基于LabVIEW的气体净化控制系统设计

李乐斌，齐 鑫，吕卫星，吴全锋，胡石林

LI Le-bin, QI Xin, LV Wei-xing, WU Quan-feng, HU Shi-lin

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

三氟化硼是有机合成和石油化工中广泛应用的一种催化剂，在很多有机反应如烷基化、聚合、异构化、加成、缩合及分解等过程中都有应用[1]。高纯三氟化硼是电子工业和光纤工业的重要原料之一，是半导体工艺中进行离子注入用的重要掺杂源[2]。该气体的纯度直接影响着电子器件的性能，因此提高三氟化硼的纯度对于解决目前电子工业对其需求至关重要。实验室自行建立了一套三氟化硼气体净化试验装置，其简易工艺流程是三氟化硼粗气先经过冷却器（温度-90℃～-96℃），BF3粗气中的重组分气体SO2、CO2、SiF4、硫酸盐等被冷凝下来，再经液化器（温度-100℃～-120℃），对产品气体进行低温蒸馏操作，除去低沸点杂质气体，实现三氟化硼气体的净化。该工艺的关键点在于温度的控制，通过控制液氮和三氟化硼气体的流量能够有效控制温度。结合试验装置和工艺特点，本文设计了一套基于LabVIEW的气体净化控制系统，利用仪器、功能卡件与工控机的通讯和LabVIEW软件功能实现对温度、压力、液位、流量、真空度等信号的连续采集、存储、历史曲线、报警等功能。通过长期试验运行表明该系统满足设计要求，可以很好的实现对工艺参数的测量与控制，保证了试验的稳定运行。

1 测量系统硬件组成

基于LabVIEW的气体净化控制系统结构如图1所示，实验室自建的试验装置如图2所示。该控制系统硬件主要由工控机、数据采集卡、各种通讯卡、继电器卡、数字电压表等组成。

图1 测量系统结构图

图2 试验装置

在三氟化硼气体净化试验装置中，系统的低温真空环境由液氮、真空泵机组提供。试验装置中用到的低温温度计由中国科学院低温计量测试站检定，分度温区55K-300K，准确度0.1K。低温温度计的安装可以参考文献[3]。采集低温温度所用的Keithley2750数字电压表是六位半精度，1Ω量程的分辨率为1μΩ，能够完成电压、电流、频率、电阻、温度等十四种功能的精密测量工作，其通过GPIB接口与工控机相连。选用7708型40通道差分输入接口卡配合数字电压表，可以实现40通道两线输入或20通道四线输入。本试验装置中的低温温度采用四线制方法测量，通过2750数字电压表采集电阻信号。在满足测量精度、采集速率和稳定性等要求的情况下，采用研华PCI系列采集卡采集其他工艺参数信号，其中PCI1747U采集压力液位信号，PCI1671、PCI1622C和MOXA CP-168U分别通过GPIB、RS485、RS232总线接口与工控机通讯，实现低温温度、流量计、真空信号采集。控制系统通过PCI1762继电器卡和报警电路实现声光报警，紧急情况下实现联锁保护。

2 测量系统软件设计

LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于图形方式的集成化程序开发环境，在以PC机为基础的测量和工控软件中，LabVIEW因为其灵活方便和直观特性得到了十分广泛的应用。LabVIEW为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。利用它，设计者可以像搭积木一样轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机代码的编写[4]。适用于实验室及小批量生产线等经常需要改变仪器和设备参数功能的场合[5]。本文在工控机、数字电压表、采集卡和通讯卡等硬件的基础上，通过LabVIEW编写程序，实现对工艺参数的实时采集、信号处理、历史趋势图、报警、存储等功能。

2.1 前面板设计

前面板作为LabVIEW软件的用户界面，能够有效的将采集的信息显示在画面中，并且该界面上有交互式的输入输出控件，模拟真实仪表的前面板，设置输入数值和观察输出量。前面板还包括时间，设备状态显示界面，方便试验人员观察运行情况，及时调节参数设置。前面板设计如图3所示。

图3 前面板设计

2.2 程序框图设计

每一个程序前面板都对应着一段框图程序。程序框图是实现VI逻辑功能的图形化源代码。程序中通过连线将相应函数、控件、常量和变量连接起来，实现不同的功能[6]。试验装置控制系统的程序设计主要包括压力和液位信号采集、低温温度信号采集、流量和真空采集、报警输出等。

1）压力和液位信号采集：压力和液位传感器输出4mA～20mA信号，经过信号调理后变成1～5V信号进入数据采集卡。在NI驱动程序支持下采用DeviceOpen.vi、AIConfig.vi、AIvoltageIn.vi和DeviceClose.vi等函数，对PCI1747U进行控制采集电压信号，最后进行数据处理得到压力和液位信号。

2）低温温度信号采集：首先编写LabVIEW程序规定数字电压表工作在四线制模式下，然后通过GPIB写指令发送测量数据命令，命令的格式与要求可以参考仪表说明书，然后读取数据节点返回测量数据。部分GPIB程序如图4所示。仪表测量数据是温度计的实时电阻值，还需编写查表程序得到温度值。每支低温温度计都有各自的分度表，通过查表计算的方法得到实时温度值。

图4 部分GPIB程序

3）流量和真空采集：通过RS232和RS485通讯接口，首先配置串口，包括地址、波特率、数据比特、奇偶性等，然后写入读取参数值命令，得到测量数据。程序结构框图如图5所示，流量计通讯程序如图6所示。

图5 程序结构框图

图6 流量计通讯程序

4）报警输出：当工艺参数异常时，控制系统输出报警信号，驱动声光报警装置，提醒运行人员注意工艺运行状态。编写程序的具体做法是在NI驱动程序支持下采用DeviceOpen.vi、DIOWriteBit.vi、和DeviceClose.vi等函数，控制PCI1762卡继电器输出状态来驱动报警电路，实现报警与连锁功能。

测量点实时数据动态显示和刷新，数据实时显示在系统流程图相应位置上。曲线显示包括压力、温度、流量等参数的实时数据趋势图、历史曲线图，反映了数据的动态变化。同一类变量参数在同一图表中显示采用不同的线形和颜色加以区。采集的所有数据以文本文件格式存储，帮助试验人员对数据进行进一步分析处理。

3 结束语

根据试验装置和工艺的特点，开发了一套基于LabVIEW的气体净化控制系统，该系统用户界面友好，操作简便，程序清晰易读，可移植性好。程序调试及试验结果表明，控制系统运行可靠，测量数据准确，易于操作，满足工艺要求。

[1]丁洪生,权成光,张志峰.BF3催化C8～C13混合烯烃的聚合工艺[J].辽宁石油化工大学学报,2006,26(1):5-7.

[2]熊爱国,熊有平,张茵芳,等.用三氟化硼气体进行离子渗硼[J].国外金属热处理,2002,23(6):21-24.

[3]陈飞云,龙风,刘方,等.CERNOX CX-SD低温温度计使用方法[J].低温物理学报,2011,33(4):301-304.

[4]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.

[5]陶贵生.LabVIEW实现的制冷及低温实验测试系统开发[J].中国测试技术,2005,31(6):20-22.

[6]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京:电子工业出版社,2003.