小型真空室真空測量與控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

麻 碩，邱忠義，陳卓哲

（北京金自天正智能控制股份有限公司 軋鋼傳動事業(yè)部，北京 100070）

在工業(yè)和實驗室應(yīng)用的很多場合中，都會需要小型真空室，如真空干燥、真空鍍膜[1]、真空制造和真空檢測[2]等。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，對真空室真空度的需求也各不相同。典型的真空控制系統(tǒng)，一般由真空室、真空計、真空管路、閥門和真空泵組成，基本功能為抽真空、真空保持和進(jìn)氣[3]。影響真空度的因素很多，諸如真空室中是否有輸入氣體或反應(yīng)氣體存在、真空室內(nèi)壁的放氣率、真空泵的抽速、真空管路接口的密封是否良好等，因此真空泵需要連續(xù)工作以維持真空度的動態(tài)平衡[4]。然而，若真空室到達(dá)極限真空度而真空泵仍以最大轉(zhuǎn)速運行，會造成嚴(yán)重的能源浪費。對此，本文提出并設(shè)計了一種適用于中高真空度、帶變頻控制的小型真空室真空測量與控制系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了試驗驗證。

1 系統(tǒng)組成

真空測量與控制系統(tǒng)由真空度采集和控制兩大部分組成，主要包括真空度信號采集和處理電路、電磁閥控制電路和真空泵控制電路，如圖1所示。

圖1 真空測量與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vacuum measurement and control system

真空計采集真空室的壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)變換和數(shù)據(jù)處理后輸出相應(yīng)的電壓信號給主控芯片，主控芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機則根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)和工作需要發(fā)送相應(yīng)的控制命令控制電磁閥和真空泵的工作狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)對真空度的控制。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

真空測量與控制系統(tǒng)主控芯片選用STC12C5A60S2系列單片機。該單片機具有增強型8051內(nèi)核，速度比普通8051快6～12倍，并且?guī)?0位高速ADC模塊，2路PWM還可作為D/A使用。

2.1.1 真空度信號采集和處理電路

真空室壓力的測量是進(jìn)行真空度控制的基礎(chǔ)。根據(jù)系統(tǒng)需要測量的真空范圍，選用INFICON公司的皮拉尼真空計PSG500-S進(jìn)行壓力測量。PSG500-S采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口連接，通用性強。

PSG500-S 的測量范圍為 5×10-2～105Pa，輸出為電壓信號，電壓范圍為0～10.3 V，測量范圍為1.9～10.0 V。電壓與真空室壓力呈對數(shù)關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

或表示為

式中：P為真空室壓力值；U為電壓信號；c為與壓力單位有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)壓力單位為帕?xí)rc=3.572。

由于采用5 V單片機對系統(tǒng)進(jìn)行控制，而真空計的輸出電壓信號最高為10 V，因此先利用差分放大電路對真空計的輸出信號進(jìn)行降壓處理，再經(jīng)過二階壓控電壓源低通濾波電路濾除外界的高頻噪聲干擾。該電路原理如圖2所示。

圖2 真空度信號采集和處理電路Fig.2 Vacuum signal collection and processing circuit

圖2中，真空計的輸出電壓信號接運放U1的同相輸入端，真空計的輸出信號公共端接運放U1的反相輸入端；經(jīng)過處理的電壓信號經(jīng)U2的輸出端直接送入單片機。

2.1.2 電磁閥控制電路

電磁閥是真空管路上重要的控制部件，電磁閥的開關(guān)，可以實現(xiàn)真空管路系統(tǒng)的通斷，進(jìn)而實現(xiàn)對真空室的抽放氣控制。本系統(tǒng)真空管路中電磁閥的額定工作電壓為24 V，由繼電器控制其開合狀態(tài)。單片機引腳的輸出電壓為5 V，由于輸出電流能力有限，達(dá)不到驅(qū)動繼電器的電流強度，無法直接驅(qū)動繼電器，因此加入反向驅(qū)動器MC1413以提高驅(qū)動能力。繼電器HFD4/5的輸出端接電磁閥。電磁閥控制電路原理如圖3所示。

2.1.3 真空泵控制電路

真空泵是真空室獲得真空環(huán)境的主要設(shè)備。對于真空泵本身而言，它只有開啟和關(guān)閉2個動作。真空泵如果保持固定抽速一直運轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定真空度后，高速運轉(zhuǎn)會造成能源的極大浪費，可是如果為了節(jié)約能源而頻繁地啟、停真空泵，啟動時電流大，對電網(wǎng)的沖擊大，機泵效率低，同時又會增加對真空管路的沖擊力，加速部件磨損，縮短設(shè)備的使用壽命。因此，本系統(tǒng)提出對真空泵采用變頻控制——當(dāng)?shù)竭_(dá)一定真空度后通過變頻器降低真空泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

圖3 電磁閥控制電路Fig.3 Electromagnetic valve control circuit

變頻器可通過模擬量輸入來改變輸出頻率，進(jìn)而改變真空泵的轉(zhuǎn)速。由于需要對單片機和變頻器進(jìn)行光電隔離，因此需要將單片機輸出的控制量采用PWM脈沖方式輸出，經(jīng)過光耦TLP521隔離和RC濾波電路后，轉(zhuǎn)換為0～5 V的模擬量信號，此模擬量信號對應(yīng)變頻器的頻率為0～50 Hz，再經(jīng)由二階有源低通濾波電路濾波后，輸出到變頻器對其進(jìn)行控制，進(jìn)而實現(xiàn)對真空泵轉(zhuǎn)速的控制。真空泵控制電路原理如圖4所示，圖中U6的輸出信號直接送入變頻器。

圖4 真空泵控制電路Fig.4 Vacuum pump control circuit

2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括監(jiān)控畫面設(shè)計和控制程序設(shè)計兩部分。

2.2.1 監(jiān)控畫面設(shè)計

為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)采用計算機模擬上位機，通過自行構(gòu)建的基于LabVIEW的監(jiān)控平臺，實時監(jiān)測系統(tǒng)和真空室的狀態(tài)，并對系統(tǒng)進(jìn)行控制。從監(jiān)控界面可以直接觀察到真空室的壓力值，各個電磁閥、真空泵和變頻器的工作狀態(tài)。真空測量與控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺如圖5所示。

圖5 真空測量與控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺Fig.5 Monitoring platform for vacuum measurement and control system

2.2.2 控制程序設(shè)計

在本系統(tǒng)，控制程序完成對小型真空室壓力的實時監(jiān)控，實現(xiàn)每隔0.5 s上傳1次壓力數(shù)據(jù)給上位機進(jìn)行顯示，操作者根據(jù)實時壓力值，發(fā)送相應(yīng)的控制命令，控制真空泵、電磁閥的狀態(tài)和變頻器的頻率。控制程序流程如圖6所示。

圖6 控制程序流程Fig.6 Control flow chart

3 系統(tǒng)測試

將本文設(shè)計的真空測量與控制系統(tǒng)安裝到某真空管路上，采用波紋管模擬真空室，真空泵為ULVAC公司的GLD-201型油旋片式真空泵。

控制系統(tǒng)連接的真空管路共有2條支路，由7個電磁閥、2個變頻器和2個接觸器組成。根據(jù)該真空管路的設(shè)計要求，每個電磁閥實現(xiàn)不同的功能。

首先，對控制系統(tǒng)中的電磁閥進(jìn)行單步測試。在大氣狀態(tài)下，依次撥動監(jiān)控界面上7個電磁閥的開關(guān)，可以聽到電磁閥動作時發(fā)出的聲音，表示電磁閥已打開或關(guān)閉。當(dāng)電磁閥處于打開狀態(tài)時，相應(yīng)的指示燈點亮。測試結(jié)果表明從監(jiān)控界面可以直接控制電磁閥的開關(guān)。

然后，選取其中的一條支路進(jìn)行抽真空控制。打開抽真空主、副電磁閥，真空泵1總開關(guān)，變頻器1開關(guān)；將頻率調(diào)至最大，對真空室（即波紋管）開始抽真空。真空泵保持最大抽速時的監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 真空泵保持最大抽速時的監(jiān)控界面Fig.7 Interface of vacuum pump with maximum speed

當(dāng)真空室壓力降到某一值并基本維持不變時，調(diào)節(jié)真空泵頻率滑條，降低真空泵的轉(zhuǎn)速，如圖8所示。

圖8 調(diào)節(jié)真空泵轉(zhuǎn)速時的監(jiān)控界面Fig.8 Interface of regulating vacuum pump speed

將監(jiān)控界面與外接二次表的顯示值進(jìn)行對比，可以看出，本控制系統(tǒng)對真空室壓力值和變頻器頻率值的測量準(zhǔn)確。

根據(jù)真空泵的標(biāo)識，其最終壓力為6.7×10-2Pa，而真空室的壓力值維持在6.9 Pa不再下降，因此可以判定本真空管路系統(tǒng)存在嚴(yán)重的漏氣現(xiàn)象。為了尋找到漏氣點，在卸掉真空后，分別對抽真空主、副支路進(jìn)行抽真空測試，這2條支路的最終壓力都維持在6.9 Pa，所以判斷主、副支路的電磁閥是完好的。然后再檢查真空管路系統(tǒng)與真空泵和真空室的連接，發(fā)現(xiàn)與真空泵連接的法蘭盤有一道輕微的劃痕，因此斷定是它導(dǎo)致漏氣現(xiàn)象發(fā)生。

最后，拆下出問題的法蘭盤，將各個波紋管接口涂抹真空硅脂，選擇表面光滑無劃痕的法蘭盤重新進(jìn)行連接，提高密封度再次進(jìn)行抽真空試驗，可將真空室壓力降到0.5 Pa以下。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的真空測量與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對小型真空室真空度的測量和控制。通過在該系統(tǒng)中加入變頻控制，可以根據(jù)實際工況調(diào)節(jié)真空泵的頻率，以達(dá)到節(jié)約能源的效果。基于LabVIEW構(gòu)建的監(jiān)控平臺，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行單步調(diào)試，分別檢測各個部件的運行狀態(tài)，為以后的整機調(diào)試帶來方便，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，單步調(diào)試還可以幫助確定故障原因，排查漏氣點。測試結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)各個部件運轉(zhuǎn)正常，對真空室壓力值和變頻器頻率值測量準(zhǔn)確，并能夠在線調(diào)節(jié)變頻器的頻率值，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

[1]張以忱.真空蒸發(fā)鍍膜[J].真空，2013，50（1）：95-96.

[2]王曉東，巴德純，張世偉，等.真空技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[3]王繼常.真空系統(tǒng)設(shè)計[J].真空，1998，35（4）：46-48.

[4]程建，鄔欽崇.一種保持真空室真空度穩(wěn)定的控制系統(tǒng)[J].真空，1999，36（5）：19-22.