基于LabVIEW的氣體凈化控制系統(tǒng)設計

李樂斌，齊 鑫，呂衛(wèi)星，吳全鋒，胡石林

LI Le-bin, QI Xin, LV Wei-xing, WU Quan-feng, HU Shi-lin

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

三氟化硼是有機合成和石油化工中廣泛應用的一種催化劑，在很多有機反應如烷基化、聚合、異構化、加成、縮合及分解等過程中都有應用[1]。高純?nèi)鹗请娮庸I(yè)和光纖工業(yè)的重要原料之一，是半導體工藝中進行離子注入用的重要摻雜源[2]。該氣體的純度直接影響著電子器件的性能，因此提高三氟化硼的純度對于解決目前電子工業(yè)對其需求至關重要。實驗室自行建立了一套三氟化硼氣體凈化試驗裝置，其簡易工藝流程是三氟化硼粗氣先經(jīng)過冷卻器（溫度-90℃～-96℃），BF3粗氣中的重組分氣體SO2、CO2、SiF4、硫酸鹽等被冷凝下來，再經(jīng)液化器（溫度-100℃～-120℃），對產(chǎn)品氣體進行低溫蒸餾操作，除去低沸點雜質(zhì)氣體，實現(xiàn)三氟化硼氣體的凈化。該工藝的關鍵點在于溫度的控制，通過控制液氮和三氟化硼氣體的流量能夠有效控制溫度。結(jié)合試驗裝置和工藝特點，本文設計了一套基于LabVIEW的氣體凈化控制系統(tǒng)，利用儀器、功能卡件與工控機的通訊和LabVIEW軟件功能實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、流量、真空度等信號的連續(xù)采集、存儲、歷史曲線、報警等功能。通過長期試驗運行表明該系統(tǒng)滿足設計要求，可以很好的實現(xiàn)對工藝參數(shù)的測量與控制，保證了試驗的穩(wěn)定運行。

1 測量系統(tǒng)硬件組成

基于LabVIEW的氣體凈化控制系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示，實驗室自建的試驗裝置如圖2所示。該控制系統(tǒng)硬件主要由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、各種通訊卡、繼電器卡、數(shù)字電壓表等組成。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構圖

圖2 試驗裝置

在三氟化硼氣體凈化試驗裝置中，系統(tǒng)的低溫真空環(huán)境由液氮、真空泵機組提供。試驗裝置中用到的低溫溫度計由中國科學院低溫計量測試站檢定，分度溫區(qū)55K-300K，準確度0.1K。低溫溫度計的安裝可以參考文獻[3]。采集低溫溫度所用的Keithley2750數(shù)字電壓表是六位半精度，1Ω量程的分辨率為1μΩ，能夠完成電壓、電流、頻率、電阻、溫度等十四種功能的精密測量工作，其通過GPIB接口與工控機相連。選用7708型40通道差分輸入接口卡配合數(shù)字電壓表，可以實現(xiàn)40通道兩線輸入或20通道四線輸入。本試驗裝置中的低溫溫度采用四線制方法測量，通過2750數(shù)字電壓表采集電阻信號。在滿足測量精度、采集速率和穩(wěn)定性等要求的情況下，采用研華PCI系列采集卡采集其他工藝參數(shù)信號，其中PCI1747U采集壓力液位信號，PCI1671、PCI1622C和MOXA CP-168U分別通過GPIB、RS485、RS232總線接口與工控機通訊，實現(xiàn)低溫溫度、流量計、真空信號采集?？刂葡到y(tǒng)通過PCI1762繼電器卡和報警電路實現(xiàn)聲光報警，緊急情況下實現(xiàn)聯(lián)鎖保護。

2 測量系統(tǒng)軟件設計

LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于圖形方式的集成化程序開發(fā)環(huán)境，在以PC機為基礎的測量和工控軟件中，LabVIEW因為其靈活方便和直觀特性得到了十分廣泛的應用。LabVIEW為虛擬儀器設計者提供了一個便捷、輕松的設計環(huán)境。利用它，設計者可以像搭積木一樣輕松組建一個測量系統(tǒng)和構造自己的儀器面板，而無需進行任何繁瑣的計算機代碼的編寫[4]。適用于實驗室及小批量生產(chǎn)線等經(jīng)常需要改變儀器和設備參數(shù)功能的場合[5]。本文在工控機、數(shù)字電壓表、采集卡和通訊卡等硬件的基礎上，通過LabVIEW編寫程序，實現(xiàn)對工藝參數(shù)的實時采集、信號處理、歷史趨勢圖、報警、存儲等功能。

2.1 前面板設計

前面板作為LabVIEW軟件的用戶界面，能夠有效的將采集的信息顯示在畫面中，并且該界面上有交互式的輸入輸出控件，模擬真實儀表的前面板，設置輸入數(shù)值和觀察輸出量。前面板還包括時間，設備狀態(tài)顯示界面，方便試驗人員觀察運行情況，及時調(diào)節(jié)參數(shù)設置。前面板設計如圖3所示。

圖3 前面板設計

2.2 程序框圖設計

每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。程序框圖是實現(xiàn)VI邏輯功能的圖形化源代碼。程序中通過連線將相應函數(shù)、控件、常量和變量連接起來，實現(xiàn)不同的功能[6]。試驗裝置控制系統(tǒng)的程序設計主要包括壓力和液位信號采集、低溫溫度信號采集、流量和真空采集、報警輸出等。

1）壓力和液位信號采集：壓力和液位傳感器輸出4mA～20mA信號，經(jīng)過信號調(diào)理后變成1～5V信號進入數(shù)據(jù)采集卡。在NI驅(qū)動程序支持下采用DeviceOpen.vi、AIConfig.vi、AIvoltageIn.vi和DeviceClose.vi等函數(shù)，對PCI1747U進行控制采集電壓信號，最后進行數(shù)據(jù)處理得到壓力和液位信號。

2）低溫溫度信號采集：首先編寫LabVIEW程序規(guī)定數(shù)字電壓表工作在四線制模式下，然后通過GPIB寫指令發(fā)送測量數(shù)據(jù)命令，命令的格式與要求可以參考儀表說明書，然后讀取數(shù)據(jù)節(jié)點返回測量數(shù)據(jù)。部分GPIB程序如圖4所示。儀表測量數(shù)據(jù)是溫度計的實時電阻值，還需編寫查表程序得到溫度值。每支低溫溫度計都有各自的分度表，通過查表計算的方法得到實時溫度值。

圖4 部分GPIB程序

3）流量和真空采集：通過RS232和RS485通訊接口，首先配置串口，包括地址、波特率、數(shù)據(jù)比特、奇偶性等，然后寫入讀取參數(shù)值命令，得到測量數(shù)據(jù)。程序結(jié)構框圖如圖5所示，流量計通訊程序如圖6所示。

圖5 程序結(jié)構框圖

圖6 流量計通訊程序

4）報警輸出：當工藝參數(shù)異常時，控制系統(tǒng)輸出報警信號，驅(qū)動聲光報警裝置，提醒運行人員注意工藝運行狀態(tài)。編寫程序的具體做法是在NI驅(qū)動程序支持下采用DeviceOpen.vi、DIOWriteBit.vi、和DeviceClose.vi等函數(shù)，控制PCI1762卡繼電器輸出狀態(tài)來驅(qū)動報警電路，實現(xiàn)報警與連鎖功能。

測量點實時數(shù)據(jù)動態(tài)顯示和刷新，數(shù)據(jù)實時顯示在系統(tǒng)流程圖相應位置上。曲線顯示包括壓力、溫度、流量等參數(shù)的實時數(shù)據(jù)趨勢圖、歷史曲線圖，反映了數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。同一類變量參數(shù)在同一圖表中顯示采用不同的線形和顏色加以區(qū)。采集的所有數(shù)據(jù)以文本文件格式存儲，幫助試驗人員對數(shù)據(jù)進行進一步分析處理。

3 結(jié)束語

根據(jù)試驗裝置和工藝的特點，開發(fā)了一套基于LabVIEW的氣體凈化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用戶界面友好，操作簡便，程序清晰易讀，可移植性好。程序調(diào)試及試驗結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運行可靠，測量數(shù)據(jù)準確，易于操作，滿足工藝要求。

[1]丁洪生,權成光,張志峰.BF3催化C8～C13混合烯烴的聚合工藝[J].遼寧石油化工大學學報,2006,26(1):5-7.

[2]熊愛國,熊有平,張茵芳,等.用三氟化硼氣體進行離子滲硼[J].國外金屬熱處理,2002,23(6):21-24.

[3]陳飛云,龍風,劉方,等.CERNOX CX-SD低溫溫度計使用方法[J].低溫物理學報,2011,33(4):301-304.

[4]陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2007.

[5]陶貴生.LabVIEW實現(xiàn)的制冷及低溫實驗測試系統(tǒng)開發(fā)[J].中國測試技術,2005,31(6):20-22.

[6]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.