真空排氣裝置自動控制系統(tǒng)設(shè)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(xué)院，上海 200000；2.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中國科學(xué)院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083；3.中國科學(xué)院研究生院，北京 100039)

0 引言

航天應(yīng)用紅外探測器的可靠性要求高，其在發(fā)射上天之前，一般均須在地面上對其進(jìn)行壽命試驗以獲取其壽命指標(biāo)；壽命試驗是指在一批產(chǎn)品中選取一定數(shù)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(jìn)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(huán)境。

傳統(tǒng)的航天紅外探測器壽命試驗的試驗設(shè)備的真空系統(tǒng)由排氣臺與多個杜瓦（試驗容器）組成，試驗中高真空環(huán)境的獲取是通過排氣臺定期手動對杜瓦抽真空實現(xiàn)，操作人員憑借經(jīng)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(jìn)行試驗，從而導(dǎo)致器件損毀[2]。傳統(tǒng)壽命試驗設(shè)備除了真空抽取不及時的缺點外，因進(jìn)行壽命試驗的紅外探測器數(shù)目較多，試驗時間長，進(jìn)行一次壽命試驗需要大量的人力物力。為此,我們設(shè)計了一套新型航天紅外探測器的真空系統(tǒng)[3]。

基于可編程邏輯控制器（PLC）高穩(wěn)定性和抗干擾性[4,5]，本文采用工業(yè)控制器PLC為控制中心，對文獻(xiàn)[3]中的真空系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制，自動維持壽命試驗所須的真空條件并實現(xiàn)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(tǒng)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(zhuǎn)接頭CX，其中CX帶有為VCR快速拆裝接頭，可與待排杜瓦進(jìn)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(jī)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(jī)械泵。當(dāng)某個工位需要進(jìn)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(jìn)行排氣。

1.2 真空排氣裝置的控制要求

控制系統(tǒng)的分析計可分為兩種，即溫度計和真空計，杜瓦內(nèi)的溫度計測得溫度，經(jīng)過真空度與制冷溫度之間的關(guān)系，可轉(zhuǎn)化為杜瓦內(nèi)真空度；真空計測得的真空為主腔體的真空度，控制系統(tǒng)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(yōu)先級；重抽優(yōu)先級高于初次排氣；

4)同批次試驗的杜瓦須同時進(jìn)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(shù)（設(shè)備運行時間、工位使用情況、儀表數(shù)值顯示報警信息及報警值數(shù)值等），均可在觸摸屏中設(shè)定或顯示；

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

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

真空自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由監(jiān)控計算機(jī)(內(nèi)置LabVIEW軟件)、控制中心(Siemens S7－300)、觸摸屏和現(xiàn)場執(zhí)行部件（閥門、分子泵控制器和溫控儀）四部分組成。PLC實現(xiàn)所有的現(xiàn)場控制，監(jiān)控計算機(jī)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和存儲，觸摸屏實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的設(shè)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(wǎng)絡(luò)。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

上位機(jī)選用dell筆記本，內(nèi)置Siemens CP5711通信卡，安裝虛擬儀器LabVIEW軟件。上位機(jī)通過PROFIBUS-DP總線與PLC實現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)交換。在真空自動控制系統(tǒng)中，上位機(jī)可監(jiān)視現(xiàn)場全部運行信息，對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，全面執(zhí)行報警和儲存功能。

系統(tǒng)的PLC選用Siemens S7－300PLC(S7-315-2DP)。系統(tǒng)的I/O點數(shù)為169點，其中，模擬量輸入AI點數(shù)目為63；數(shù)字量輸出DO點數(shù)目為104，數(shù)字量輸入DI數(shù)目為2，因此系統(tǒng)采用2機(jī)架結(jié)構(gòu)[6]，8個模擬量輸入模塊SM331位于第一機(jī)架，將所有的AI信號讀入PLC總站，4個數(shù)字量輸出模塊SM322和1個數(shù)字量輸入模塊SM321位于第二機(jī)架，實現(xiàn)所有數(shù)字量信號輸入輸出。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

真空系統(tǒng)軟件分為PLC控制軟件、觸摸屏人機(jī)界面軟件和LabVIEW軟件3部分。PLC程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷與控制執(zhí)行等功能；觸摸屏程序通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問和修改PLC變量，實現(xiàn)控制功能，數(shù)據(jù)、狀態(tài)的輸出，顯示等功能；LabVIEW軟件實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和報警信息的存儲功能。

3.1 PLC程序設(shè)計

根據(jù)上述的真空系統(tǒng)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(yōu)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(jù)上述工作要點，可將所有的杜瓦的工作狀態(tài)分為如表1所示的幾種隊列；初排等待隊列的設(shè)定是用于實現(xiàn)杜瓦隨時加入排氣的功能，設(shè)備操作員無須等待優(yōu)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(xiàn)杜瓦并行處理的功能，當(dāng)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(jìn)行排氣；重抽隊列是用于實現(xiàn)杜瓦間歇性抽氣功能，杜瓦排氣完成一段時間，若杜瓦內(nèi)真空上升至一定壓強(qiáng)后，可僅重抽隊列進(jìn)行再次排氣；對于各個隊列的優(yōu)先級處理，優(yōu)先級執(zhí)行按照表格自下往上執(zhí)行；抽氣的流程圖如圖4所示。

表1 杜瓦工作狀態(tài)隊列表

圖4 抽氣控制流程圖

3.2 觸摸屏人機(jī)界面程序設(shè)計

觸摸屏監(jiān)控界面軟件采用Wincc flexible設(shè)計。它是一款功能強(qiáng)大的觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計軟件，可使用此軟件為人機(jī)界面設(shè)備創(chuàng)建操作員面板并配置操作參數(shù)[7]。它提供了設(shè)計人機(jī)界面項目（包括從數(shù)據(jù)采集到創(chuàng)建并顯示動畫等各種任務(wù)）所需的所有工具。根據(jù)監(jiān)控軟件實現(xiàn)的具體功能，本軟件設(shè)計了以下界面。

1）初始界面。主界面直觀地顯示了真空系統(tǒng)的主要設(shè)備的工作狀況及系統(tǒng)的真空度，若查看更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，則點擊相應(yīng)的圖標(biāo)或者按鍵，進(jìn)入詳細(xì)數(shù)據(jù)界面。

2）主界面。將設(shè)備的所有數(shù)量開關(guān)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(tǒng)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(jìn)行試驗或退出試驗，可點擊相應(yīng)的工位的按鈕，實現(xiàn)杜瓦隨時加入或退出排氣；

4）報警界面。集中顯示分子泵、機(jī)械泵、溫控儀、插板閥等相關(guān)故障信息。一旦系統(tǒng)發(fā)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(fù)位按鈕等組成，設(shè)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(fù)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(tǒng)中的任一閥門和任一加熱器開關(guān)，起停分子泵、機(jī)械泵等。

6）參數(shù)設(shè)置。供操作員設(shè)定工位的烘烤溫度、杜瓦預(yù)定保持時間、工位排氣完成真空度，初排動作時間等；

7）數(shù)據(jù)顯示。顯示真空排氣工位處的參數(shù)和相關(guān)操作。

8）用戶管理。設(shè)置用戶信息，用于用戶登陸等；

3.3 PC程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用PROFIBUS通信，通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)讀取S7-300中采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和故障信息[8]。PC上位機(jī)需安裝LabVIEW軟件，利用軟件隱含了NI的OPC Client，可與SIEMENS的OPC Server進(jìn)行通訊[9]，從而實現(xiàn)PC與PLC的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而定時對常規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。PC機(jī)上只有一個主監(jiān)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(jié)束語

基于PLC開發(fā)的真空自動控制系統(tǒng)，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(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集、真空系統(tǒng)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(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)存儲有利于管理人員對重要數(shù)據(jù)進(jìn)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(jù)。

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