Thiết bị phủ bằng phương pháp PVD HCM-700 được chế tạo và tích hợp trong khuôn khổ thực hiện đề án thuộc chương trình Công nghiệp Hỗ trợ cho phép tạo các lớp phủ cứng trên các vật liệu khác nhau bằng cả phương pháp phún xạ và hồ quang.
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ ĐUN PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH PHỦ CHO THIẾT BỊ PHỦ BẰNG KỸ THUẬT HỒ QUANG CHÂN KHÔNG A STUDY ON BUILDING CONTROL SOFTWARE MODULE FOR COATING PROCESS USING A VACUUM ARC TECNIQUE Nguyễn Đức Luận*, Phạm Đức Cường TÓM TẮT Thiết bị phủ phương pháp PVD HCM-700 chế tạo tích hợp khn khổ thực đề án thuộc chương trình Cơng nghiệp Hỗ trợ cho phép tạo lớp phủ cứng vật liệu khác phương pháp phún xạ hồ quang Để cung cấp toàn quyền kiểm sốt tất thơng số cơng nghệ q trình phủ, cho phép người sử dụng thiết bị thực điều chỉnh cách linh hoạt, nhóm nghiên cứu xây dựng mơ đun phần mềm điều khiển đầu hồ quang cho thiết bị phủ HCM-700 với giao diện tùy chỉnh dựa tảng phần mềm HMI linh hoạt sử dụng điều khiển logic lập trình (PLC) tiêu chuẩn cơng nghiệp Với việc kiểm sốt hồn tồn tất thơng số, giúp nghiên cứu thực tạo lớp phủ cứng với thành phần đặc tính theo thiết kế Từ khóa: PVD, PLC; HMI; phần mềm điều khiển; hồ quang chân không ABSTRACT The HCM-700 PVD coating equipment is manufactured and integrated in the framework of a project under the Supporting Industry program that allows the creation of hard coatings on various materials by both sputtering and arc methods To provide full control over all parameters and allow the user to make flexible adjustments during coating, a software for controling arc-head of the HCM-700 coating machine is built Flexible HMI software platform and industry standard programmable logic controller (PLC) is used With complete control of all parameters, hard coatings of designed components and properties can be fabricated Keywords: PVD, PLC; HMI; control software; vacuum arc Viện Công nghệ HaUI, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email:nguyenducluan@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 25/11/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/12/2020 Ngày chấp nhận đăng: 25/8/2021 GIỚI THIỆU Lớp phủ cứng tạo phương pháp lắng đọng vật lý môi trường chân không (Physical Vapor Deposition PVD) ngày ứng dụng rộng rãi công nghiệp đời sống đặc tính ưu việt Một kỹ thuật phủ phổ biến Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn thương mại hóa vào sản phẩm ứng dụng rộng rãi hồ quang chân không Hệ thống phủ lắng đọng vật lý môi trường chân không (PVD) tạo lớp phủ cứng đạt đặc tính thiết kế nhờ điều chỉnh chế độ công nghệ phủ phù hợp linh hoạt Một hệ thống phủ lắng đọng thiết kế tốt thực chương trình để tạo nhiều lớp phủ khác nhau, lớp lắng đọng riêng biệt chất [1] Điều làm cho tạo liên kết vật liệu cấu trúc khác lần phủ Các thí nghiệm địi hỏi kiểm sốt xác số thơng số cơng nghệ phủ, chẳng hạn lựa chọn thiên áp đế, loại nguồn cung cấp điện, khoảng cách từ bia đến mẫu, áp suất khí Hiện nay, cơng nghệ phủ chân không số trường đại học, viện nghiên cứu Việt Nam đầu tư nghiên cứu bước triển khai ứng dụng vào thực tế Nhiều đề tài khoa học công nghệ cấp công nghệ phủ chân không sở lắng đọng vật lý thực Tuy nhiên, đề tài tập trung vào nghiên cứu công nghệ phủ số lớp phủ truyền thống TiN, CrN sở sử dụng thiết bị phủ nhập ngoại có tuổi đời cao, hệ thống điều khiển sử dụng công nghệ cũ HCM-700 thiết bị tạo màng lớp phủ cứng chế tạo tích hợp đề án thuộc chương trình Cơng nghiệp Hỗ trợ 2019-2020 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội chủ trì Thiết bị sử dụng hai cơng nghệ phún xạ hồ quang chân khơng, với kích thước buồng 700x700mm Thiết bị bố trí 02 đầu phún xạ với công suất 15kW/đầu, đầu hồ quang với công suất 10kW/đầu, phối hợp đầu phún xạ đầu hồ quang cho quy trình phủ khác Việc tích hợp hai kỹ thuật phủ cho phép điều chỉnh linh hoạt q trình nghiên cứu, sử dụng riêng kỹ thuật sử dụng hai kỹ thuật cho lớp phủ Tính hữu ích lớp phủ kỹ thuật khác có đặc tính phạm vi ứng dụng khác Đặc biệt lớp phủ tạo tích hợp hai kỹ thuật có đặc tính trội độ cứng hay cấu trúc [3] Do tích hợp hai kỹ thuật hệ thống thiết bị, hệ thống điều Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 75 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 khiển phần mềm thiết kế riêng theo mô đun, cho phép sử dụng độc lập kỹ thuật phối hợp hai quy trình phủ Trong phạm vi báo này, nhóm tác giả nghiên cứu thuật tốn xây dựng mơ đun phần mềm điều khiển đầu hồ quang trình phủ kỹ thuật hồ quang cho thiết bị phủ HCM-700 sở phần cứng hệ thống THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐẦU HỒ QUANG VÀ QUÁ TRÌNH PHỦ Trên sở thiết kế cấu tạo đầu hồ quang hệ thống phủ HCM700, ta tiến hành thiết kế sơ đồ thuật tốn điều khiển cho hệ thống Từ đó, lập trình xây dựng mơ đun phần mềm điều khiển đầu hồ quang tồn q trình phủ Trong nghiên cứu này, điều khiển PLC: FX3u-64M, mơ đun Fx3U-4DA, Fx3U-4AD (Mitsubishi) hình HMI MT8121iE (Weinview) sử dụng Các tham số điều khiển phần mềm điều khiển đầu hồ quang trình phủ thiết bị HMC-700 bảng Bảng Các tham số điều khiển STT Tham số điều khiển Hình Thuật tốn chuyển đổi ADC sử dụng điện trở R-2R Bộ chuyển đổi số sang tương tự sử dụng điện trở có trọng số nhị phân hiển thị hình Trong mạch, op-amp kết nối chế độ đảo ngược Op-amp kết nối chế độ khơng đảo Sơ đồ mạch đại diện cho chuyển đổi số nhị phân bit Bộ chuyển đổi bit có 16 đầu Do đó, 16 đầu tương ứng đại diện cho đầu vào nhị phân Chỉ số Dòng điện cấp cho đầu hồ quang hoạt động 60 - 250A Áp suất buồng chân không nhỏ 5.10-4Pa Hệ thống gia nhiệt hoạt động ổn định - 6000C Hệ thống điều khiển khí MFC hoạt động xác < 5sccm Hệ thống làm mát hoạt động ổn định khoảng 200C Nguyên lý điều khiển đầu hồ quang thực sơ đồ hình Cài đặt giá trị dòng điện/ số vòng quay cần điều khiển HMI Hình Đồ thị điện áp đầu chuyển đổi ADC PLC Bộ chuyển đổi DAC Nguồn cấp cho đầu hồ quang Vo = -Rf *(b3/2R + b2/4R + b1/8R + b0/16R) Chuyển đổi tương tự sang số Biến tần Giá trị cảm biến Điện áp đầu chuyển đổi DAC (hình 3) tính sau: Bộ chuyển đổi ADC PLC Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung thực qua bước bản, là: lấy mẫu; nhớ mẫu; lượng tử hóa mã hóa Các bước ln ln kết hợp với trình thống Hiển thị HMI Giá trị nhiệt độ Hình Sơ đồ điều khiển chức máy HCM-700 Thuật toán chuyển đổi DAC/DAC Chuyển đổi DAC sử dụng điện trở R 2R theo nguyên lý Thevenin [4] 76 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021) Hình Thuật tốn chuyển đổi DAC Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bộ so sánh so sánh VAX với đầu vào trương tự VA Nếu VAX < VA đầu so sánh lên mức cao Nếu VAX > VA khoảng VT (điện ngưỡng), đầu so sánh xuống mức thấp ngừng tiến trình biến đổi số nhị phân ghi Tại thời điểm VAX xấp xỉ VA, giá trị nhị phân ghi đại lượng số tương đương VAX đại lượng số tương đương VA, giới hạn độ phân giải độ xác hệ thống - Hệ thống đầu hồ quang - Hệ thống làm mát - Hệ thống cảm biến - Hệ thống điện, điều khiển Hệ thống đầu hồ quang/Phún xạ Hệ thống bơm chân không Hệ thông cấp khí Buồng chân khơng Hệ thống cảm biến Hệ thống điều khiển Hệ thống làm mát Hệ thống gia nhiệt Hệ thống đồ gá Hình Sơ đồ cấu tạo thiết bị phủ HCM-700 Trên sở phân tích nguyên lý hoạt động yêu cầu kĩ thuật thiết bị, cụm thiết bị phần cứng Phần mềm điều khiển thiết kế theo dạng mơ đun Gửi tín hiệu điều khiển Hình Sơ đồ lấy mẫu tín hiệu đầu vào chuyển đồi ADC Nhận tín hiệu Hệ thống làm mát Hệ thống cảm biến Đối với tín hiệu tương tự VI tín hiệu lấy mẫu VS sau q trình lấy mẫu khơi phục trở lại VI cách trung thực điều kiện sau thỏa mãn [5]: fS = 2fImax (1) Gửi tín hiệu điều khiển Trong đó, fS: tần số lấy mẫu; fImax: giới hạn giải tần số tương tự Hình biểu diễn cách lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào Nếu biểu thức (1) thỏa mãn ta dùng tụ lọc thông thấp để khôi phục VI từ VS Vì lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng cần có thời gian định nên phải nhớ mẫu khoảng thời gian cần thiết sau lần lấy mẫu Điện áp tương tự đầu vào thực chuyển đổi A/D thực tế giá trị VI đại diện, giá trị kết lần lấy mẫu XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN CHO ĐẦU HỒ QUANG VÀ QUÁ TRÌNH PHỦ Để đảm bảo q trình vận hành tin cậy an tồn phần mềm điều khiển phải thiết kế xây dựng sở phần cứng thiết bị HCM-700 đầu hồ quang nói riêng Sơ đồ cấu tạo thiết bị phủ HCM-700 hình bao gồm phận sau: - Buồng chân khơng (Hệ thống gia nhiệt đế, hệ thống đồ gá quay) - Hệ thống bơm chân khơng - Hệ thống cấp khí Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Phần mềm PLC Hệ thống nguồn cấp Hệ thống gia nhiệt Hệ thống bơm chân khơng Gửi tín hiệu điều khiển Gửi tín hiệu điều khiển Thiết lập tham số Gửi tín hiệu điều khiển HMI Hiển thị Hệ thống cấp khí Hình Sơ đồ luồng liệu hệ thống phần mềm điều khiển đầu hồ quang Sơ đồ luồng liệu hệ thống phần mềm điều khiển đầu hồ quang hình Phần mềm PLC điều khiển phải có chức sau: - Nhận tín hiệu từ cảm biến, nhận thiết lập tham số từ HMI - Gửi tín hiệu điều khiển đến hệ thống bơm chân không, hệ thống gia nhiệt, hệ thống nguồn cấp hồ quang xạ bias, hệ thống làm mát, hệ thống cấp khí Sơ đồ luồng liệu hệ thống HMI hình Mơ đun điều khiển hệ thống HMI có chức sau: - Thiết lập tham số bơm, tham số cảm biến áp suất, tham số gia nhiệt, tham số hệ thống cấp khí, tham số hệ thống hồ quang/ bias Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 77 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 - Hiển thị tham số số bơm, tham số cảm biến áp suất, tham số gia nhiệt, tham số hệ thống cấp khí, tham số hệ thống hồ quang/ bias _ KT điều kiện hoạt động máy Stop + Thiết lập ts bơm Tự động Lựa chọn chế độ: Tự dộng tay Hiển thị _ KT điều kiện áp suất cài đặt Bằng tay Đưa tín hiệu cho bơm hoạt động + Thiết lập ts cảm biến áp suât Hiển thị Thiết lập ts gia nhiệt HMI HMI Tín hiệu PLC Tín hiệu PLC Rơ le trung gian Rơ le trung gian Đóng contactor cấp nguồn bias Đóng contactor cấp nguồn phún xạ Thiết lập ts hệ thống cấp khí Hiển thị Thiết lập ts nguồn phún xạ/bias Bắt đầu Hình Sơ đồ luồng liệu hệ thống HMI Lưu đồ thuật toán điều khiển đầu hồ quang thực hình Cài đặt tham số nguồn hồ quang + _ KT điều kiện hoạt động máy - Stop KT độ chân không KT cửa buồng mở + + + Cảm biến áp suất Cảm biến áp suất Cảm biến áp suất - Cấp nguồn cho đầu hồ quang KT Áp suất khí Cảm biến áp suất + - KT nước làm mát Đầu hồ quang + Đọc giá trị từ cảm biến KT đồ gá quay Lưu giá trị vào ghi PLC KT điều kiện hoạt động máy _ Stop KT điều kiện hoạt động máy + Cảm biến nhiệt độ Hình Các lưu đồ điều khiển thiết bị HCM-700 _ Stop + Cảm biến nhiệt độ Cảm biến lưu lượng nước Cảm biến lưu lượng nước Đọc giá trị từ cảm biến Đọc giá trị từ cảm biến Lưu giá trị vào ghi PLC Lưu giá trị vào ghi PLC 78 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021) Hình 10 Hệ thống phần mềm điều khiển đầu hồ quang Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Sau cài đặt phần mềm điều khiển (hình 10) chạy thử nghiệm đánh giá hệ thống phủ, kết đưa bảng Bảng Kết sai số q trình điều khiển cường độ dịng điện nguồn hồ quang STT Cài đặt HMI Điện quy đổi theo lý thuyết (V) Sai số: 0,5%/10V Điện Dòng cấp Dòng cấp cho đầu hồ cho đầu thực tế quang theo hồ quang lý thuyết thực tế (V) (A) (A) 50 0 0 70 0,999 70 69,93 90 1,999 90 89,96 130 3,998 130 129,94 150 3,992 150 119,76 170 5,997 170 169,92 190 6,993 190 189,81 250 10 9,996 250 249,90 Từ giá trị bảng 2, cho thấy giá trị điện quy đổi có tượng sai số 0,8%/10V trình điều khiển Điều giải thích sau: q trình truyển tín hiệu từ HMI chuyển đổi A/D nguồn cấp đầu hồ quang bị nhiễu nguồn điện cấp không ổn định, nhiệt độ thời điểm khảo sát có thay đổi Với sai số 0,8%/10V hồn tồn đáp ứng yêu cầu điều khiển dòng cho nguồn hồ quang trình phủ Bảng Kết sai số trình điều khiển nhiệt độ buồng chân khơng STT KẾT LUẬN Bài báo trình bày trình thiết kế xây dựng lưu đồ thuật tốn để lập trình điểu khiển q trình phủ cho thiết bị phủ kỹ thuật hồ quang sở phần cứng có sẵn thiết bị HCM-700 Các thuật toán DAC, ADC sử dụng để điều khiển tham số q trình phủ (Dịng điện nhiệt độ) Thực thiết bị: Bộ điều khiển PLC: FX3u-64M, mô đun Fx3U-4DA, Fx3U-4AD (Mitsubishi) hình HMI - MT8121iE (Weinview) Trong báo khảo sát thơng số dịng điện nhiệt độ đặc trưng cho q trình điều khiển sử dụng thuật tốn DAC ADC xây dụng mơ đun chương trình Quá trình thực đánh giá kết phần mềm điều khiển cho thấy sai số lớn dòng điện là 4A nhiệt độ là: 2,50C TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J J Attema, L Chioncel, C.M Fang, 2005 Half-Metals: Challenges in Spintronics and Routes Toward Solutions in Lect Notes Phys., 678, p 201-216, Springer-Verlag Berlin Heidelberg [2] P Wu, G Saraf, Y Lu, 2007 Magnetic properties of Fe-implanted ZnO nanotips grown by metal-organic chemical vapor deposition J Electronic Mater., Vol.36, p 529-532 [3] P B Parchinskiy, Fu Cheng Yu, Se Young Jeong, 2006 Optical characteristics of MBE grown GaMnAs embedded with MnAs clusters Appl Surf Sci., Vol 253, p 515-518 [4] Pham Tung Khanh Giao trinh Ly thuyet mach Science and Technics Publishing House, Hanoi, Vietnam [5] Pham Minh Ha, 1997 Ky thuat mach dien tu Science and Technics Publishing House, Hanoi, Vietnam Cài đặt HMI Điện quy đổi theo lý thuyết (V) (0C) Sai số: 0,3%/20V Nhiệt độ hiển thị (0C) HMI 50 50,2 100 99,3 AUTHORS INFORMATION 150 151,4 200 202,5 Nguyen Duc Luan, Pham Duc Cuong HaUI Institute of Technology, Hanoi University of Industry 250 252,3 300 10 298,6 350 12 352,1 400 14 402,2 450 16 451,8 10 500 18 502,2 11 550 20 551,7 Như thấy bảng 3, q trình điều khiển nhiệt độ có sai số lớn 2,50C Điều giải thích sau: q trình điều khiển phải thực lần DAC ADC yếu tố nhiễu nguồn điện cấp không ổn định, nhiệt độ thời điểm khảo sát có thay đổi Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 79 ... điều khiển đầu hồ quang trình phủ kỹ thuật hồ quang cho thiết bị phủ HCM-700 sở phần cứng hệ thống THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐẦU HỒ QUANG VÀ QUÁ TRÌNH PHỦ Trên sở thiết kế cấu tạo đầu hồ quang. .. thống phủ HCM700, ta tiến hành thiết kế sơ đồ thuật tốn điều khiển cho hệ thống Từ đó, lập trình xây dựng mơ đun phần mềm điều khiển đầu hồ quang tồn q trình phủ Trong nghiên cứu này, điều khiển. .. 2615-9619 khiển phần mềm thiết kế riêng theo mô đun, cho phép sử dụng độc lập kỹ thuật phối hợp hai quy trình phủ Trong phạm vi báo này, nhóm tác giả nghiên cứu thuật tốn xây dựng mơ đun phần mềm điều