 17: Schéma zapojení vodohospodářství a rotace ... 48

Obr. 18: Schéma zapojení vývěv a ventilů ... 49

Obr. 19: Schéma zapojení výboje ... 50

Obr. 20: Schéma zapojení magnetronů a jejich zdrojů ... 51

Obr. 21: Schéma zapojení měrek vakua ... 52

Seznam tabulek

Tabulka 1: Označení vstupů a výstupu ve schématu ... 24

Tabulka 2: Jističe ... 40

Tabulka 3: Pojistky ... 40

Tabulka 4: Seznam výstupů ... 44

Tabulka 5: Seznam vstupů ... 45

(12)

11

Seznam zkratek

AC Alternating Current, střídavý proud

AMN Automatic Matching Network, automatické přizpůsobení sítě ASCII American Standard Code for Information Interchange, standardizo-

vaná tabulka znaků

COM Communication Port, komunikační port CW Control Web

ČSN česká technická norma

DC direct current, stejnosměrný proud DL DataLab

ETH ethernet

FET Field-Effect Transistors, unipolární tranzistor IO Input Output, vstupně výstupní

IP Internet Protocol, protokol pracující na síťové vrstvě LD Ladder Diagram, grafický programovací jazyk LED Light Emitting Diode, svítivá dioda

MG magnetron

MNC Matching Network Controller, ovladač přizpůsobovací sítě OCL Object Control Language, jazyk řízení objektů

PLC Programmable Logic Controller, programovatelný logický automat RF Radio Frequency, vysokofrekvenční

RS Recommended Standard, doporučený standard RV rotační vývěva

TCP Transmission Control Protocol, přenosový řídící protokol TTL Transistor Transistor Logic, technologie integrovaných obvodů

TV turbo vývěva

USB Universal Serial Bus, univerzální sériová sběrnice

(13)

12

Úvod

Cílem této bakalářské práce je navázat na ročníkový projekt a vytvořit řídicí systém pro magnetronovou naprašovačku. V ročníkovém projektu jsem se zabýval ovládáním pů- vodní reléové logiky, které se nakonec prokázalo jako nevyhovující z důvodů špatné rozšiřitelnosti systému o nové komponenty. Oproti původnímu stavu zařízení došlo ke konstrukčním změnám tudíž i k změnám požadavkům na řídící systém. Byly nakoupeny nové komponenty, které bylo potřeba prostudovat a instalovat.

Důvodem přestavby byla neucelená koncepce zařízení, kde původní interface pro obsluhu byl tvořen panelem s tlačítky, indikačními světly a měřicími přístroji (tlak, teplo- ta, proud magnetronem atd.). Většina těchto přístrojů jako je vakuometr, zdroj pro magnetrony, vodohospodářství nebyla do řídicího systému plně integrována. Obsluha musela každý měřený údaj hledat jinde (myšleno na displeji daného přístroje) a také obsluhovat každý přístroj zvlášť. Chyběl zde prvek vizualizace a možnost vytváření procesních rutin.

Výsledný řídicí systém bude obsahovat naprogramované často používané rutiny, napří- klad čerpání komory a zavzdušnění. Dále přehlednou vizualizaci technologie s vyobrazením hodnot měřených veličin. Měl by být také rozšiřitelný a programovatelný.

Magnetronová naprašovačka se nachází v centru TOPTEC, které je regionálním centrem speciální optiky a optoelektronických systémů, spadající pod Ústav fyziky plazmatu AV ČR.

(14)

13

1 Magnetronová naprašovačka

Magnetronová naprašovačka [1] je zařízení určené k nanášení tenkých vrstev o tloušťce několik nanometrů až stovek mikrometrů. Využívá principu magnetronového naprašo- vání. Vrstvy mohu být z různých materiálů (vodivých i nevodivých).

1.1 Magnetronové naprašování

Pracuje na principu rozprašování z pevného terče. Při tomto procesu se rozprášené ato- my usazují na povrchu substrátu (tj. předmět určeny k nanesení povlaku). Magnetrony vytváří magnetické pole, tím se zvětší hustota ionizovaného plynu (plasma) okolo cílo- vé plochy, a proto je možné nanášet vrstvy již při nižším tlaku (větší čistota nanesené vrstvy). Naprašování čistých kovů (Cu, Al, Ag, atd.) se provádí nejčastěji v atmosféře z čistého argonu (Ar). Metodou reaktivního naprašování, kdy se spolu s pracovním ply- nem připouští reaktivní plyn (O2, N₂,atd.), lze vytvářet složené vrstvy. Povlak může být nanášen na substráty z kovů, skla, plastů, keramiky, papíru i látky. Pro rozprašování vodivých materiálů se používá jako buzení magnetronů stejnosměrný zdroj. Pokud je požadováno rozprašování dielektrických materiálů (např. keramiky), musí být zdrojem buzení vysokofrekvenční zdroj.

Tenké vrstvy mají širokou oblast použití. Používají se v mikroelektronice, optice, u tvr- dých povrchů namáhaných částí strojů, pro odolné povlaky hrotů různých nástrojů, vý- robu funkčních vrstev skel, ve šperkařství apod.

1.2 Popis zařízení

Na obr. 1 je zobrazen blokový nákres magnetronové naprašovačky. Zde popíši jen obecné části a konkrétním komponentům se budu věnovat v kapitole 1.3.

Mezi hlavní části zařízení patří recipient a čerpací aparatura. Recipient je vyrobený z nerezové oceli. Obsahuje přípojky pro zavzdušňovací ventil a hrdlo pro připojení na- pouštěcího ventilu. Pro sledování procesu je v přední časti umístěn průzor o průměru 90 mm. Na horní straně jsou umístěny magnetrony, příruba pro připojení měrek vakua a vysokonapěťové průchody. Spodní část má dvojitou stěnu pro případné chlazení vodou, nacházejí se zde příruby pro rotační přípravek a příruba pro uchycení čerpací jednotky.

Recipient je zvedán hydraulickým zařízením tvořeným olejovým čerpadlem (zubové

(15)

14

čerpadlo poháněné elektromotorem). Zvedání se provede stisknutím tlačítka a opětovné spuštění pomocí šoupátka.

Obr. 1: Nákres magnetronové naprašovačky

Čerpací aparatura je složena z rotační vývěvy (slouží jako předvývěva) a turbo vývěvy potřebné pro dosažení vysokého vakua.

Chlazení je rozděleno do tří okruhů, chladicí kapalinou je voda. Prvním okruhem jsou magnetrony, druhým je chlazení impedančního přizpůsobení (AMN) a posledním okruhem je chlazení turbo vývěvy.

(16)

15

1.3 Komponenty

Zde popisuji všechna potřebná zařízení potřebná pro realizaci přestavby magnetronové naprašovačky.

1.3.1 TURBOVAC 1100 C

TURBOVAC 1100 C (obr. 2) je turbomolekulární pumpa (neboli turbo vývěva), která slouží k zajištění vysokého vakua. Pracuje na principu srážení molekul plynu ve směru čerpání a je tvořena rotorem s lopatkovými disky v sérii, které mají sklony lopatek oto- čeny protichůdně. Tato pumpa nesmí být použita samostatně, je tedy zapotřebí, aby před ní byla umístěna předřadná vývěva, která bude stále odčerpávat plyn a také připraví komoru na nízké vakuum. O ovládání se stará řídicí jednotka TURBOTRONIK NT 20, která umožňuje připojení vzdáleného řízení pomocí pinů nebo pomocí sériové linky.

Tuto vývěvu spolu s řídící jednotkou vyrábí firma Oerlikon Leybold Vacuum s.r.o. Tato vývěva byla vybrána, aby nahradila původní difuzní vývěvu. Oproti ní zaručuje nezne- čišťování vakua, rychlejší dobu náběhu (difuzní vývěva se rozehřívala až 30 minut) a lepší možnosti řízení. Ostatní specifikace jsou v katalogu zařízení [6].

Specifikace:

- Maximální dosažitelné vakuum: <3·10^-8 Pa - Potřebný tlak dosažený předvývěvou: 10 Pa - Nominální otáčky: 30 000 ot/min

- Doba náběhu: cca 9 min

Obr. 2: Turbo vývěva

(17)

16 1.3.2 Rotační vývěva

Rotační vývěva (obr. 3) je zařízení sloužící k vytváření nízkého vakua. Používá se k přečerpání komory pro vývěvy tvořící vyšší vakuum a také jako odvaděč plynů od těchto vývěv. Je složena ze statoru a excentricky umístěného rotoru, který má na sobě pohyblivé lopatky. Tím je zaručen dotyk o stěny rotoru. Celý stator je umístěn v oleji, čímž je zajištěno těsnění i mazání lopatek. Zde byla konkrétně použita rotační olejová vývěva ALCATEL 2033 s čerpací rychlostí 30 m³ za hodinu a maximálním dosažitel- ným tlakem až 0,01 Pa. Tato vývěva byla převzata z původního zařízení a pro svoji čin- nost je stále dostatečná.

Obr. 3: Rotační vývěva

1.3.3 Vakuo měrka G1 - Pfeiffer PKR 251

Tato měrka byla zvolena, protože využívá dvou samostatných měřicích metod, čímž zajišťuje velký měřicí rozsah. Jedna z metod je měření pomocí Piraniho termočlánku, druhou metodou je ionizační vakuometr se studenou katodou. Ačkoli to jsou odlišné metody, jsou uspořádány tak, že pracují jako jeden měřicí systém. Oba signály jsou vy- vedeny na jeden analogový výstup. Piraniho měřicí obvod je aktivní vždy a při dosáh- nutí tlaku menšího než 1 Pa se aktivuje i druhá měřicí metoda. Možný měřený rozsah je 5·10^-7 Pa až 1·10⁵ Pa. Výstupem je analogový signál v rozsahu 0 V až 10,5 V. Podle manuálu má napětí na tlaku logaritmickou závislost. Změna napětí o 0,6 V znamená změnu tlaku o jednu dekádu. Měrka je doplněna o indikaci poruchových stavů. Pokud bude hodnota výstupního napětí menší, než 0,5 V, značí to nepřipojené napájení. Když změříme napětí na výstupu větší než 9,5 V, měrka je poškozena.

(18)

17

Měřené napětí se vypočítá z rovnice (1) uvedené v katalogu přístroje [7]. Kde p je mě- řený tlak, U výstupní napětí a d je konstanta určující jednotky měřeného tlaku.

𝑝 = 10(1,667·(𝑈−𝑑)) (1)

1.3.4 Vakuo měrka G2 - Pfeiffer TPR 280

Měrka pracující na Piraniho principu. Rozsah, který je schopna změřit je 5·10^-2 Pa až 100 kPa. Výstupem je stejnosměrné napětí v rozsahu 0 V až 9 V logaritmicky závislé na tlaku, takže výstupní napětí o 1 V je změna tlaku o jednu dekádu. Pokud bude napětí menší než 0,5 V, znamená to poruchu zařízení (přepálený měřicí drát). Podle katalogu lze měřený tlak vypočítat podle stejné rovnice (1) jako u měrky Pfeiffer PKR 251. Ač- koli tato měrka vakua slouží k měření tlaku před rotační vývěvou, není potřeba, aby měla tak široký měřicí rozsah. Podrobnější informace jsou k nalezení v katalogu přístro- je [8].

1.3.5 Ventily

V zařízení je použito několik druhů ventilů. Většina elektromagnetických ventilů byla převzata z původního zařízení, pneumatické byly dokoupeny z důvodu nižší ceny, a také proto, že se v místnosti s naprašovačkou nachází připojení k pneumatickému po- trubí.

Ventil zavzdušňovací elektromagnetický ZVE 4-1x (V2, V3, V5)

Spínací napětí je střídavých 230 V. Připojení je provedeno vakuovým rychlospojem KF 16. Používá se pro vyrovnání tlaků při zavzdušňování zařízení. Výrobcem udávaná těsnost je 5·10^-6 Pa·l·s^-1. Vyrábí se v otevřeném i zavřeném stavu.

Solenoidový ventil (V4)

Propojovací ventil mezi rotační vývěvou a turbo vývěvou. Je připojen pomocí rychlo- spoje KF40. Spínání probíhá střídavým napětím 230 V.

Pneumatický ventil SMC XLAV-40G (V6)

Tento pneumatický ventil od firmy SMC, je schopen obsluhovat tlak 10⁵–10·10^-6 Pa.

Pro ovládání je potřeba tlak od 0,4 Pa do 0,7 Pa.

Pneumatický ventil (V7, V8)

Řízení je řešeno pomocí ventilového bloku. Připojení pomocí přípojky KF16.

(19)

18

Blok pro ovládání pneumatických ventilů SMC VQC2100N-5

Solenoidový pěti-cestný ventil. Ovládání probíhá pod stejnosměrným napětím 24 V.

Minimální spínaný tlak je 0,1 MPa, maximální 0,7 MPa. Jednotlivé ventily jsou umístě- ny v kompaktním modulu.

1.3.6 Vodohospodářství Průtokoměr vody YF-S201

Jedná se o turbinkový průtokoměr s Hallovým sensorem. Je schopen rozlišit průtok 1 až 30 litrů za minutu. Výstupem jsou pulzy, jejichž počet odpovídá velikosti průtoku. Na- pájecí napětí je stejnosměrné: 5 V až 24 V.

Solenoidový ventil pro vodohospodářství

Tento ventil od firmy Bonatech je v normálním stavu zavřen a je možné jej použit pro vodu, či vzduch. Otevření nastane po přivedení stejnosměrného napětí o velikosti 12 V.

Podle výrobce by měl vydržet tlak až 0,8 MPa a teplotu 95 °C.

1.3.7 Zdroje magnetronů Dora

Je střídavý zdroj s výkonem 5 kW, který je usměrňován na stejnosměrný signál a použit jako zdroj magnetronů. Napájen je trojfázovou soustavou. Řízení je možné pomocí předního panelu, případně po přepnutí do vzdáleného řízení lze řídit výkon analogově:

přivedením napětí v rozmezí 0 V až 10 V na patřičný vstup. Zdroj má také blokovací kontakty, které při rozpojení odpojují jeho výstup.

RF zdroj Seren R601

Vysokofrekvenční zdroj [9] s výkonem 600 W a frekvencí 13,56 MHz napáje- ný 230 VAC. Využívá FET tranzistorů jako výkonových zesilovačů. Zesilovač pracuje v třídě AB, a tak lze dosáhnout velkého zesílení při velké přesnosti po celé šířce rozsahu. Konstrukce je tvořena ze vzduchem chlazené jednotky s předním ovládacím panelem a informačním displejem. Ovládání lze realizovat třemi způsoby: přes sériovou linku (25 pin D-sub konektor), analogovým vstupem nebo pomocí ovládacího panelu.

Na výběr jsou čtyři pracovní režimy: DC Voltage, RF Voltage, Forward Power, Leve- ling, a Load Power Leveling.

(20)

19

Seren AT-6 AMN (Automatic Matching Network)

Je jednotka automatického impedančního přizpůsobení mezi RF zdrojem R601 a magnetrony. Umožňuje přesné nastavení impedance pomocí dvou proměnných kondenzáto- rů a jedné pevné cívky. Ladění provádějí servomotory, které lze řídit manuálně, nebo je jednotka řídí sama podle vybraného modu. Zařízení je chlazeno vodou. K řízení je zapo- třebí jednotka MC2.

Seren MC2 MNC (Matching Network Controller)

Ovládací jednotka pro AT-6. Poskytuje řízení přizpůsobení, vizualizaci stavu sítě a při- pojení k nadřazenému systému. Ovládací panel disponuje tlačítky a displejem.

1.3.8 Magnetrony

Magnetron je zařízení vytvářející vysokofrekvenční signál a silné kruhové magnetické pole.

(21)

20

2 Řídicí systém

Bylo potřeba navrhnout řízení, které bude ovládat zařízení a jeho procesy a zároveň bude kontrolovat stav zařízení, aby nedošlo k jeho poškození. Proto byl řídicí systém navržen jako dva okruhy. Jeden okruh tvoří PLC Fatek, který hlídá kritické stavy, druhý okruh má na starosti jednotky DataLab, přes které je ovládán celý systém magnetronové naprašovačky.

2.1 PLC Fatek B1-24MR2-D24S

Toto PLC od firmy Fatek disponuje deseti reléovými výstupy umožňujícími spínání napětí až 250 VAC při proudu 2 A. Dalším prvkem je 14 digitálních vstupů s maximálním vstupním napětím 24 VDC. Osm z těchto vstupů je schopných snímat signál až do 50 kHz, zbylých šest vstupů snímá do frekvence 5kHz. Jednotka je napáje- na stejnosměrným napětím 24 V. Pro komunikaci a programování má jednotka port sériové linky RS232.

Pro program je určena paměť o velikosti 15 872 B a paměť pro komentáře je 8 kB.

K využití jsou čítače, časovače, datové registry i ovládání přerušení. Programování se provádí v softwaru Winproladder, který pro tuto potřebu vyvíjí stejná firma Fatek. Toto PLC bylo vybráno, protože splňuje požadavky na počet vstupů a také pro jeho příznivou cenu. Na následujícím obr. 4 je zakresleno vnitřní zapojení reléových výstupů; tento obrázek jsem přejal z katalogu zařízení [2], kde jsou k nalezení ostatní zde nezmíněné informace.

Obr. 4: Vnitřní zapojený reléových výstupů PLC

(22)

21

2.2 DataLab IO4/ETH

Jsou modulární průmyslové vstupně/výstupní jednotky vyráběné firmou Moravské pří- stroje a.s. Slouží ke komunikaci s nadřazeným počítačem, kterému mohou poskytovat jak vstupní (naměřená) data, tak výstupní veličiny pro ovládání dalších prvků. Jednotky se vyrábějí ve velikostech pro jeden, dva i čtyři moduly, které si může zákazník libo- volně navolit z nabídky výrobce a umístit na libovolný slot. Zákazník si také může vybrat způsob komunikace jednotek s počítačem. Výrobce prodává jednotky komunikující přes USB, rozhraní Ethernet a sériové rozhraní RS-485 označené jako COM. Úplné specifikace jsou umístěny v dokumentaci [3]. Výběr těchto jednotek byl určený tím, že firma TOPTEC již vlastnila licenci pro vývojový software ControlWeb.

Jednotka s označením IO4/ETH má 4 sloty pro moduly a komunikuje přes rozhraní Ethernet prostřednictvím protokolu TCP/IP, díky čemuž je možná přenosová rychlost 10/100 Mb/s. Napájení jednotky je třeba zajistit externím stejnosměrným zdrojem napě- tí v rozmezí 10 VDC až 30 VDC.

2.2.1 Modul AIO1 – modul analogových vstupů/výstupů

Tento modul poskytuje 4 galvanicky oddělené analogové vstupy a 4 galvanicky odděle- né analogové výstupy.

Vstupním obvodem je 16bitový delta-sigma převodník. Každý vstup je možné nakonfi- gurovat jako proudový nebo napěťový, nastavit jeho rozsahy a také lze každý vstup za- pínat a vypínat. Napěťové rozsahy jsou nastavitelné od ±0,1 V až do ±10 V, proudové rozsahy jsou od ±1 mA do ± 20 mA. Vzorkovací frekvence závisí na počtu aktivova- ných vstupů, přičemž frekvence při jednom aktivním vstupu je 50 Hz a při všech čty- řech vstupech je frekvence čtení kanálů 12,5 Hz.

Výstup je zhotoven 12 bitovým D/A převodníkem, lze jej opět nastavit jako napěťový, nebo proudový. Výstupní rozsah je tedy 0 až +10 VDC, či 0 až +20 mADC. Rychlost nastavování výstupní hodnoty závisí na rychlosti komunikace a také na rychlosti ob- služného programu.

(23)

22

2.2.2 CNT1 – modul digitálních čítačových vstupů

Obsahuje 4 digitální galvanicky oddělené čítače s rozsahem 24 bitů. Výrobcem udávaný maximální kmitočet čteného signálu, při kterém je čítání bezchybné, je 25 Hz při stří- dě 1:1. Vlastnosti čítačů se nastavují programově. První dva z nich umožňují nastavit více parametrů (alarmový výstup, vnější spouštění čítání) oproti zbylým dvou, kde lze nastavit jen čítání a nulování. Pro vstupní signály jsou připravené 2 vstupní svorky podle úrovní signálu. Buď vstup kompatibilní s TTL, nebo vstup pro signály s hodnotou do 24 V.

2.2.3 DI2H – modul digitálních vstupů se společným pólem

Tento modul obsahuje 8 galvanicky oddělených digitálních vstupů. Mohou být deteko- vány jak stejnosměrné, tak i střídavé signály o velikosti až 35 V. Vstupní odpor je 4700 Ω. Modul má výstup 24 VDC pro připojení pasivních čidel i svorky představující zem pro připojení aktivních čidel. Logická nula má rozmezí detekce 0 až 3 V a logická jedna má rozmezí 8 až 35 V. Indikace pomocí LED diod.

2.2.4 DO1 – modul reléových výstupů

Obsahuje 8 vzájemně galvanicky oddělených reléových spínacích kontaktů. Maximální frekvence spínání je dána konstrukcí relé a může být až 50 Hz. Maximální zatížitelnost je 3 A při 60 VAC a 3 A při 30 VDC. Při jmenovitém napětí je maximální doba přítahu 10 ms a maximální doba odpadu 5 ms. Sepnutý kontakt je indikován LED diodou na příslušném výstupu.

(24)

23

3 Návrh schématu zapojení

Nejdříve bylo zapotřebí vytvořit elektrické schéma zapojení řídících jednotek spolu se všemi zařízeními, akčními členy a senzory. K ovládání jsou tři napěťové úrovně:

12 VDC, 24 VDC, 230 VAC a také pneumatické členy. Před samotným navrhováním bylo třeba zjistit všechny vstupy a výstupy z DataLabů, které bude třeba řídit a obsluhovat. Jejich seznam je v příloze B a příloze C.

Důležitou částí bylo připojení chránicího PLC Fatek tak, aby docházelo k blokaci či k odpojení zařízení před jejich poškozením. U vybraných prvků jsem zvolil připojení výstupu z jednotek DataLab do série s výstupy PLC Fatek (viz obr. 5). Tím jsem záro- veň docílil ochrany před špatným řízením DataLabu. Reléový výstup jednotky DataLab umožnuje spínat libovolné dva vodiče připojené na daný výstup, ale PLC díky své kon- strukci spíná svými reléovými výstupy pouze výstupní vodič se společnou svorkou. Já jsem na tuto svorku zvolil připojení středního vodiče (L1.N).

Obr. 5: Zapojení sériového spínání

Dalším úskalím bylo, že reléové moduly zvládají zatížení pouze 3 A při 60 VAC, což při potřebě spínat 230 VAC nestačí. Proto je každé zařízení ještě připojeno přes pomoc- né relé či stykač. To napomohlo k oddělení výkonové elektrické části od řídící.

V další řadě bylo třeba myslet jak na bezpečnost provozu zařízení, tak i na bezpečnost obsluhy před úrazem elektrickým proudem. V elektrickém zapojení byla navrhnuta ochranná opatření, která blokují výkonové prvky při zásahu obsluhy do zařízení a také opatření která brání poškození zařízení. Jako tyto prvky jsou myšleny i jističe a pojistky.

(25)

24

Ve schématech jsou také zakresleny vstupy a výstupy řídicího systému. Ty jsou repre- zentovány pomocí odlišných značek (viz tabulka 1). Schémata jsou umístěna v příloze E a popsána v následujících podkapitolách.

Tabulka 1: Označení vstupů a výstupu ve schématu

Typ přístupu DataLab PLC Fatek

Reléový výstup

Digitální vstup (výstup)

Pro tvorbu schémat jsem použil volně dostupný program ProfiCAD, kde jsem si vytvo- řil vlastní knihovnu symbolů.

(26)

25

3.1 Hlavní přívod

Na obr. 16 je schéma hlavního trojfázového přívodu ze sítě do zařízení. Pro připojení zařízení je potřeba zapnout hlavní spínač. Pak následuje hlavní jistič zařízení, na jehož vyhazovací kontakty je připojeno tlačítko TOTAL STOP. Následuje připojení stejno- směrných zdrojů a také oddělovacího transformátoru pro ovládací signál 230 VAC. Vý- stupy jsou připojeny ke svorkovnicím.

3.2 Vodohospodářství a rotace přípravku

V tomto schématu je zobrazeno připojení regulátoru rotace přípravku, vodních ventilů a průtokoměrů, spolu se vstupy či výstupy DataLabů. Zapojení je na obr. 17.

3.3 Vývěvy a ventily

Ve schématu je zapojení rotační vývěvy (RV), propojovacího ventilu, zavzdušňovacího ventilu rotační vývěvy, turbo vývěvy, zavzdušňovacího ventilu komory a hydrauliky pro zvedání recipientu. Zde bych zdůraznil ochranu před poškozením zařízení, kdy nel- ze spustit hydrauliku a zvednout recipient, když komora nebude zavzdušněna. Schéma zapojení je na obr. 18.

3.4 Výboj

Zapojení výboje je na obr. 19. Zde je ochrana proti zranění obsluhy, pří zvednutém recipientu je odpojen stykač výboje. Také je zde dotykový spínač, při jehož sepnutí dojde ke zkratování transformátoru výboje.

3.5 Magnetrony

Na obr. 20 je zapojení magnetronů ke zdrojům buzení a zapojení zdrojů samotných, včetně přepínání mezi magnetrony.

3.6 Měrky vakua a zavzdušňovací ventil TV

V tomto schématu, které je zobrazeno na obr. 21, je zakresleno zapojení měrek vakua k napájecímu napětí 24 V a připojení zavzdušňovacího ventilu turbo vývěvy k řídicímu napětí.

(27)

26

4 Vývojový software

4.1 Control Web 6.1

Control Web [4] je programové prostředí pro rychlý vývoj a provozování aplikací v průmyslové automatizaci, zpracování obrazu, strojového vidění, databází a komunikaci. Program je dostupný ve dvou verzích. Vývojová verze, sloužící k tvorbě a testování aplikací, a Runtime verze pouze pro běh již hotových aplikací, neumožnuje editaci programu. Já jsem pro tvorbu používal vývojovou verzi. Ačkoliv je program Control Web (dále jen CW) velice víceúčelový a jeho dokumentace je značně obsáhlá, vyberu zde pouze části programu, které bylo třeba znát pro zhotovení zadané aplikace.

Každý program v CW je složen z dvou částí: grafický režim a textový režim.

V grafickém režimu se tvoří ovládací maska, vkládají integrované přístroje a iniciali- zační prvky. Programování aplikace probíhá v takzvaném dvoucestném režimu, takže každá změna v grafickém režimu je překlopena do textového režimu a naopak (obr. 6).

Obr. 6: Překlápění v softwaru CW

Control Web využívá jazyk řízení objektů (OCL – Object Control Language), kdy jsou naprogramované procedury vždy spojeny s nějakým přístrojem a za běhu aplikace je lze volat i z jiného přístroje.

4.1.1 Prostředí aplikace CW

Nejprve bych chtěl popsat prostředí aplikace, které se skládá ze tří částí (záložek viz obr. 7).

Obr. 7: Hlavní části softwaru CW

V záložce Textový editor je celá aplikace napsána v kódu. Další záložka zvaná Datové inspektory obsahuje nastavení vytvořené aplikace, konfigurace ovladačů, moduly a datové elementy (proměnné, kanály, atd.). Poslední záložkou je grafický editor, kde se, jak již bylo zmíněno, přidávají přístroje a tvoří vzhled aplikace. V bočním panelu

(28)

27

jsou zobrazeny všechny použité přístroje, jejich vlastníci a také všechny přístroje, které jsou časované.

4.1.2 Paleta přístrojů

V grafickém režimu je možné vkládat viditelné i neviditelné přístroje. Na výběr je do- statečné množství přístrojů seřazených podle účelu (viz obr. 8). Jsou zde přístroje pro zobrazování a ovládání různých datových typů, tabulky, databáze, časovače, blok programu apod. Zvolený přístroj se na pracovní plochu přidá jednoduše přetažením.

Obr. 8: Paleta přístrojů

4.1.3 Inspektor přístroje

U každého přístroje lze otevřít takzvaný inspektor přístroje (viz obr. 9). Jeho základní prvky jsou: parametry, lokální data, procedury, barvy a zdrojový text.

(29)

28

Obr. 9: Inspektor přístroje

V parametrech se nastavují vlastnosti přístroje, které se odvíjejí od typu přístroje, a také vlastnosti, jako je aktivita přístroje, vzhled okna přístroje, atd.

Lokální data jsou viditelná jen v daném přístroji a obsahují proměnné, statické proměn- né a konstanty.

Pokud to daný přístroj umožnuje, tak v záložce barvy lze nastavit barevné provedení přístroje.

Obsah záložky procedury jsou událostní procedury a uživatelské procedury (procedu- ry OCL). Událostní procedury se liší od druhu přístroje. Například zde lze naprogramo- vat nějakou činnost aktivací přístroje, kliknutím na něj, stisknutím určitého tlačítka atp.

Uživatelské procedury lze volat z aktivačních procedur a je jen na uživateli, jakou čin- nost a návratovou hodnotu jim přiřadí. Je nutno připomenout, že existuje ještě jeden typ procedur, což jsou nativní procedury, které je možné volat z jakéhokoli přístroje. Jsou to například procedury Show() a Hide() umožňující měnit viditelnost přístroje.

(30)

29

Záložka zdrojový text zobrazuje kód vybraného přístroje a promítají se do něj všechny předešlé záložky.

4.2 WinProLadder

Vývojové prostředí dodávané k PLC FATEK. Jako programovací jazyk se používá lad- der diagram (dále jen LD). Jedná se vlastně o liniové schéma znázorňující vykonávanou logiku. Po spuštění programu WinProLadder uživatel vybere typ PLC, pro který má být program určen. Poté se zobrazí plocha sítě pro vytváření LD. Vlevo aplikace je panel s nabídkou různých voleb (viz obr. 10). Je zde možné nastavit speciální parametry vstu- pů a výstupů (např. filtrace apod.), změnit alokaci paměti, vytvářet tabulky (jako je tabulka propojení, ASCII tabulka, tabulka propojeni serva, tabulka registrů atd.).

Obr. 10: Nabídka možností programu WinProLadder

Samotné tvoření schémat není nikterak složité, z lišty nástrojů si uživatel vybere poža- dovaný prvek (různé typy vstupů a výstupů – viz obr. 11 čítač, časovač, propojení, atd.) nebo některou z velkého množství funkcí (rotace, logické operace, atd.). Dále umístí prvek do pracovní sítě, přiřadí adresu, popřípadě parametry bloku a poté pouze propojí požadované prvky.

(31)

30

Obr. 11: Typy vstupů a výstupů

WinProLadder neslouží pouze k tvorbě programů ale také k simulaci a nahrávání programu do PLC. Simulace lze provádět bez připojeného PLC i po jeho připojení a nahrá- ní programu. Jednotlivé prvky lze povolovat či zakazovat a přiřazovat hodnotu ON a OFF (viz obr. 12).

Obr. 12: Příklad simulace programu

Propojení s PLC probíhá pomocí sériové linky RS-232. Při připojování přes USB je proto nutné mít nainstalovaný virtuální COM port. Po připojení PLC k napájení i k po- čítači se vybere příslušný COM port a program je možné nahrát do PLC. Jakmile je program nahrán, spustí se vždy automaticky spuštění PLC.

(32)

31

5 Aplikace pro PLC

Jak již bylo zmíněno, PLC je zde jako samostatný okruh pro ochranu zařízení před po- škozením. Jeho ovládané prvky jsou zmíněny v tabulkách vstupů (příloha C) a výstupů (příloha B), tak jsou zakresleny ve schématech. Jsou naprogramované následující blokace.

 Blokace připojení k magnetronům obou zdrojů zároveň.

 Zdroj Dora je odblokován pouze při jeho připojení k magnetronu

 Jen pokud je v chodu rotační vývěva a je otevřen ventil spojující ji spolu s turbo vývěvou, lze turbo vývěvu spustit.

 Pokud běží TV nezavírat spojující ventil s RV.

 Komora smí být zavzdušněna až po vypnutí TV a RV.

 Zavzdušnění RV je možné až po jejím vypnutí.

 Zavzdušnit TV lze až po jejím vypnutí.

 Při neproudění kapaliny dochází k odpojení příslušného prvku (TV, magnetrony, impedanční přizpůsobení)

Proudění kapaliny je vypočítané podle počtu pulzů udávaných průtokoměrem. Z důvodu kolísání průtoku je třeba počítat s průměrem toku a odpojovat zařízení až po určitém časovém intervalu (např. 1 minuta). To je řešeno pomocí softwarových čítačů a časovačů, kterými PLC disponuje. Dále PLC informuje o svém stavu jednotku Data- Lab.

(33)

32

6 Řídící aplikace pro CW

Hlavní aplikaci pro ovládání zařízení jsem navrhl podle požadavku zadání tak, aby byla přehledná, jednoduchá pro obsluhu a zobrazovala aktuální stav zařízení. Mezi další přední požadavky na program patří možnost automaticky vykonávat často používané procedury. Aplikace je tvořena pro běh jako Runtime verze v počítači s běžným ko- merčním systémem (Windows).

6.1 Vzhled ovládací masky

V první řadě bylo potřebné rozmyslet vzhled ovládací masky. Jejím základním prvkem je integrovaný prvek panel, který určuje rozměry aplikace a umožnuje na sebe navázat další přístroje. Pro jednodušší vizualizaci jsem vytvořil nákres naprašovačky, který je umístěný uprostřed panelu a skládá se z indikačních přístrojů (valve, motor, indicator, pipe). Je zde zobrazena procesní komora, TV, RV a magnetrony. Tyto prvky jsou pro- pojeny potrubím a ventily. Každý z těchto komponent zobrazuje svůj aktuální stav (myšleno indikace zapnuto/vypnuto, ventil otevřen/zavřen). To umožňuje rychlou kon- trolu stavu zařízení obsluhou. Po levé straně nákresu naprašovačky jsou umístěny vý- stupy z měrek vakua, jedná se o přístroj meter určený k zobrazování číselných proměnných. Na levé straně celého panelu se nachází blok s vodohospodářstvím, jsou zde prvky pro spínání jednotlivých ventilů chlazení a také zobrazovače průtoků v daných chladících okruzích. Nad tímto blokem se nachází ovládání výboje, které je tvořeno přístrojem control určeným pro zadávání číselných hodnot, tlačítkem pro spíná- ní a indikací. Stejným způsobem je tvořeno ovládání rotace přípravku. Další blokem umístěným uprostřed vrchní části panelu je řízení výkonu zdrojů magnetronů a jejich připojování k nim. V pravém horním rohu se nachází informační display (přístroj string display) zobrazující aktuální proces, či stav zařízení. Na pravé straně panelu je blok s naprogramovanými procedurami, spouštěním ručního řízení a tlačítkem pro přechod do jiného panelu, který je popsán v další části. Vzhled tohoto celého panelu je umístěn v příloze D.

(34)

33

6.2 Vnitřní struktura aplikace

Aplikace se dělí na dvě části. Jedna část je typu knihovna, která slouží ke komunikaci s DataLabem a zpracování jeho kanálů včetně ochrany krizových stavů. Druhou částí je aplikace s vizualizační maskou, která tuto knihovnu implementuje.

6.2.1 Vytvoření knihovny

Knihovna vypadá jako běžná aplikace v softwaru CW s tím rozdílem, že nemá žádnou viditelnou podobu. Pro její vytvoření je potřeba vybrat proměnné, které budou předsta- vovat vstupy a výstupy této knihovny, a nechat CW ji vygenerovat.

Důležitou částí mé knihovny je nastavení vstupně výstupních jednotek DL. Aby bylo vůbec možné je do programu implementovat, je potřeba mít nainstalované patřičné ovladače, které jsou dodávány spolu s jednotkami. Pokud jsou ovladače nainstalovány, tak v záložce datové inspektory lze přidat nový ovladač, vybere se jeho typ a dále je třeba nastavit parametrický soubor. Tento soubor obsahuje konfiguraci jednoty. Pro úspěšné připojení musí být vybrán správný typ komunikačního rozhraní, v mém případě je to ethernet, tím pádem musí být nastavena IP adresa jednotky. Ta se nastavuje v konfiguračním režimu jednotky a při použití více jednotek je její změna nezbytná, protože všechny jednotky mají stejnou přednastavenou adresu. Dalším krokem je výběr modulů připojených v jednotce na portech A až D. Poté sám CW přiřadí adresy kanálu a s těmi už následně lze pracovat.

Tyto kanály jsou přiřazeny proměnným v sekci schedule. Jsou to výrazy, které jsou pe- riodicky vyhodnocovány, tím je zaručeno vlastní časování zapisování či čtení kanálů.

Posledním úkolem knihovny je, podobně jako u PLC, hlídat krizové stavy a zabraňovat nežádoucím aktivacím výstupů.

6.2.2 Program řídící aplikace

Vzhled viditelných prvku aplikace byl již popsán v předchozí kapitole, v této části se zaměřím na jejich programovou část a naprogramované procedury.

Pro „oživení“ ovládací masky je třeba vytvořit proměnné, které budou maskou řízené.

CW disponuje všemi běžnými datovými typy a uživatelův výběr není ničím omezen.

Jelikož každý z přístrojů umístěných na hlavním panelu umí vykonávat určité událostní procedury, jsou v těchto procedurách (OnMouseClik(), OnActivate()) opět ošetřeny blo-

(35)

34

kace nežádaných stavů. Těmito stavy jsou myšleny blokace spouštění ventilů v ne- správném pořadí, zavzdušňování vývěv při chodu, zavzdušňování komory při běhu vý- věv, připojení obou zdrojů magnetronů zároveň atd. Kromě těchto blokací, které jsou ošetřeny i v programu PLC, je vyhodnocováno, zda je povoleno ruční řízení a obsluha ho kliknutím na vybraný prvek smí ovládat, či je možné ho ovládat jen přes naprogra- mované procedury.

6.3 Naprogramované procedury

Dle požadavků na systém bylo potřeba vytvořit sekvenci automaticky prováděných ope- rací reprezentující často vykonávané procesy při používání zařízení. Pro tento účel má CW virtuální přístroj program, který má pouze tři událostní procedury, z nichž nejdůle- žitější je procedura OnActivate(), ve které se dle zadané periody vykonává patřičný pro- gram. Tento program vyhodnocuje, jakou proceduru obsluha spustila a volá uživatelské procedury, které ji vykonají.

6.3.1 Předčerpání

Tento proces má připravit zařízení k naprašování. To se provede vyčerpáním vzduchu z komory. Prvním krokem je spuštění rotační vývěvy, jejíž zavzdušňovací ventil musí být zavřen. Po proběhnutí čekací smyčky (10 s) se otevře ventil spojující RV s TV. Dále program čeká, než tlak vystoupá do hodnoty (10 Pa), kde je možně bezpečně spustit TV.

Pak jen probíhá čerpání, dokud v komoře nebude požadovaný tlak. Po dosažení tlaku informuje obsluhu, odblokuje spuštění procesu naprašování a přepne se do něj (pokud to obsluha zvolí).

6.3.2 Naprašování

Spuštění procesu naprašování začíná zobrazením panelu s parametry procesu (viz obr.

13). Na tomto panelu si obsluha nastaví proces podle potřeb (takzvaný recept). Je zde k dispozici databáze, která umožnuje nastavení ukládat, pročítat v receptech a opět je pro proces používat.

Po výběru a nastavení receptu lze přejít rovnou k procesu naprašování, pokud je komo- ra předčerpána. Pokud byl proces nastaven před spuštěním automatického cyklu, přejde program na proceduru naprašování okamžitě po ukončení procedury předčerpání ko- mory.

(36)

35

Obr. 13: Parametry naprašování

Samotná proces probíhá následujícím pořadím. Spustí se chlazení magnetronů a impe- dančního přizpůsobení (AMN), poté se podle vybraného receptu spustí vybraný zdroj naprašování, připojí požadovaný magnetron a otevře zvolený připouštěcí ventil reaktiv- ního plynu. Postupným zvyšováním výkonu zdroje naprašování se dosáhne přednasta- vené hodnoty. Poté se spustí odpočet nastavené doby naprašování. Po uplynutí času je naprášená požadovaná vrstva, a následně buď dojde k připravení na proces zavzdušnění, nebo program přejde k naprašování další vrstvy dle předpisu.

6.3.3 Zavzdušnění

Tato procedura se musí vykonat pokaždé, kdy je potřeba zvednout recipient (např. vý- měna substrátu, terče) a v komoře je rozdílný tlak oproti atmosférickému. Zavzdušnění probíhá tak, že se nejprve vypne TV a počká se na snížení otáček. Pak se zavře propo- jovací ventil mezi vývěvami a vypne RV. Pro zastavení TV je otevřen její zavzdušňo- vací ventil a počká se na úplné zastavení otáčení. Jakmile se tak stane, otevře se zavzdušňovací ventil komory. Nyní lze zvednout recipient.

6.3.4 Odstavení

Vykoná se při potřebě vypnout zařízení. Zavolá se procedura zavzdušnění a všechny komponenty se vrátí do výchozího stavu, kromě ventilů vodohospodářství, které jsou

(37)

36

ještě několik minut otevřené z důvodu dochlazení komponent. Poté je již zařízení při- praveno k vypnutí hlavního spínače.

(38)

37

7 Testování

7.1 Testování jednotlivých komponent

Samotné testování probíhalo v několika fázích v průběhu práce. První takovou fází bylo testování jednotlivých komponent. Bylo potřeba se seznámit s používanými komponenty, prověřit jejich funkčnost, možnosti ovládání a připojení k řídící jednotce. Pro tento účel byl vytvořen testovací panel s dvěma DataLaby (viz obr. 14). Prvním krokem byla konfigurace ovladačů v softwaru CW a konfigurace průmyslových jednotek podle po- kynů výrobce. Po úspěšném připojení jednotek k počítači byl vždy vytvořen jednoduchý program určený pro vyzkoušení daného zařízení (průtokoměry, měrky, ventily, turbo vývěva, rotační vývěva atd.). Až po tomto kroku a seznámení se se všemi prvky bylo možné vyvíjet řídící aplikaci pro naprašovačku.

Obr. 14: Testovací panel

7.2 Programová simulace

Jelikož by rozhodně nebylo bezpečné zkoušet naprogramované programy přímo na re- álném zařízení, byla využita možnost simulace ve vývojových softwarech. Možnosti simulace programu WinProLadder jsem již popsal v kapitole 4.2.

V CW lze simulace provést jednoduše nastavením ovladačů DataLabů do simulačního režimu a vytvořením testovacího panelu. Na ten se umístí ovládací prvky (přístroje), kterými se simulují vstupy do řídicího systému.

(39)

38

7.3 Test výsledného řídicího systému

Po virtuálním testování následovalo testování s reálným zařízením. Bylo využito již vytvořeného testovacího panelu a původního rozvaděče zařízení (tím je myšleno využití jističů a stykačů). Byly odzkoušeny naprogramované procedury předčerpání, zavzduš- nění, odstavení a potvrzena jejich funkčnost. Tlak v komoře po předčerpání komory byl 1·10^-3 Pa, což je pro danou funkci dostačující. Naprašování jako celkový proces, testo- váno nebylo. Pouze ovládání patřičných prvků a nastavování zdrojů. Pro řízení zdroje magnetronů R601 bylo zvoleno použití analogového interface, kdy se velikost výkonu řídí nastavením stejnosměrného napětí o hodnotě 0-10 V na patřičný vstup zdroje. Jeho ovládání je tudíž stejné jako u zdroje Dora. Při programovém cyklu docházelo k nastavování a řízení podle očekávání a požadavků, jen bylo zapotřebí předělat stávají- cí zapojení rozvaděče pro úplné ozkoušení aplikace.

(40)

39

8 Návrh rozvaděče

Poslední fází mé práce bylo navrhnout rozvaděč včetně jistících prvků a kabelů. Zapo- jení je provedeno ve třídě TN-S. Jističe a tavné pojistky už byly zakresleny do elektric- kých schémat popsaných v kapitole 3, zbývalo pouze zjistit výkon všech zařízení a vypočítat jištěné proudy. Pokyny pro tuto stavbu řeší norma ČSN 33 2000-5-52 ed. 2 (Elektrické instalace nízkého napětí - Část 5-52: Výběr a stavba elektrických zařízení - Elektrická vedení) [5]. Jištění je navrhnuto kaskádně, díky tomu lze použít levnější jisti- če a zmenší se hodnota zatížení všech elektrických zařízení v průběhu zkratového proudu.

Výpočet přenášeného elektrického proudu vedením se vypočítá z výkonu zařízení P, velikosti napájecího napětí U a u střídavého napájení se ještě počítá s účiníkem cos(φ).

Vzorce pro stejnosměrný proud:

𝐼 = 𝑃 [𝑊]

𝑈 [𝑉] [𝐴] (2)

Vzorec pro jednofázový střídavý proud:

𝐼 = 𝑃 [𝑊]

𝑈[𝑉] ∙ cos (𝜑) [𝐴] (3)

Vzorec pro proud trojfázovou soustavou:

𝐼 = 𝑃 [𝑊]

√3 ∙ 𝑈[𝑉] ∙ cos (𝜑) [𝐴] (4)

Podle vypočítaných hodnot lze vybrat jistící prvky pro malé proudy tavné pojistky a pro větší proudy jističe. Dalším krokem je vybrání průřezů vodičů, to se určí pomocí tabu- lek v již zmíněné normě ČSN 33 2000-5-52 ed. 2 [5]. Je důležité, aby byl jmenovitý proud jistícího prvku menší než maximální dovolený proud vodiče, jinak by se mohlo stát, že nedojde k odpojení dříve, než se přepálí vodič. V následujících tabulkách (tabulka 2 a tabulka 3), jsou znázorněny již vybrané jistící prvky spolu s průřezy vodičů, směrem k zařízením. Je zde označen i typ jistícího prvku, což je u jističů vypínací cha- rakteristika (B – jištění zařízení bez proudového rázu, D – zařízení s velkým proudovým rázem (až 20krát jmenovitý proud), C – zařízení s lehkým proudovým rázem). Značení u tavných pojistek značí rychlost přetavení (F – rychlé pojistky, M – středně rychlé pojistky, T – pomalé pojistky).

(41)

40

Tabulka 2: Jističe

Jistič Jmenovitý proud [A] Typ Počet fází Průřez vodiče [mm²]

FA1 80 B 3 35

FA2 2 B 1 1,5

FA3 6 D 3 1,5

FA4 4 C 1 1,5

FA5 2 C 3 1,5

FA6 16 B 3 2,5

FA7 10 B 1 1,5

Tabulka 3: Pojistky

Pojistka Jmenovitý proud [A] Typ Průřez vodiče [mm²]

FU0 1,5 T 1

FU1 0,5 T 1

FU2 0,2 M 1

FU3 0,2 M 1

FU4 0,5 T 1

FU5 0,4 F 1

FU6 0,4 F 1

FU7 0,4 F 1

FU8 0,2 F 1

FU9 0,2 F 1

FU10 32 F 10

FU11 0,5 F 1

FU12 2 F 1,5

(42)

41

Závěr práce

Cílem této bakalářské práce bylo kompletně zrenovovat řídicí systém magnetronové naprašovačky. Důraz byl kladen na jednoduchost obsluhy, ochranu před krizovými stavy (stav vedoucí k poškození zařízení) a přehlednou vizualizaci.

Jako hlavní ovládací prvek byly zvoleny průmyslové jednotky DataLab, které jsou ovládány softwarem Control Web. Samostatný okruh sloužící k ochraně zařízení zajiš- tuje PLC od firmy Fatek. Vytvořený systém byl testován postupně, díky tomu se dalo vyvarovat chybám a poškození zařízení. Při výsledném testování řídicího systému ne- docházelo k žádným krizovým situacím, které by zařízení mohly poškodit.

Vznikl tak takový řídicí systém, který je bezpečný na provoz a oproti původnímu sys- tému nově umožnuje přehlednou vizualizaci stavů, dále také programovat nové procedury a automaticky vykonávat celý proces naprašování. Nyní jakékoliv rozšíření zařízení nebude nikterak složité, protože stačí nové komponenty připojit k ovládacím jednotkám a upravit stávající aplikaci. Díky nahrazení původní difuzní vývěvy turbo vývěvou se docílilo čistějšího vakua, což samozřejmě zlepší kvalitu nanášené vrstvy.

Další rozšíření možnosti naprašování vzniklo přidáním RF zdroje magnetronů, který umožnuje nanášet povlaky i z nevodivých materiálů.

Dalším užitečným rozšířením této magnetronové naprašovačky, které by zefektivnilo a zpřesnilo nanášení vrstev, by bylo přidání zařízení pro měření tloušťky nanesené vrstvy. Nyní tloušťka vrstvy záleží na době naprašování, která se nastavuje podle předpisů pro danou vrstvu.

Tato bakalářská práce mi pomohla získat nové zkušenosti s programováním řídících systémů, návrhem jejich zapojení a dimenzování rozvaděčů. Dalším velkým přínosem pro mě bylo nabytí znalostí o funkci vakuových aparatur a nanášení tenkých vrstev.

(43)

42

Použitá literatura

[1] ZIMA. Naprašovací zařízení UPM 810.

[2] FATEK B1/B1z Series Micro-Programmable Controllers. 2012. PLC FATEK [online]. [cit. 2015-05-12]. Dostupné z: http://fatek.seapraha.cz/wp-

content/uploads/2013/08/B1B1z_EN_03202013.pdf

[3] DataLab IO: Průmyslové vstupně/výstupní jednotky s rozhraním USB, Ethernet ne- bo RS-485. In: Moravské přístroje a.s. [online]. ver. 2.8 prosinec 2012

[cit. 2015-05-12]. Dostupné z:

http://www.mii.cz/download/DataLab/cze/DataLab%20IO%20Manual%20CZ.pdf [4] Control Web – všestranný pomocník pro tvůrce aplikačních programů. Moravské přístroje a.s. [online]. [cit. 2015-05-12]. Dostupné z:

http://www.mii.cz/art?id=770&cat=161&lang=405

[5] ČSN 33 2000-5-52 ed. 2. Elektrické instalace nízkého napětí - Část 5-52: Výběr a stavba elektrických zařízení - Elektrická vedení. 2012. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví.

[6] LEYBOLD VAKUUM GMBH. 2002. TURBOVAC 1100 C: Turbo- Molekularpumpe [online]. Bayenthal [cit. 2015-05-12]. Dostupné také z:

http://www.ajvs.com/library/Leybold_Turbovac_1100C_Instruction_Manual.pdf [7] PFEIFFER VACUUM. 2008. Compact FullRange™ Gauge: PKR 251 [online].

Asslar [cit. 2015-05-12]. Dostupné také z:

http://www.idealvac.com/files/brochures/Pfeiffer_PKR_251_Pirani_ColdCathode.pdf [8] PFEIFFER VACUUM. 2005. Compact Pirani Gauge: TPR 280, TPR 281 [online].

Asslar [cit. 2015-05-12]. Dostupné také z:

http://www.idealvac.com/files/brochures/Pfeiffer_T

[9] SEREN INDUSTRIAL POWER SYSTEMS, INC. 2008. RX01/LX01 SERIES RA- DIO FREQUENCY POWER SUPPLY: OPERATOR’S MANUAL. Dostupné také z:

http://www.ptb-sales.com/manuals/seren/6100220000rlx.pdf

(44)

43

A Obsah přiloženého CD

 bakalářská práce v textové podobě

 schémata zapojení

 obrázky použité v této bakalářské práci

 katalogové listy použitých zařízení

 aplikace pro Control Web

 program pro PLC

(45)

44

B Seznam výstupů

Tabulka 4: Seznam výstupů

Typ Název Zařízení Spínací signál

Releový výstup

Turbo v. - stykač DataLab, PLC L1.L

Rotační vývěva - stykač DataLab, PLC L1.L

Rotace přípravku DataLab 24 VDC

Výboj - stykač DataLab L1.L

Magnetrony - přepínaní DataLab L1.L

Zdroj R601 - stykač DataLab L1.L

V2 - Zavduš. ventil komory DataLab, PLC L1.L V3 - Zavduš. ventil TV DataLab, PLC L1.L V4 - Propojovací v. mezi RV a TV DataLab, PLC L1.L

V5 - Zavduš. ventil RV DataLab L1.L

V1 - Pneumatický DataLab 24 VDC

Voda - Ventil MG DataLab 12 VDC

Voda - Ventil Turbo DataLab 12 VDC

Voda - Ventil AT6 DataLab 12 VDC

Turbotronik START DataLab 24 VDC

Turbotronik STOP DataLab 24 VDC

Turbotronik REMOTE DataLab 24 VDC

Dora - stykač DataLab L1.L

Info o běhu PLC 24 VDC

Dora - blokace DataLab, PLC L1.L

Dora k MG DataLab, PLC L1.L

R601 k MG DataLab, PLC L1.L

Analogový výstup 0-10 V

Rotace přípravku DataLab

Dora - regulace DataLab

Výboj - regulace DataLab

R601 DataLab

(46)

45

C Seznam vstupů

Tabulka 5: Seznam vstupů

Typ Název Zařízení

Digitální vstupy

Výboj - chod Datalab

Turbo - stoji Datalab,PLC

Turbo - rozběh 80% Datalab

Turbo - normal Datalab

Recipient dole Datalab

Rotace - Stav Datalab

V2 - Zavduš. ventil komory Datalab V3 - Zavduš. ventil TV Datalab V4 - Propojovací v. mezi RV a TV Datalab, PLC V5 - Zavduš. ventil RV Datalab

V1 - Pneumatický Datalab

G1 - Pirani/kombinované Datalab

RV - stav DataLab, PLC

Voda MG Datalab, PLC

Voda Turbo Datalab, PLC

Voda AT6 Datalab, PLC

Informace o běhu PLC DataLab

Hydraulika DataLab

Dora k MG DataLab, PLC

R601 k MG DataLab, PLC

Analogový vstup G1 DataLab

G2 Datalab

Čítačový vstup

Průtokoměr - RF DataLab, PLC

Průtokoměr - Turbo DataLab, PLC

Průtokoměr - MG DataLab, PLC

(47)

46

D Ovládací panel

Obr. 15: Ovládací panel

(48)

47

E Schémata zapojení

Obr. 16: Schéma zapojení přívodu do rozvaděče

(49)

48

Obr. 17: Schéma zapojení vodohospodářství a rotace

(50)

49

Obr. 18: Schéma zapojení vývěv a ventilů

(51)

50

Obr. 19: Schéma zapojení výboje

(52)

51

Obr. 20: Schéma zapojení magnetronů a jejich zdrojů

(53)

52

Obr. 21: Schéma zapojení měrek vakua

#BLBMÈǲTLÈ QSÈDF

,0.1-&5/¶ 3&/07"$& 4:45².6 Ʋ¶;&/¶

."(/&530/07² /"13"À07"Ǝ,: