基于PLC 和MCGS 的超高靈敏度檢漏儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉筱文，王 毅，蔡宇宏，韓仙虎，李正清，李小金，馬鳳英

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

隨著真空科技的發(fā)展，各類真空器件層出不窮，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。真空壽命是真空器件最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，主要取決于封裝后的泄漏漏率和器件內(nèi)部的材料放氣，為了保證真空器件的真空壽命，通常需要其封裝結(jié)構(gòu)具有極小的漏率，這對(duì)于檢漏儀的檢測(cè)靈敏度提出了非常高的要求[1-2]。因此，研發(fā)具有超高靈敏度的檢漏儀意義重大。

本文所述超高靈敏度檢漏儀（以下簡(jiǎn)稱“超高檢”）為蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LIP-CGJ315型多工位超高靈敏度檢漏儀，其最小可檢漏率指標(biāo)為3×10-15Pa·m3/s，首臺(tái)產(chǎn)品實(shí)測(cè)最小可檢漏率達(dá)9.96×10-16Pa·m3/s。該產(chǎn)品已申請(qǐng)外觀專利（專利號(hào)為CN306477159S），超高靈敏度檢漏儀殼體如圖1 所示。產(chǎn)品系統(tǒng)及方法已申請(qǐng)發(fā)明專利（專利號(hào)為CN1121468 18B 和CN114459697A）[3-5]。本文主要介紹超高檢的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 超高靈敏度檢漏儀殼體

1 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

為了使超高檢獲得更高的靈敏度和更好的測(cè)試性能，設(shè)計(jì)一款優(yōu)良的控制系統(tǒng)對(duì)超高檢設(shè)備本身而言尤為重要。但考慮到設(shè)備的制造成本和經(jīng)濟(jì)效益，需要性能與成本均衡匹配。MCGS 是市場(chǎng)擁有量最大的國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件，它既有強(qiáng)大的顯示組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)和仿真功能，還有基于BASIC 語(yǔ)言的腳本功能。工控組態(tài)軟件在近10 年來(lái)發(fā)展迅速，品牌多，適應(yīng)各種主流PLC 控制[6]。因此，本文設(shè)計(jì)了一款基于PLC 及MCGS 組態(tài)軟件的超高檢控制系統(tǒng)。利用PLC 實(shí)現(xiàn)控制功能，由MCGS 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)交換、查詢輸出等功能。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，系統(tǒng)整體主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成[7]。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

工控機(jī)與PLC 之間通過(guò)網(wǎng)線使用Modbus 協(xié)議進(jìn)行通信，工控機(jī)與質(zhì)譜計(jì)之間通過(guò)網(wǎng)線使用OPC 協(xié)議進(jìn)行通信。工控機(jī)與顯示器之間通過(guò)HDMI 接口連接。PLC、工控機(jī)、質(zhì)譜計(jì)都設(shè)置有IP 地址，另外，為了便于調(diào)試設(shè)備，PLC 編程用的計(jì)算機(jī)也需要設(shè)置IP 地址，本系統(tǒng)中所有設(shè)備IP 地址都在同一網(wǎng)段[8]。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

超高檢控制系統(tǒng)的硬件核心部件主要由PLC 模塊和工控機(jī)構(gòu)成，其中PLC 模塊選用菲尼克斯的ILC 171 ETH 2TX，工控機(jī)選用研華嵌入式工控機(jī)ARK-2120。另外還有顯示器、電源、溫度模塊、AI 模塊、DI 模塊、DO模塊、繼電器等硬件。顯示器選用ELO 的顯示屏E326347，電源模塊選用臺(tái)灣明緯導(dǎo)軌電源SDR-960-24v，系統(tǒng)輸入端子、輸出端子接線原理圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)輸入端子、輸出端子接線原理圖

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

超高檢控制系統(tǒng)的軟件程序主要包括兩部分，即PLC 程序部分和上位機(jī)輔助程序部分。PLC 程序通過(guò)菲尼克斯的PC WORX 軟件進(jìn)行編寫，上位機(jī)輔助程序應(yīng)用MCGS 組態(tài)軟件完成，通過(guò)編輯腳本程序及“運(yùn)行策略”控制超高靈敏度檢漏儀內(nèi)部閥門的開(kāi)關(guān)、真空泵的啟停以及數(shù)據(jù)的采集等，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀況以達(dá)到預(yù)期控制的效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

設(shè)備開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行設(shè)備自檢，判斷設(shè)備自身系統(tǒng)是否具備檢測(cè)狀態(tài)、系統(tǒng)真空是否達(dá)標(biāo)。若在自檢過(guò)程中出現(xiàn)故障，則立即停止設(shè)備運(yùn)行，并根據(jù)自檢程序的彈窗進(jìn)行故障排查。故障解除后，再次進(jìn)行設(shè)備自檢，直至設(shè)備自檢合格狀態(tài)，自檢合格后才能進(jìn)行功能模塊的選擇以及后續(xù)的檢測(cè)步驟。

設(shè)備主程序流程圖如圖4 所示，在設(shè)備自檢合格狀態(tài)（此時(shí)也稱為待機(jī)狀態(tài)）可選擇粗檢、精檢和其他功能模塊（如圖5 子程序流程圖）。選擇對(duì)應(yīng)模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。其他功能包括烘烤除氣、充氣置換、激活泵、手動(dòng)模式。烘烤除氣模塊的功能是去除真空管路內(nèi)壁吸附的難以抽走的氣體及水汽。充氣置換模塊的功能是置換真空管路腔室內(nèi)部的氦氣。激活泵模塊的功能為激活泵組性能。手動(dòng)模式可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，可對(duì)每個(gè)部件單獨(dú)控制，因此該模式需要有權(quán)限的人員才能進(jìn)入操作。除手動(dòng)模式外，每個(gè)功能模塊均為自動(dòng)程序，按照提示進(jìn)行操作即可，方便快捷，檢測(cè)效率很高。

圖4 主程序流程圖

圖5 子程序流程圖

3.2 MCGS 組態(tài)設(shè)計(jì)

在組態(tài)環(huán)境下，MCGS 組態(tài)軟件所建立的工程主要由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略五部分組成。各部分分別進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)操作，完成不同的功能，最終形成一個(gè)統(tǒng)一的整體控制系統(tǒng)[9]。

3.2.1 工程建立及設(shè)備窗口組建

打開(kāi)MCGS 組態(tài)軟件建立一個(gè)工程，命名為超高靈敏度檢漏儀。工程建立后進(jìn)行設(shè)備窗口的組建，進(jìn)入設(shè)備窗口添加“通用串口父設(shè)備”為串口之間通信提供環(huán)境，在此基礎(chǔ)上從“設(shè)備管理”中增加“Modbus 串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備”作為“通用串口父設(shè)備”的子設(shè)備[10-11]。本系統(tǒng)中，由于質(zhì)譜計(jì)僅支持OPC 通信，因此質(zhì)譜計(jì)與工控機(jī)之間為基于OPC 通信的數(shù)據(jù)交換，需要建立OPC 設(shè)備[12]。工控機(jī)與PLC 之間基于Modbus 通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，建立了標(biāo)準(zhǔn)ModbusTCP 子設(shè)備，如圖6 所示。

圖6 設(shè)備窗口組建圖

在OPC 設(shè)備創(chuàng)建后，雙擊打開(kāi)，在OPC 設(shè)備屬性欄下可進(jìn)行設(shè)備名稱、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、最小采集周期等設(shè)置。在通道連接欄下可添加質(zhì)譜計(jì)中的數(shù)據(jù)連接對(duì)象以及通道名稱、類型等內(nèi)容。在設(shè)備調(diào)試欄下可進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信測(cè)試[13-18]，如圖7 所示。

圖7 OPC 設(shè)備窗口

3.2.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

在用戶窗口可建立整個(gè)人機(jī)交互所需要的界面，根據(jù)相關(guān)要求和客戶需要設(shè)計(jì)需要的界面，包括歡迎界面、自檢、待機(jī)、檢測(cè)界面等。設(shè)備歡迎界面設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 歡迎界面設(shè)計(jì)

在對(duì)超高檢進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到用戶的使用習(xí)慣以及操作的便利性，設(shè)計(jì)了自動(dòng)界面和手動(dòng)操作界面。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后默認(rèn)進(jìn)入自動(dòng)操作界面，如果要進(jìn)行手動(dòng)操作，則需要設(shè)備管理員權(quán)限登錄后才能進(jìn)入。不同的功能具有不同的界面，相同的界面可以共同調(diào)用，界面間關(guān)系圖如圖9 所示。

圖9 界面間關(guān)系圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于PLC 和MCGS 的超高靈敏度檢漏儀控制系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用在設(shè)備上并實(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品的銷售，獲得了客戶的一致好評(píng)。PLC 和MCGS 的結(jié)合充分利用了PLC 的極高可靠性、極強(qiáng)的抗干擾能力和MCGS 的可視化操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控、良好的可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)工控機(jī)與PLC 之間的Modbus 通信以及與質(zhì)譜計(jì)之間的OPC 通信，實(shí)現(xiàn)了底層數(shù)據(jù)的交換，提高了超高檢的靈敏度和自動(dòng)化水平，減少了檢漏操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減小了誤操作的可能性，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。