Präzise Steuerung, Regelung und Überwachung von Vakuumkammern mit NI LabVIEW, Compact FieldPoint und PXI

Author(s):
Mondeep Duarah - Captronic Systems Pvt. Ltd.
Anu Kalidas - , Captronic Systems Pvt. Ltd.

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI, Compact FieldPoint, FieldPoint

The Challenge:
Implementierung eines zuverlässigen und robusten automatischen Steuer- und Regelsystems für eine Vakuumkammer, die mehrere Tage lang ununterbrochen in Betrieb ist.

The Solution:
Entwicklung des automatischen Steuer- und Regelsystems für die Vakuumkammer mithilfe von NI Compact FieldPoint und PXI.

Anforderungen an ein Prüfsystem für Vakuumkammern
Ein führender Hersteller von Vakuumkammern benötigte eine Lösung für deren Steuerung, Regelung und Überwachung. Komponenten in der Vakuumkammer sollten in verschiedenen Phasen ihrer Entwicklung, Qualifikation und Akzeptanz verschiedene Tests durchlaufen, so z. B. Umgebungs-, elektrische und Druckverlusttests. Das System sollte Kreiselpumpen, Wälzkolbenpumpen, elektropneumatische Ventile, einen Druckluftkompressor, Druckregelungsventile bei Wasserpumpen des Vakuumsystems sowie Diffusionspumpen in verschiedener Reihenfolge steuern und regeln.Aufgrund von Sicherheitsbestimmungen befindet sich das Vakuumsystem in einiger Entfernung zum Kontrollraum.

Das System sollte auch Parameter überwachen, die vom AGC (Active Gauge Controller) und vom TIC (Turbo Instrument Controller) ausgegeben werden. Für den Fall des Auftretens abnormaler Zustände waren Schutzmechanismen und Abschaltinformationen erforderlich. Die Kammer sollte für mehrere Tage ohne Unterbrechung betrieben werden.

Für die Umsetzung fiel die Wahl auf ein Echtzeitsystem, das auf NI PXI, Windows und Compact FieldPoint basiert und den sequenziellen Betrieb verschiedener Subsysteme zuverlässig und flexibel ausführt. Das System sollte alle Schutzmechanismen bereitstellen, die zur Minimierung menschlichen Eingreifens während des Betriebs der Kammer beitragen würden. Notwendige Handlungen werden automatisch eingeleitet, wenn Compact FieldPoint während des Betriebs eine Anomalie erkennt. Das System sollte Prüfdaten aufzeichnen und Berichte aus den protokollierten Daten erstellen.

Allgemeine Beschreibung von Steuer- und Regelvorgängen
Grundsätzlich gibt es drei Arten von Pumpen: Kreiselpumpen, Wälzkolbenpumpen und Diffusionspumpen. Kreiselpumpen werden bei der Hochvakuumkammer als Vorpumpen für Diffusions- und Wälzkolbenpumpen eingesetzt. Wälzkolbenpumpen können die Kammer auf ca. 0,001 mbar evakuieren. Diffusionspumpen kommen nach der Vorevakuierung durch die Wälzkolbenpumpe bei der Erzeugung des Hochvakuums in der Kammer zum Einsatz. Anwender können Diffusionspumpen erst dann in Betrieb nehmen, wenn Vorvakuumdruck und Betriebstemperatur (wie vom Anwender vorgegeben) erreicht sind.

Im System sind zwei Diffusionspumpen und vier Kreiselpumpen enthalten. Zwei der Kreiselpumpen werden als Vorpumpen für die Diffusionspumpen und die beiden anderen für die Vorevakuierung eingesetzt. Eine Reihe von Ventilen verbindet die Kreisel-, Diffusions- und Kammerkanäle. Das System ist so flexibel, dass bei Ausfall einer Pumpe eine andere deren Funktion übernehmen kann und die entsprechenden zu öffnenden Ventile auswählt.

Unter normalen Betriebsbedingungen werden die Kreiselpumpen zuerst eingeschaltet, so dass gewährleistet ist, dass die Diffusionspumpen den eingestellten Vordruck erreicht haben. Nachdem dies geschehen ist, werden die Heizgeräte angeschaltet, bis die eingestellte Betriebstemperatur erreicht wird. Danach werden die Diffusionspumpen in Betrieb genommen und die Hochvakuumventile geöffnet.Voraussetzung dafür ist, dass die Kammer auf den festgelegten Vorvakuumdruck vorevakuiert wurde. Diffusionspumpen werden also erst dann eingeschaltet, wenn Vorvakuumdruck und Betriebstemperatur erreicht wurden.

Systemkonfigurationen
Das System wurde so konzipiert, dass es Digitaleingänge von der Steuerkonsole oder Feedback vom Subsystem der Vakuumkammer akzeptiert. Steuerlogik und Kontrollen werden auf dem Compact-FieldPoint-System implementiert und ausgeführt. Die auf dem Controller PXI-8186 RT ablaufende Software bildet die Mensch-Maschine-Schnittstelle zwischen dem NI-basierten System und der Steuer- und Regelhardware, die aus Ventilen und Pumpen besteht. Der Anwender kann entweder die Bedienelemente in der Software oder die tatsächlichen Drehknöpfe und Schalter auf dem Bedienfeld der Kammer verwenden. Das lokale oder dezentrale Schaltmodul auf der Steuerkonsole, das ein Digitaleingangssignal an das Digitaleingangsmodul cFP-DI-301 sendet, legt fest, ob die Bedienelemente in der Software oder auf dem Bedienfeld verwendet werden. Alle auf Compact FieldPoint ablaufenden Steuerroutinen werden aktiviert, wenn von Schaltmodulen auf der Steuerkonsole ein Digitaleingangssignal empfangen wird.

Es gibt drei Betriebsmodi: Manuell, Auto und Standby. Im manuellen Modus wählt der Anwender die Betriebssequenz und nur Steuerung und Anzeige werden mithilfe der Echtzeitsoftware FieldPoint ausgeführt. Basierend auf der Entscheidung für das lokale oder dezentrale Schaltmodul können die Sequenzen über Drehknöpfe entweder auf dem Frontpanel oder in der Software gewählt werden. Im Automodus führt die Echtzeitsoftware FieldPoint die Steuersequenzen entsprechend einer im Voraus festgelegten Methode aus. Die Pumpen und Ventile sind im Automodus bereits festgelegt. Im Standby-Modus sind die vorgeschalteten Kreiselpumpen und Ventile in Betrieb, bis der eingestellte Vorvakuumdruck erreicht ist. Anschließend schalten sich die Heizgeräte ein, bis sich die Diffusionspumpe auf Betriebstemperatur erhitzt hat.

Die gesamte Steuerlogik befindet sich auf dem Modul Compact FieldPoint. Die damit zusammenhängenden Routinen werden abhängig vom jeweiligen Betriebsmodus des Vakuumsystems aufgerufen. Der PXI-Controller bildet das Host-System für das Compact-FieldPoint-Modul und wird für die Protokollierung und -anzeige von Daten verwendet, die von der Echtzeitcontrollerschnittstelle cFP-2010 ausgegeben werden. Im vorliegenden Fall kommen in Anbetracht des Redundanzfaktors zwei PXI-Controller zum Einsatz. cFP-2010 kann Informationen von einem Controller empfangen, während der zweite nur dann eingreift, wenn der erste ausfällt. Die Datenprotokollierung wird in beiden Controllern fortgesetzt.

Eines der Hauptmerkmale des Systems besteht darin, dass es bei Stromausfällen automatisch auf eine Standby-Stromquelle umschaltet. In diesem Zustand wird ein Teil der Pumpen und Ventile abgeschaltet und das System startet ohne anwenderseitiges Eingreifen automatisch neu, sobald die Stromversorgung wieder hergestellt ist.

Für die Datenerfassung vom in der Kammer befindlichen Testobjekt wurde ein Modul der M-Serie von National Instruments benutzt (PXI-6220 Multifunktionsdatenerfassung).

Systemsoftware
Nach der Anmeldung beim System gibt der Anwender die Nummer des Testdurchlaufs sowie andere Identifikationsparameter ein. Das Host-System besitzt eine Abbildung der Anzeige und zeigt den Zustand der Pumpen,Ventile und animierten Evakuierungsrohre an.

Während des Tests erhält der Host fortlaufend Feedback von den FP-TC-120-Thermoelementeingängen aller Parameter. Diese Werte werden neben den vorgegebenen Einstellungen vom Host-System angezeigt. Einige der Schlüsselelemente der Software sind folgende:

• Anwenderprofile – für Benutzer- und Administratorebene
• Bereitstellung der Konfiguration für die Eingabe von Testbezeichnung, Testdurchlauf, Abtastrate, Kanalkonfiguration, Konfiguration der Druckmessgeräte AGC und TIC
• Erfassung und Protokollierung der Daten unter Berücksichtigung von Redundanzen auf eine Citadel-Datenbank
• Systemfehlermanagement und -behandlung
• Abbildung der Anzeige von aktiven Pumpen,Ventilen und animierten Rohren
• Ansicht historischer Daten und Echtzeitaufzeichnung mit dem LabVIEW Datalogging und Supervisory Control Module
• Implementierung von Schutzmechanismen
• Softpanel für AGC und TIC
• Steuerroutine für die Echtzeitcontrollerschnittstelle cFP-2010
• Ereignisprotokollierung und -management
• Anwenderdefinierte Berichterstellung

Erfolgreich dank Compact FieldPoint und LabVIEW
Mit der Plattform cFP-2010 wurde ein äußerst zuverlässiges, robustes und präzises Steuer- und Regelsystem entwickelt, indem eine SPS und ein kommerzielles SCADA-Paket durch Compact FieldPoint und LabVIEW ersetzt wurden. Das Steuer- und Regelsystem sowie das Datenerfassungssystem konnten in einer Plattform integriert anstatt separat verwendet zu werden.

Weitere Informationen erhalten Sie über:

Mondeep Duarah
Senior Manager – Design and Development
Captronic Systems Pvt. Ltd.
# 19, Alif Arcade 7th Main Road
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Bangalore-560034 Karnataka
Indien
Tel.: +91-80-2553-5046
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