真空排氣裝置自動控制系統設計

曹 嵐，張海燕，朱憲亮,3，龔海梅

CAO Lan1, ZHANG Hai-yan2, ZHU Xian-liang2,3, GONG Hai-mei2

(1.上海電力學院，上海 200000；2.中國科學院上海技術物理研究所 中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083；3.中國科學院研究生院，北京 100039)

0 引言

航天應用紅外探測器的可靠性要求高，其在發射上天之前，一般均須在地面上對其進行壽命試驗以獲取其壽命指標；壽命試驗是指在一批產品中選取一定數量的樣品，在實驗室模擬實際使用過程中的主要條件，在人工控制的條件下進行試驗，記錄下樣品的失效時間(即壽命)和原因[1]。因此對于航天紅外探測器，壽命試驗過程必須提供高真空，以模擬其太空條件的工作環境。

傳統的航天紅外探測器壽命試驗的試驗設備的真空系統由排氣臺與多個杜瓦（試驗容器）組成，試驗中高真空環境的獲取是通過排氣臺定期手動對杜瓦抽真空實現，操作人員憑借經驗判斷杜瓦是否需要重新抽取真空。因此在實際試驗過程中，往往會因杜瓦重抽時間或漏氣判斷不及時，造成紅外器件在低真空的情況下進行試驗，從而導致器件損毀[2]。傳統壽命試驗設備除了真空抽取不及時的缺點外，因進行壽命試驗的紅外探測器數目較多，試驗時間長，進行一次壽命試驗需要大量的人力物力。為此,我們設計了一套新型航天紅外探測器的真空系統[3]。

基于可編程邏輯控制器（PLC）高穩定性和抗干擾性[4,5]，本文采用工業控制器PLC為控制中心，對文獻[3]中的真空系統實現自動化控制，自動維持壽命試驗所須的真空條件并實現壽命試驗所需隨時加入試驗、退出試驗等其他功能。

1 真空排氣裝置描述及其控制要求

1.1 系統的真空獲取基本工作原理

紅外航天紅外組件壽命試驗的試驗容器為杜瓦，真空排氣裝置是用于杜瓦排氣、杜瓦真空維持。該裝置配套使用的杜瓦均自身帶有一個密封電磁閥（CKD閥門）。該裝置的俯視和前視圖如圖1、圖2所示。

圖1 真空排氣裝置俯視圖

圖2 真空排氣裝置前視圖

從圖1和圖2中可以看出，主腔體作為整個真空排氣裝置的公共真空室，其圓周上均勻分布多個外接接頭將公共室分為多個分支排氣工位。每個分支排氣工位后均有一個主腔體密封閥ZX、一個柔性轉接頭CX，其中CX帶有為VCR快速拆裝接頭，可與待排杜瓦進行對接。主腔體公共真空室與泵組間有兩個排氣通道：1）旁抽通道：旁抽閥連通主腔體至機械泵；2）主抽通道：插板閥連通主腔體至分子泵，然后前級閥連通分子泵至機械泵。當某個工位需要進行真空排氣時，開啟該支路上的CKD電磁閥和VAT電磁閥，將該路杜瓦掛載到主腔體進行排氣。

1.2 真空排氣裝置的控制要求

控制系統的分析計可分為兩種，即溫度計和真空計，杜瓦內的溫度計測得溫度，經過真空度與制冷溫度之間的關系，可轉化為杜瓦內真空度；真空計測得的真空為主腔體的真空度，控制系統要求如下：

1)杜瓦隨時加入排氣；

2)杜瓦滿足間歇時工作；低于一定真空后，停止排氣，高于一定真空又重新排氣；

3)抽氣須分優先級；重抽優先級高于初次排氣；

4)同批次試驗的杜瓦須同時進行排氣；

5)各個工位獨立工作，獨立烘烤；

6)簡單自動檢漏；

7)控制參數（設備運行時間、工位使用情況、儀表數值顯示報警信息及報警值數值等），均可在觸摸屏中設定或顯示；

8)一般情況下，控制將采用自動方式，在進行調試和比較復雜的故障檢修時可使用手動方式進行檢漏。

2 控制系統的硬件設計

2.1 控制系統硬件結構

真空自動控制系統結構如圖3所示，主要由監控計算機(內置LabVIEW軟件)、控制中心(Siemens S7－300)、觸摸屏和現場執行部件（閥門、分子泵控制器和溫控儀）四部分組成。PLC實現所有的現場控制，監控計算機實現現場數據的采集和存儲，觸摸屏實現對現場數據的設置和顯示。PLC與觸摸屏的通信方式采用MPI通信，PLC與其他部件的通信方式采用PROFIBUS-DP網絡。

圖3 系統硬件結構框圖

2.2 控制系統硬件設計

上位機選用dell筆記本，內置Siemens CP5711通信卡，安裝虛擬儀器LabVIEW軟件。上位機通過PROFIBUS-DP總線與PLC實現周期性數據交換。在真空自動控制系統中，上位機可監視現場全部運行信息，對現場采集數據進行匯總和分析，全面執行報警和儲存功能。

系統的PLC選用Siemens S7－300PLC(S7-315-2DP)。系統的I/O點數為169點，其中，模擬量輸入AI點數目為63；數字量輸出DO點數目為104，數字量輸入DI數目為2，因此系統采用2機架結構[6]，8個模擬量輸入模塊SM331位于第一機架，將所有的AI信號讀入PLC總站，4個數字量輸出模塊SM322和1個數字量輸入模塊SM321位于第二機架，實現所有數字量信號輸入輸出。

3 控制系統的軟件設計

真空系統軟件分為PLC控制軟件、觸摸屏人機界面軟件和LabVIEW軟件3部分。PLC程序實現數據處理、邏輯判斷與控制執行等功能；觸摸屏程序通過網絡直接訪問和修改PLC變量，實現控制功能，數據、狀態的輸出，顯示等功能；LabVIEW軟件實現現場數據和報警信息的存儲功能。

3.1 PLC程序設計

根據上述的真空系統控制要求，可將杜瓦抽真空的工作要點歸納為以下四點：1）抽氣優先級處理；2）抽氣批量處理；3）間歇性抽氣處理；4）隨時性加入排氣處理。

根據上述工作要點，可將所有的杜瓦的工作狀態分為如表1所示的幾種隊列；初排等待隊列的設定是用于實現杜瓦隨時加入排氣的功能，設備操作員無須等待優先級別高的的隊列處理完成后才能加入新的杜瓦；初排隊列是用于實現杜瓦并行處理的功能，當一批待排的杜瓦均滿足加入初排的隊列的條件時，可批量進行排氣；重抽隊列是用于實現杜瓦間歇性抽氣功能，杜瓦排氣完成一段時間，若杜瓦內真空上升至一定壓強后，可僅重抽隊列進行再次排氣；對于各個隊列的優先級處理，優先級執行按照表格自下往上執行；抽氣的流程圖如圖4所示。

表1 杜瓦工作狀態隊列表

圖4 抽氣控制流程圖

3.2 觸摸屏人機界面程序設計

觸摸屏監控界面軟件采用Wincc flexible設計。它是一款功能強大的觸摸屏人機界面設計軟件，可使用此軟件為人機界面設備創建操作員面板并配置操作參數[7]。它提供了設計人機界面項目（包括從數據采集到創建并顯示動畫等各種任務）所需的所有工具。根據監控軟件實現的具體功能，本軟件設計了以下界面。

1）初始界面。主界面直觀地顯示了真空系統的主要設備的工作狀況及系統的真空度，若查看更詳細的數據，則點擊相應的圖標或者按鍵，進入詳細數據界面。

2）主界面。將設備的所有數量開關和閥門以圖畫的形式顯示于主界面，便于操作人員直接全面地掌握整個真空系統的工作情況。

3）排氣控制界面。實時顯示個排氣隊列情況，若向新加入工位進行試驗或退出試驗，可點擊相應的工位的按鈕，實現杜瓦隨時加入或退出排氣；

4）報警界面。集中顯示分子泵、機械泵、溫控儀、插板閥等相關故障信息。一旦系統發生故障，界面彈出報警對話框，顯示故障類型；該界面由報警指示燈、復位按鈕等組成，設置有停止警示音和停止報警燈閃爍按鈕，可以在線查看和復位報警。

5）手動界面。手動界面可供操作員手動操作真空系統中的任一閥門和任一加熱器開關，起停分子泵、機械泵等。

6）參數設置。供操作員設定工位的烘烤溫度、杜瓦預定保持時間、工位排氣完成真空度，初排動作時間等；

7）數據顯示。顯示真空排氣工位處的參數和相關操作。

8）用戶管理。設置用戶信息，用于用戶登陸等；

3.3 PC程序設計

本系統采用PROFIBUS通信，通過PROFIBUS網絡讀取S7-300中采集的現場數據和故障信息[8]。PC上位機需安裝LabVIEW軟件，利用軟件隱含了NI的OPC Client，可與SIEMENS的OPC Server進行通訊[9]，從而實現PC與PLC的數據交互，進而定時對常規數據進行存儲。PC機上只有一個主監控界面。主界面上除顯示所有觸摸屏上所有的信息外，還有真空度趨勢圖，實時顯示主腔體和各個工位的真空度。

4 結束語

基于PLC開發的真空自動控制系統，解決了紅外器件壽命試驗真空及時獲取和維持的問題，其自動化大大地減少試驗過程的人力成本。系統的實時數據采集、真空系統的運行情況實時顯示、故障報警、等功能，大幅提高了紅外器件在壽命試驗中的安全性和可靠性；同時系統的歷史數據存儲有利于管理人員對重要數據進行分析、查詢，為航天紅外器件的可靠性壽命獲取提高重要的依據。

[1]顧瑛.可靠性工程數學[M].北京:電子工業出版社,2004.

[2]劉大福.星載碲鎘汞紅外探測器的可靠性研究[D].上海:中科院上海技術物理研究所,2006.

[3]曹嵐,楊波,朱憲亮,等.新型航天紅外組件壽命試驗設備的真空系統設計[J].科技導報,2011,29(28):5-9.

[4]王玲,張洋,胡慶生,等.基于PROFIBUS和PLC的EAST托卡馬克裝置真空控制系統[A].第13屆全國計算機、網絡在現代科學技術領域的應用學術會議論文集[C].北京:中國核學會,2007.

[5]蔣曉峰,施偉鋒,劉以建,桂如裕,楊錦濱.基于觸摸屏和PLC的船舶電站監控系統設計[J].電力自動化設備,2011,31(1):122-125.

[6]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].第二版.北京:機械工業出版社,2008.

[7]廖常初.西門子人機界面（觸摸屏）組態與應用技術[M].第二版.北京:機械工業出版社,2012.

[8]崔堅.西門子工業網絡通信指南[M].北京:機械工業出版社,2005.

[9]熊偉麗,賈巖,許文強,徐保國.基于OPC技術的LabVIEW與S7-300PLC的污水處理監控系統[J].計算機與應用化學,2011,28(9):1131-1133.