按照透射電鏡對真空系統(tǒng)的控制要求與真空系統(tǒng)的構(gòu)成，采用集散控制的思想，建立了以PLC為底層核心控制器，組態(tài)王作為集中管理軟件的控制系統(tǒng)。上位機(jī)組態(tài)軟件通過以太網(wǎng)與下位PLC 進(jìn)行通訊與數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了較為完備的透射電鏡真空系統(tǒng)的控制，該系統(tǒng)已投入使用，真空度符合要求，運(yùn)行效果良好。

　　在透射電子顯微鏡(TEM)中，真空系統(tǒng)的作用是使鏡筒內(nèi)獲得高真空，若鏡筒內(nèi)真空度不佳，則成像的反差降低，電子束發(fā)射不穩(wěn)定，燈絲壽命縮短，而且殘余氣體會污染樣品。因此真空系統(tǒng)的監(jiān)測與控制就顯得尤為重要。可編程邏輯控制器(PLC)具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、體積小、在線編程、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，可以與上位機(jī)工業(yè)組態(tài)軟件組成功能完備的控制系統(tǒng)。本文采用三菱Q 系列PLC 與亞控“組態(tài)王”軟件相結(jié)合的方式，很好地實(shí)現(xiàn)了對場發(fā)射槍透射電子顯微鏡TDX- 200F1 真空系統(tǒng)的控制，對國內(nèi)新一代場發(fā)射槍透射電子顯微鏡的成功研制有著重要意義。

　　目前，國內(nèi)外透射電子顯微鏡(TEM)的真空控制系統(tǒng)主要是采用分立元器件或微電子電路實(shí)現(xiàn)的，從原理上看，其可靠性低、移植性差、靈活性不足。本次設(shè)計(jì)就是彌補(bǔ)上述缺陷，實(shí)現(xiàn)更可靠靈活的控制。

1、真空系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)概述

　　透射電子顯微鏡(TEM)真空系統(tǒng)的作用有兩方面：一方面保證在電子槍燈絲(即陰極)和地之間加以很高的電壓，而空氣不會被擊穿產(chǎn)生電弧，防止鏡筒中的殘留氣體分子與高速電子碰撞，產(chǎn)生電離放電和散射電子，進(jìn)而引起電子束不穩(wěn)定，增加像差，同時(shí)也避免殘留氣體污染樣品，加速高熱燈絲的氧化，縮短燈絲壽命;另一方面可以將電子和空氣原子的撞擊頻率減小到可以忽略的量級。

　　標(biāo)準(zhǔn)的TEM 要求將電子束的通路抽成高真空，通常需要達(dá)到10^{- 4} Pa ~10^{- 8} Pa 甚至更高。由于TEM 的元件如樣品夾具和膠卷盒需要經(jīng)常插入電子束通路，或者需要更換，系統(tǒng)需要能夠重新抽成真空。因此，TEM 不能采用永久密封的方法來保持真空，而是利用隔離閥把電鏡主體分為電子槍、鏡筒、樣品室以及視窗室四個(gè)部分以滿足上述需求。真空閥門是由氣動隔離閥及電磁配氣閥組成的，其工作原理是由PLC 通過改變輸出端電位的高低來控制電磁配氣閥的翻轉(zhuǎn)，改變氣壓流向以驅(qū)動氣動隔離閥的開關(guān)。TDX- 200F1 整體真空結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。

　　獲得高真空是由各種真空泵來共同配合抽取的。現(xiàn)電鏡常用的真空系統(tǒng)是由機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、渦輪分子泵以及離子泵組合構(gòu)成。根據(jù)本電鏡的實(shí)際情況，采用機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵及濺射離子泵組成的三級抽真空系統(tǒng)。

　　抽真空過程是一個(gè)具有較強(qiáng)邏輯性的時(shí)序動作過程。各個(gè)泵和閥門的開關(guān)先后順序必須遵循已經(jīng)設(shè)計(jì)好的抽真空工作邏輯，才能保證在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)鏡筒的壓力達(dá)到所需的壓力標(biāo)準(zhǔn)。由于各部分對真空度要求不同，利用三級真空系統(tǒng)，采用先整體后部分，從低真空向高真空逐步抽氣的原則， 實(shí)現(xiàn)所需的梯度真空。

圖1 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　選用三菱Q 系列PLC 作為底層控制的核心器件，由配有亞控公司“組態(tài)王”的上位工控計(jì)算機(jī)(IPC)對系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控和管理。控制各個(gè)泵、空壓機(jī)、水冷以及閥門的開關(guān)，并對其運(yùn)行情況以及真空度進(jìn)行監(jiān)測;將反饋的狀態(tài)信號送至上位機(jī)進(jìn)行顯示，并根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)判斷將要進(jìn)行的動作;儲存必要的狀態(tài)信息，以便通過以太網(wǎng)送至上位機(jī)進(jìn)行處理，并對上位機(jī)發(fā)出的指令做出反應(yīng)。

　　上位工控機(jī)與下位PLC 相互通信構(gòu)成一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)一旦上位IPC 出現(xiàn)故障，下位PLC 可脫離上位機(jī)獨(dú)立工作，確保現(xiàn)場設(shè)備安全連續(xù)的運(yùn)行。本系統(tǒng)IPC 與PLC 之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，上位監(jiān)控畫面采用組態(tài)王6.53開發(fā)。組態(tài)王通過驅(qū)動程序與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)

　　交換，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)及指令，通過以太網(wǎng)模塊訪問PLC 相關(guān)的寄存器，以讀取PLC 所控制設(shè)備的狀態(tài)或?qū)ο嚓P(guān)寄存器進(jìn)行寫入。組態(tài)王提供了一種數(shù)據(jù)定義方法，在數(shù)據(jù)詞典中定義了I/O 變量后，相應(yīng)變量名可直接用于系統(tǒng)控制、操作顯示、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)警提示等，而無需編寫組態(tài)王讀寫PLC 寄存器的協(xié)議。

圖2 真空系統(tǒng)控制框圖

　　除了用到了PLC 的基本模塊外，本次設(shè)計(jì)還用到了A/D、D/A 轉(zhuǎn)換模塊，用來接收監(jiān)測過程數(shù)據(jù)例如真空度、電流值等;采用溫度模塊來監(jiān)測溫度值;采用以太網(wǎng)模塊與上位機(jī)通訊。

3、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　真空控制系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，各個(gè)閥門與真空度、各個(gè)泵的運(yùn)行情況必須互相關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯以及對故障的快速應(yīng)對。由于各種關(guān)聯(lián)變量較多、時(shí)序性強(qiáng)，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、確保各動作間的相互制約關(guān)系和邏輯關(guān)系，在程序編寫時(shí)，必須進(jìn)行全面的考慮。考慮到真空系統(tǒng)控制只是整個(gè)透射電鏡控制的一部分，因此將真空控制部分作為子程序來調(diào)用。在此子程序中又分為手動程序、自動程序、循環(huán)程序、故障報(bào)警程序等，使程序易于閱讀、調(diào)試方便、可移植性好。

　　整體控制程序設(shè)置了真空開機(jī)及真空關(guān)機(jī)的自動功能，自動開關(guān)機(jī)流程如圖3 及圖4 所示。真空循環(huán)中設(shè)置了換樣品時(shí)對樣品室單獨(dú)進(jìn)行抽放氣的自動功能，換照相底片時(shí)對照相室單獨(dú)進(jìn)行抽放氣的自動功能，某些特殊情況下對鏡筒部分單獨(dú)抽放氣的自動功能等。

　　真空保護(hù)中設(shè)置了電子槍高真空漏氣保護(hù)、鏡筒漏氣保護(hù)、樣品室漏氣保護(hù)、氣壓不足保護(hù)、油散泵過熱保護(hù)等功能，當(dāng)突然發(fā)生停電、水冷故障、漏氣或其它操作失誤時(shí)，電鏡能自動切斷高壓，自動關(guān)閉相應(yīng)的隔離閥及真空泵，以避免高壓放電，燈絲過熱氧化，污染鏡筒和擴(kuò)散泵油氧化等危險(xiǎn)。

圖3 真空系統(tǒng)自動開機(jī)流程圖

　　需要注意的是手動操作方式僅在真空系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況下，需要查找故障進(jìn)行維修時(shí)所使用的一種方式，需專業(yè)人員使用，以避免操作不當(dāng)而引起的不良后果。

圖4 真空系統(tǒng)自動關(guān)機(jī)流程圖

4、上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)采用組態(tài)王軟件。組態(tài)王是一種工業(yè)組態(tài)軟件，它自帶大量的I/O 設(shè)備驅(qū)動程序，用戶可以方便地構(gòu)建實(shí)時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)。為了使控制系統(tǒng)有一個(gè)良好的人機(jī)交互環(huán)境，在組態(tài)王中開發(fā)了監(jiān)控畫面、實(shí)時(shí)柱狀圖、歷史曲線圖、報(bào)警畫面，從而可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　主登陸畫面中，需要系統(tǒng)調(diào)試或維護(hù)人員輸入密碼后登陸，以獲得相應(yīng)權(quán)限，可進(jìn)行手動操作及系統(tǒng)修改，普通用戶直接進(jìn)入真空監(jiān)控畫面，可進(jìn)行一般監(jiān)控及操作。

　　真空系統(tǒng)監(jiān)控的對象有各個(gè)氣動閥、電磁閥的開閉狀態(tài)，機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵以及離子泵的啟停狀態(tài)，電鏡各部分真空度的監(jiān)測，氣泵的壓力報(bào)警，水冷的控制及報(bào)警，油擴(kuò)散泵溫度檢測及報(bào)警，真空開關(guān)機(jī)的自動和手動控制按鈕，各部分循環(huán)抽真空相關(guān)按鈕，啟動完成指示，總控及系統(tǒng)急停等。真空系統(tǒng)監(jiān)控畫面如圖5 所示。

圖5 真空系統(tǒng)監(jiān)控畫

5、結(jié)束語

　　本文研究的基于PLC 和組態(tài)軟件的透射電鏡真空控制系統(tǒng)，既利用了PLC 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，又利用了組態(tài)軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力的優(yōu)勢，融合了較為先進(jìn)的自動化技術(shù)與通訊技術(shù)，具有可靠性高、操作簡單、易于維護(hù)等特點(diǎn)。該方案已成功應(yīng)用于TDX- 200F1 場發(fā)射槍透射電鏡真空系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控中，取得了較為滿意的結(jié)果，對真空控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。