基于PLC和组态软件的透射电镜真空控制系统

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航空航天大学 作者:陈川

  按照透射电镜对真空系统的控制要求与真空系统的构成,采用集散控制的思想,建立了以PLC为底层核心控制器,组态王作为集中管理软件的控制系统。上位机组态软件通过以太网与下位PLC 进行通讯与数据交换,实现了较为完备的透射电镜真空系统的控制,该系统已投入使用,真空度符合要求,运行效果良好。

  在透射电子显微镜(TEM)中,真空系统的作用是使镜筒内获得高真空,若镜筒内真空度不佳,则成像的反差降低,电子束发射不稳定,灯丝寿命缩短,而且残余气体会污染样品。因此真空系统的监测与控制就显得尤为重要。可编程逻辑控制器(PLC)具有抗干扰性强、可靠性高、体积小、在线编程、网络功能强大等特点,可以与上位机工业组态软件组成功能完备的控制系统。本文采用三菱Q 系列PLC 与亚控“组态王”软件相结合的方式,很好地实现了对场发射枪透射电子显微镜TDX- 200F1 真空系统的控制,对国内新一代场发射枪透射电子显微镜的成功研制有着重要意义。

  目前,国内外透射电子显微镜(TEM)的真空控制系统主要是采用分立元器件或微电子电路实现的,从原理上看,其可靠性低、移植性差、灵活性不足。本次设计就是弥补上述缺陷,实现更可靠灵活的控制。

1、真空系统总体结构概述

  透射电子显微镜(TEM)真空系统的作用有两方面:一方面保证在电子枪灯丝(即阴极)和地之间加以很高的电压,而空气不会被击穿产生电弧,防止镜筒中的残留气体分子与高速电子碰撞,产生电离放电和散射电子,进而引起电子束不稳定,增加像差,同时也避免残留气体污染样品,加速高热灯丝的氧化,缩短灯丝寿命;另一方面可以将电子和空气原子的撞击频率减小到可以忽略的量级。

  标准的TEM 要求将电子束的通路抽成高真空,通常需要达到10- 4 Pa ~10- 8 Pa 甚至更高。由于TEM 的元件如样品夹具和胶卷盒需要经常插入电子束通路,或者需要更换,系统需要能够重新抽成真空。因此,TEM 不能采用永久密封的方法来保持真空,而是利用隔离阀把电镜主体分为电子枪、镜筒、样品室以及视窗室四个部分以满足上述需求。真空阀门是由气动隔离阀及电磁配气阀组成的,其工作原理是由PLC 通过改变输出端电位的高低来控制电磁配气阀的翻转,改变气压流向以驱动气动隔离阀的开关。TDX- 200F1 整体真空结构及原理如图1所示。

  获得高真空是由各种真空泵来共同配合抽取的。现电镜常用的真空系统是由机械泵油扩散泵涡轮分子泵以及离子泵组合构成。根据本电镜的实际情况,采用机械泵、油扩散泵及溅射离子泵组成的三级抽真空系统。

  抽真空过程是一个具有较强逻辑性的时序动作过程。各个泵和阀门的开关先后顺序必须遵循已经设计好的抽真空工作逻辑,才能保证在预定的时间内镜筒的压力达到所需的压力标准。由于各部分对真空度要求不同,利用三级真空系统,采用先整体后部分,从低真空向高真空逐步抽气的原则, 实现所需的梯度真空。

真空系统结构及原理

图1 真空系统结构及原理

2、控制系统硬件设计

  选用三菱Q 系列PLC 作为底层控制的核心器件,由配有亚控公司“组态王”的上位工控计算机(IPC)对系统进行全面的监控和管理。控制各个泵、空压机、水冷以及阀门的开关,并对其运行情况以及真空度进行监测;将反馈的状态信号送至上位机进行显示,并根据实时状态判断将要进行的动作;储存必要的状态信息,以便通过以太网送至上位机进行处理,并对上位机发出的指令做出反应。

  上位工控机与下位PLC 相互通信构成一个完整的监控系统,同时一旦上位IPC 出现故障,下位PLC 可脱离上位机独立工作,确保现场设备安全连续的运行。本系统IPC 与PLC 之间采用以太网进行通讯,上位监控画面采用组态王6.53开发。组态王通过驱动程序与外部设备进行数据

  交换,包括采集数据和发送数据及指令,通过以太网模块访问PLC 相关的寄存器,以读取PLC 所控制设备的状态或对相关寄存器进行写入。组态王提供了一种数据定义方法,在数据词典中定义了I/O 变量后,相应变量名可直接用于系统控制、操作显示、数据记录和报警提示等,而无需编写组态王读写PLC 寄存器的协议。

真空系统控制框图

图2 真空系统控制框图

  除了用到了PLC 的基本模块外,本次设计还用到了A/D、D/A 转换模块,用来接收监测过程数据例如真空度、电流值等;采用温度模块来监测温度值;采用以太网模块与上位机通讯。

3、控制系统软件设计

  真空控制系统运行的过程中,各个阀门与真空度、各个泵的运行情况必须互相关联,以实现复杂逻辑以及对故障的快速应对。由于各种关联变量较多、时序性强,为了提高系统的稳定性、安全性、确保各动作间的相互制约关系和逻辑关系,在程序编写时,必须进行全面的考虑。考虑到真空系统控制只是整个透射电镜控制的一部分,因此将真空控制部分作为子程序来调用。在此子程序中又分为手动程序、自动程序、循环程序、故障报警程序等,使程序易于阅读、调试方便、可移植性好。

  整体控制程序设置了真空开机及真空关机的自动功能,自动开关机流程如图3 及图4 所示。真空循环中设置了换样品时对样品室单独进行抽放气的自动功能,换照相底片时对照相室单独进行抽放气的自动功能,某些特殊情况下对镜筒部分单独抽放气的自动功能等。

  真空保护中设置了电子枪高真空漏气保护、镜筒漏气保护、样品室漏气保护、气压不足保护、油散泵过热保护等功能,当突然发生停电、水冷故障、漏气或其它操作失误时,电镜能自动切断高压,自动关闭相应的隔离阀及真空泵,以避免高压放电,灯丝过热氧化,污染镜筒和扩散泵油氧化等危险。

真空系统自动开机流程图

图3 真空系统自动开机流程图

  需要注意的是手动操作方式仅在真空系统出现异常情况下,需要查找故障进行维修时所使用的一种方式,需专业人员使用,以避免操作不当而引起的不良后果。

图4 真空系统自动关机流程图

4、上位机监控设计

  上位机监控设计采用组态王软件。组态王是一种工业组态软件,它自带大量的I/O 设备驱动程序,用户可以方便地构建实时的监控系统。为了使控制系统有一个良好的人机交互环境,在组态王中开发了监控画面、实时柱状图、历史曲线图、报警画面,从而可实现对现场的实时监控。

  主登陆画面中,需要系统调试或维护人员输入密码后登陆,以获得相应权限,可进行手动操作及系统修改,普通用户直接进入真空监控画面,可进行一般监控及操作。

  真空系统监控的对象有各个气动阀、电磁阀的开闭状态,机械泵、油扩散泵以及离子泵的启停状态,电镜各部分真空度的监测,气泵的压力报警,水冷的控制及报警,油扩散泵温度检测及报警,真空开关机的自动和手动控制按钮,各部分循环抽真空相关按钮,启动完成指示,总控及系统急停等。真空系统监控画面如图5 所示。

真空系统监控画

图5 真空系统监控画

5、结束语

  本文研究的基于PLC 和组态软件的透射电镜真空控制系统,既利用了PLC 可靠性高、抗干扰能力强等特点,又利用了组态软件具有强大的数据处理和图形表现能力的优势,融合了较为先进的自动化技术与通讯技术,具有可靠性高、操作简单、易于维护等特点。该方案已成功应用于TDX- 200F1 场发射枪透射电镜真空系统的设备监控中,取得了较为满意的结果,对真空控制系统的设计具有一定的借鉴意义。

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