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(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

三氟化硼是有機(jī)合成和石油化工中廣泛應(yīng)用的一種催化劑，在很多有機(jī)反應(yīng)如烷基化、聚合、異構(gòu)化、加成、縮合及分解等過程中都有應(yīng)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(dǎo)體工藝中進(jìn)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(duì)于解決目前電子工業(yè)對(duì)其需求至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)室自行建立了一套三氟化硼氣體凈化試驗(yàn)裝置，其簡(jiǎn)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(duì)產(chǎn)品氣體進(jìn)行低溫蒸餾操作，除去低沸點(diǎn)雜質(zhì)氣體，實(shí)現(xiàn)三氟化硼氣體的凈化。該工藝的關(guān)鍵點(diǎn)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(yàn)裝置和工藝特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)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(jī)的通訊和LabVIEW軟件功能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位、流量、真空度等信號(hào)的連續(xù)采集、存儲(chǔ)、歷史曲線、報(bào)警等功能。通過長(zhǎng)期試驗(yàn)運(yùn)行表明該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的測(cè)量與控制，保證了試驗(yàn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 測(cè)量系統(tǒng)硬件組成

基于LabVIEW的氣體凈化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)室自建的試驗(yàn)裝置如圖2所示。該控制系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)、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(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 試驗(yàn)裝置

在三氟化硼氣體凈化試驗(yàn)裝置中，系統(tǒng)的低溫真空環(huán)境由液氮、真空泵機(jī)組提供。試驗(yàn)裝置中用到的低溫溫度計(jì)由中國(guó)科學(xué)院低溫計(jì)量測(cè)試站檢定，分度溫區(qū)55K-300K，準(zhǔn)確度0.1K。低溫溫度計(jì)的安裝可以參考文獻(xiàn)[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(cè)量工作，其通過GPIB接口與工控機(jī)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(shí)現(xiàn)40通道兩線輸入或20通道四線輸入。本試驗(yàn)裝置中的低溫溫度采用四線制方法測(cè)量，通過2750數(shù)字電壓表采集電阻信號(hào)。在滿足測(cè)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(hào)，其中PCI1747U采集壓力液位信號(hào)，PCI1671、PCI1622C和MOXA CP-168U分別通過GPIB、RS485、RS232總線接口與工控機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)低溫溫度、流量計(jì)、真空信號(hào)采集?？刂葡到y(tǒng)通過PCI1762繼電器卡和報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，緊急情況下實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)。

2 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國(guó)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(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)量和工控軟件中，LabVIEW因?yàn)槠潇`活方便和直觀特性得到了十分廣泛的應(yīng)用。LabVIEW為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境。利用它，設(shè)計(jì)者可以像搭積木一樣輕松組建一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)和構(gòu)造自己的儀器面板，而無需進(jìn)行任何繁瑣的計(jì)算機(jī)代碼的編寫[4]。適用于實(shí)驗(yàn)室及小批量生產(chǎn)線等經(jīng)常需要改變儀器和設(shè)備參數(shù)功能的場(chǎng)合[5]。本文在工控機(jī)、數(shù)字電壓表、采集卡和通訊卡等硬件的基礎(chǔ)上，通過LabVIEW編寫程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、信號(hào)處理、歷史趨勢(shì)圖、報(bào)警、存儲(chǔ)等功能。

2.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板作為L(zhǎng)abVIEW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(shí)儀表的前面板，設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。前面板還包括時(shí)間，設(shè)備狀態(tài)顯示界面，方便試驗(yàn)人員觀察運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置。前面板設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 前面板設(shè)計(jì)

2.2 程序框圖設(shè)計(jì)

每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序。程序框圖是實(shí)現(xiàn)VI邏輯功能的圖形化源代碼。程序中通過連線將相應(yīng)函數(shù)、控件、常量和變量連接起來，實(shí)現(xiàn)不同的功能[6]。試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括壓力和液位信號(hào)采集、低溫溫度信號(hào)采集、流量和真空采集、報(bào)警輸出等。

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

2）低溫溫度信號(hào)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(cè)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(diǎn)返回測(cè)量數(shù)據(jù)。部分GPIB程序如圖4所示。儀表測(cè)量數(shù)據(jù)是溫度計(jì)的實(shí)時(shí)電阻值，還需編寫查表程序得到溫度值。每支低溫溫度計(jì)都有各自的分度表，通過查表計(jì)算的方法得到實(shí)時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，流量計(jì)通訊程序如圖6所示。

圖5 程序結(jié)構(gòu)框圖

圖6 流量計(jì)通訊程序

4）報(bào)警輸出：當(dāng)工藝參數(shù)異常時(shí)，控制系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警裝置，提醒運(yùn)行人員注意工藝運(yùn)行狀態(tài)。編寫程序的具體做法是在NI驅(qū)動(dòng)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(dòng)報(bào)警電路，實(shí)現(xiàn)報(bào)警與連鎖功能。

測(cè)量點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示和刷新，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)流程圖相應(yīng)位置上。曲線顯示包括壓力、溫度、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖、歷史曲線圖，反映了數(shù)據(jù)的動(dòng)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(chǔ)，幫助試驗(yàn)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)裝置和工藝的特點(diǎn)，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(jiǎn)便，程序清晰易讀，可移植性好。程序調(diào)試及試驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，易于操作，滿足工藝要求。

[1]丁洪生,權(quán)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(xué)學(xué)報(bào),2006,26(1):5-7.

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

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

[4]陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[5]陶貴生.LabVIEW實(shí)現(xiàn)的制冷及低溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2005,31(6):20-22.

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