小型真空室真空测量与控制系统的设计与实现

麻 硕，邱忠义，陈卓哲

（北京金自天正智能控制股份有限公司 轧钢传动事业部，北京 100070）

在工业和实验室应用的很多场合中，都会需要小型真空室，如真空干燥、真空镀膜[1]、真空制造和真空检测[2]等。根据不同的应用环境，对真空室真空度的需求也各不相同。典型的真空控制系统，一般由真空室、真空计、真空管路、阀门和真空泵组成，基本功能为抽真空、真空保持和进气[3]。影响真空度的因素很多，诸如真空室中是否有输入气体或反应气体存在、真空室内壁的放气率、真空泵的抽速、真空管路接口的密封是否良好等，因此真空泵需要连续工作以维持真空度的动态平衡[4]。然而，若真空室到达极限真空度而真空泵仍以最大转速运行，会造成严重的能源浪费。对此，本文提出并设计了一种适用于中高真空度、带变频控制的小型真空室真空测量与控制系统，并对其进行了试验验证。

1 系统组成

真空测量与控制系统由真空度采集和控制两大部分组成，主要包括真空度信号采集和处理电路、电磁阀控制电路和真空泵控制电路，如图1所示。

图1 真空测量与控制系统结构Fig.1 Structure of vacuum measurement and control system

真空计采集真空室的压力数据，经变换和数据处理后输出相应的电压信号给主控芯片，主控芯片将数据发送给上位机，上位机则根据接收到的数据和工作需要发送相应的控制命令控制电磁阀和真空泵的工作状态，进而实现对真空度的控制。

2 系统实现

2.1 控制系统的硬件设计

真空测量与控制系统主控芯片选用STC12C5A60S2系列单片机。该单片机具有增强型8051内核，速度比普通8051快6～12倍，并且带10位高速ADC模块，2路PWM还可作为D/A使用。

2.1.1 真空度信号采集和处理电路

真空室压力的测量是进行真空度控制的基础。根据系统需要测量的真空范围，选用INFICON公司的皮拉尼真空计PSG500-S进行压力测量。PSG500-S采用标准网口连接，通用性强。

PSG500-S 的测量范围为 5×10-2～105Pa，输出为电压信号，电压范围为0～10.3 V，测量范围为1.9～10.0 V。电压与真空室压力呈对数关系，其数学表达式为

或表示为

式中：P为真空室压力值；U为电压信号；c为与压力单位有关的常数，当压力单位为帕时c=3.572。

由于采用5 V单片机对系统进行控制，而真空计的输出电压信号最高为10 V，因此先利用差分放大电路对真空计的输出信号进行降压处理，再经过二阶压控电压源低通滤波电路滤除外界的高频噪声干扰。该电路原理如图2所示。

图2 真空度信号采集和处理电路Fig.2 Vacuum signal collection and processing circuit

图2中，真空计的输出电压信号接运放U1的同相输入端，真空计的输出信号公共端接运放U1的反相输入端；经过处理的电压信号经U2的输出端直接送入单片机。

2.1.2 电磁阀控制电路

电磁阀是真空管路上重要的控制部件，电磁阀的开关，可以实现真空管路系统的通断，进而实现对真空室的抽放气控制。本系统真空管路中电磁阀的额定工作电压为24 V，由继电器控制其开合状态。单片机引脚的输出电压为5 V，由于输出电流能力有限，达不到驱动继电器的电流强度，无法直接驱动继电器，因此加入反向驱动器MC1413以提高驱动能力。继电器HFD4/5的输出端接电磁阀。电磁阀控制电路原理如图3所示。

2.1.3 真空泵控制电路

真空泵是真空室获得真空环境的主要设备。对于真空泵本身而言，它只有开启和关闭2个动作。真空泵如果保持固定抽速一直运转，当到达一定真空度后，高速运转会造成能源的极大浪费，可是如果为了节约能源而频繁地启、停真空泵，启动时电流大，对电网的冲击大，机泵效率低，同时又会增加对真空管路的冲击力，加速部件磨损，缩短设备的使用寿命。因此，本系统提出对真空泵采用变频控制——当到达一定真空度后通过变频器降低真空泵的转速，从而达到节约能源的目的。

图3 电磁阀控制电路Fig.3 Electromagnetic valve control circuit

变频器可通过模拟量输入来改变输出频率，进而改变真空泵的转速。由于需要对单片机和变频器进行光电隔离，因此需要将单片机输出的控制量采用PWM脉冲方式输出，经过光耦TLP521隔离和RC滤波电路后，转换为0～5 V的模拟量信号，此模拟量信号对应变频器的频率为0～50 Hz，再经由二阶有源低通滤波电路滤波后，输出到变频器对其进行控制，进而实现对真空泵转速的控制。真空泵控制电路原理如图4所示，图中U6的输出信号直接送入变频器。

图4 真空泵控制电路Fig.4 Vacuum pump control circuit

2.2 控制系统的软件设计

控制系统的软件设计包括监控画面设计和控制程序设计两部分。

2.2.1 监控画面设计

为了便于调试，本系统采用计算机模拟上位机，通过自行构建的基于LabVIEW的监控平台，实时监测系统和真空室的状态，并对系统进行控制。从监控界面可以直接观察到真空室的压力值，各个电磁阀、真空泵和变频器的工作状态。真空测量与控制系统监控平台如图5所示。

图5 真空测量与控制系统监控平台Fig.5 Monitoring platform for vacuum measurement and control system

2.2.2 控制程序设计

在本系统，控制程序完成对小型真空室压力的实时监控，实现每隔0.5 s上传1次压力数据给上位机进行显示，操作者根据实时压力值，发送相应的控制命令，控制真空泵、电磁阀的状态和变频器的频率。控制程序流程如图6所示。

图6 控制程序流程Fig.6 Control flow chart

3 系统测试

将本文设计的真空测量与控制系统安装到某真空管路上，采用波纹管模拟真空室，真空泵为ULVAC公司的GLD-201型油旋片式真空泵。

控制系统连接的真空管路共有2条支路，由7个电磁阀、2个变频器和2个接触器组成。根据该真空管路的设计要求，每个电磁阀实现不同的功能。

首先，对控制系统中的电磁阀进行单步测试。在大气状态下，依次拨动监控界面上7个电磁阀的开关，可以听到电磁阀动作时发出的声音，表示电磁阀已打开或关闭。当电磁阀处于打开状态时，相应的指示灯点亮。测试结果表明从监控界面可以直接控制电磁阀的开关。

然后，选取其中的一条支路进行抽真空控制。打开抽真空主、副电磁阀，真空泵1总开关，变频器1开关；将频率调至最大，对真空室（即波纹管）开始抽真空。真空泵保持最大抽速时的监控界面如图7所示。

图7 真空泵保持最大抽速时的监控界面Fig.7 Interface of vacuum pump with maximum speed

当真空室压力降到某一值并基本维持不变时，调节真空泵频率滑条，降低真空泵的转速，如图8所示。

图8 调节真空泵转速时的监控界面Fig.8 Interface of regulating vacuum pump speed

将监控界面与外接二次表的显示值进行对比，可以看出，本控制系统对真空室压力值和变频器频率值的测量准确。

根据真空泵的标识，其最终压力为6.7×10-2Pa，而真空室的压力值维持在6.9 Pa不再下降，因此可以判定本真空管路系统存在严重的漏气现象。为了寻找到漏气点，在卸掉真空后，分别对抽真空主、副支路进行抽真空测试，这2条支路的最终压力都维持在6.9 Pa，所以判断主、副支路的电磁阀是完好的。然后再检查真空管路系统与真空泵和真空室的连接，发现与真空泵连接的法兰盘有一道轻微的划痕，因此断定是它导致漏气现象发生。

最后，拆下出问题的法兰盘，将各个波纹管接口涂抹真空硅脂，选择表面光滑无划痕的法兰盘重新进行连接，提高密封度再次进行抽真空试验，可将真空室压力降到0.5 Pa以下。

4 结语

本文设计的真空测量与控制系统，实现了对小型真空室真空度的测量和控制。通过在该系统中加入变频控制，可以根据实际工况调节真空泵的频率，以达到节约能源的效果。基于LabVIEW构建的监控平台，能够对系统进行单步调试，分别检测各个部件的运行状态，为以后的整机调试带来方便，若系统出现故障，单步调试还可以帮助确定故障原因，排查漏气点。测试结果表明，本控制系统各个部件运转正常，对真空室压力值和变频器频率值测量准确，并能够在线调节变频器的频率值，满足系统的设计要求。

[1]张以忱.真空蒸发镀膜[J].真空，2013，50（1）：95-96.

[2]王晓东，巴德纯，张世伟，等.真空技术[M].北京：冶金工业出版社，2006.

[3]王继常.真空系统设计[J].真空，1998，35（4）：46-48.

[4]程建，邬钦崇.一种保持真空室真空度稳定的控制系统[J].真空，1999，36（5）：19-22.