基于PLC 和MCGS 的超高灵敏度检漏仪控制系统设计

刘筱文，王 毅，蔡宇宏，韩仙虎，李正清，李小金，马凤英

（兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

随着真空科技的发展，各类真空器件层出不穷，其应用领域也在不断扩展。真空寿命是真空器件最重要的技术指标之一，主要取决于封装后的泄漏漏率和器件内部的材料放气，为了保证真空器件的真空寿命，通常需要其封装结构具有极小的漏率，这对于检漏仪的检测灵敏度提出了非常高的要求[1-2]。因此，研发具有超高灵敏度的检漏仪意义重大。

本文所述超高灵敏度检漏仪（以下简称“超高检”）为兰州空间技术物理研究所研制的LIP-CGJ315型多工位超高灵敏度检漏仪，其最小可检漏率指标为3×10-15Pa·m3/s，首台产品实测最小可检漏率达9.96×10-16Pa·m3/s。该产品已申请外观专利（专利号为CN306477159S），超高灵敏度检漏仪壳体如图1 所示。产品系统及方法已申请发明专利（专利号为CN1121468 18B 和CN114459697A）[3-5]。本文主要介绍超高检的控制系统设计。

图1 超高灵敏度检漏仪壳体

1 控制系统整体方案设计

为了使超高检获得更高的灵敏度和更好的测试性能，设计一款优良的控制系统对超高检设备本身而言尤为重要。但考虑到设备的制造成本和经济效益，需要性能与成本均衡匹配。MCGS 是市场拥有量最大的国产组态软件，它既有强大的显示组态、数据库和仿真功能，还有基于BASIC 语言的脚本功能。工控组态软件在近10 年来发展迅速，品牌多，适应各种主流PLC 控制[6]。因此，本文设计了一款基于PLC 及MCGS 组态软件的超高检控制系统。利用PLC 实现控制功能，由MCGS 组态软件实现实时监控、数据交换、查询输出等功能。本系统总体设计结构如图2 所示，系统整体主要由硬件系统和软件系统组成[7]。

图2 系统总体设计结构图

工控机与PLC 之间通过网线使用Modbus 协议进行通信，工控机与质谱计之间通过网线使用OPC 协议进行通信。工控机与显示器之间通过HDMI 接口连接。PLC、工控机、质谱计都设置有IP 地址，另外，为了便于调试设备，PLC 编程用的计算机也需要设置IP 地址，本系统中所有设备IP 地址都在同一网段[8]。

2 控制系统的硬件设计

超高检控制系统的硬件核心部件主要由PLC 模块和工控机构成，其中PLC 模块选用菲尼克斯的ILC 171 ETH 2TX，工控机选用研华嵌入式工控机ARK-2120。另外还有显示器、电源、温度模块、AI 模块、DI 模块、DO模块、继电器等硬件。显示器选用ELO 的显示屏E326347，电源模块选用台湾明纬导轨电源SDR-960-24v，系统输入端子、输出端子接线原理图如图3 所示。

图3 系统输入端子、输出端子接线原理图

3 控制系统的软件设计

超高检控制系统的软件程序主要包括两部分，即PLC 程序部分和上位机辅助程序部分。PLC 程序通过菲尼克斯的PC WORX 软件进行编写，上位机辅助程序应用MCGS 组态软件完成，通过编辑脚本程序及“运行策略”控制超高灵敏度检漏仪内部阀门的开关、真空泵的启停以及数据的采集等，实时获取设备的运行状况以达到预期控制的效果。系统设计的参数指标如表1所示。

表1 系统技术指标

3.1 PLC 程序设计

设备开机后，首先进行设备自检，判断设备自身系统是否具备检测状态、系统真空是否达标。若在自检过程中出现故障，则立即停止设备运行，并根据自检程序的弹窗进行故障排查。故障解除后，再次进行设备自检，直至设备自检合格状态，自检合格后才能进行功能模块的选择以及后续的检测步骤。

设备主程序流程图如图4 所示，在设备自检合格状态（此时也称为待机状态）可选择粗检、精检和其他功能模块（如图5 子程序流程图）。选择对应模块可实现对应的功能。其他功能包括烘烤除气、充气置换、激活泵、手动模式。烘烤除气模块的功能是去除真空管路内壁吸附的难以抽走的气体及水汽。充气置换模块的功能是置换真空管路腔室内部的氦气。激活泵模块的功能为激活泵组性能。手动模式可实现手动控制，可对每个部件单独控制，因此该模式需要有权限的人员才能进入操作。除手动模式外，每个功能模块均为自动程序，按照提示进行操作即可，方便快捷，检测效率很高。

图4 主程序流程图

图5 子程序流程图

3.2 MCGS 组态设计

在组态环境下，MCGS 组态软件所建立的工程主要由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成。各部分分别进行组态设计操作，完成不同的功能，最终形成一个统一的整体控制系统[9]。

3.2.1 工程建立及设备窗口组建

打开MCGS 组态软件建立一个工程，命名为超高灵敏度检漏仪。工程建立后进行设备窗口的组建，进入设备窗口添加“通用串口父设备”为串口之间通信提供环境，在此基础上从“设备管理”中增加“Modbus 串口数据转发设备”作为“通用串口父设备”的子设备[10-11]。本系统中，由于质谱计仅支持OPC 通信，因此质谱计与工控机之间为基于OPC 通信的数据交换，需要建立OPC 设备[12]。工控机与PLC 之间基于Modbus 通信进行数据交换。因此，建立了标准ModbusTCP 子设备，如图6 所示。

图6 设备窗口组建图

在OPC 设备创建后，双击打开，在OPC 设备属性栏下可进行设备名称、网络节点、最小采集周期等设置。在通道连接栏下可添加质谱计中的数据连接对象以及通道名称、类型等内容。在设备调试栏下可进行数据的通信测试[13-18]，如图7 所示。

图7 OPC 设备窗口

3.2.2 人机交互界面设计

在用户窗口可建立整个人机交互所需要的界面，根据相关要求和客户需要设计需要的界面，包括欢迎界面、自检、待机、检测界面等。设备欢迎界面设计如图8所示。

图8 欢迎界面设计

在对超高检进行人机交互界面设计时，考虑到用户的使用习惯以及操作的便利性，设计了自动界面和手动操作界面。系统开机后默认进入自动操作界面，如果要进行手动操作，则需要设备管理员权限登录后才能进入。不同的功能具有不同的界面，相同的界面可以共同调用，界面间关系图如图9 所示。

图9 界面间关系图

4 结 语

本文设计的基于PLC 和MCGS 的超高灵敏度检漏仪控制系统已经成功地应用在设备上并实现了该产品的销售，获得了客户的一致好评。PLC 和MCGS 的结合充分利用了PLC 的极高可靠性、极强的抗干扰能力和MCGS 的可视化操作、实时监控、良好的可维护性等优点，通过工控机与PLC 之间的Modbus 通信以及与质谱计之间的OPC 通信，实现了底层数据的交换，提高了超高检的灵敏度和自动化水平，减少了检漏操作人员的劳动强度，减小了误操作的可能性，具有一定的推广应用价值。