一种基于气氛模式切换与令牌互锁的分级泵组启停控制系统及方法与流程

本发明涉及真空热工装备多级泵组智能控制，具体涉及一种基于气氛模式切换与令牌互锁的分级泵组启停控制系统及方法。

背景技术：

1、真空热工装备（如高温石墨化炉、碳/陶沉积炉等）是新材料、航空航天及高端制造领域的关键工艺设备，其真空环境的获得与维持直接决定产品品质与生产安全。此类设备的真空系统通常由多台多级泵组构成，包括机械泵（旋片泵）、罗茨泵（增压泵）及扩散泵或分子泵等，根据工艺需求分别选配不同的低真空泵、中真空泵和高真空泵。以罗茨泵机组为例，其启动须严格遵循“先启动前级机械泵、待前级泵将系统压力抽至罗茨泵允许启动压力后，方可启动罗茨泵”的时序要求；若前级泵未达到稳态运行即强行启动后级罗茨泵，将导致后级泵带载启动，引发电机过载、泵组冲击损坏甚至设备报废。

2、在真空热工装备的实际生产中，工艺运行需交替切换低真空置换与高真空精控两种气氛模式。低真空阶段（1200pa-大气压）通常由机械泵完成，高真空阶段（小于1200pa范围）则需启动罗茨泵、扩散泵或分子泵。不同工况对泵组的抽速、极限真空及启停时序要求差异显著，泵组控制系统须具备工况自适应能力，否则将导致真空度波动、工艺环境失控，最终造成产品品质缺陷。

3、针对上述真空泵组自动化控制需求，本领域技术人员已开展相关研究工作，但是仍存在以下系统性技术缺陷：

4、第一，判定依据单一，未检测泵组本体运行状态。现有技术仅检测真空度、阀门状态等外部介质参数，不采集泵组运行电流、接触器状态、故障信号等本体参数，无法判断单台泵是否真正进入稳态运行。仅依靠介质参数判定容易出现“假稳态”——即真空度数值达标但前级泵实际尚未达到可靠运行状态，此时触发后级泵启动将导致带载启动、冲击过载，严重时造成设备损坏。

5、第二，无工况区分逻辑，工艺适配性差。传统固定时序控制及真空度触发启泵逻辑，不区分低真空置换与高真空精控两种截然不同的工艺需求，全程采用统一的启停策略。其结果往往是：低真空阶段冗余启动高真空级泵组造成能源浪费与设备不必要的损耗，高真空阶段前级泵动力不足导致真空度无法达到工艺要求。这种“一刀切”的控制模式直接造成炉内真空环境波动，引发产品工艺缺陷。

6、第三，多泵组无互锁权限，防误动能力弱。多台泵组同步或排队启动时，现有方案缺乏权限隔离与启动授权机制，易发生人工误操作、程序指令冲突、越级启泵等问题。多级泵时序一旦错乱，轻则造成真空度波动、炉内气氛泄漏，重则直接引发设备损坏与安全事故。

7、第四，控制逻辑固化，无动态干预能力。现有技术方案均为预设固定流程，工艺运行中无法在线增补泵组或临时停泵调节。一旦触发启停流程，只能按既定逻辑执行到底，无法根据现场负荷变化、设备状态异常等实际情况进行动态调整，柔性控制能力严重不足。

8、针对以上现有技术无法克服的行业痛点，本领域亟需一种能够基于气氛模式切换与泵组自身多维度稳态检测、具备工况自适应区分、多泵权限互锁及在线动态干预能力的分级泵组启停控制系统及方法，以填补该技术领域的空白。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有真空热工装备多级泵组控制因单一参数判定、无工况区分、无权限互锁及无动态干预而导致带载启动、真空波动、误操作频发及控制僵化技术问题，提出了一种基于气氛模式切换与令牌互锁的分级泵组启停控制系统及方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于气氛模式切换与令牌互锁的分级泵组启停控制系统，包括人机交互配置模块和与人机交互配置模块通信连接的plc控制器，plc控制器的输出端连接有多组泵组；每个泵组包括机械泵和罗茨泵；

3、人机交互配置模块，用于设定工艺气氛模式并完成泵组预选配置；所述工艺气氛模式包括低真空模式和高真空模式，泵组预选配置中至少选择两个泵组；

4、plc控制器的泵组状态采集模块用于实时采集各待测泵组的运行状态信息；泵组的运行状态信息至少包括泵组电机启动器状态信号、泵组接触器状态信号、泵组工作电流和泵组所对应炉体的炉内绝对压力；

5、plc控制器被配置为，根据识别到的当前工艺气氛模式和泵组的运行状态信息筛选具备运行条件的泵组后生成泵组启动等待队列，并通过单令牌独占互锁机制控制泵组逐台启动。

6、进一步，人机交互配置模块包括工业触摸屏，工业触摸屏的图形用户界面上设有多个触控选择按键，多个触控选择按键分别通过工业以太网与所述plc控制器中预设的变量地址建立一一对应映射关系，用于产生触发信号；所述变量至少包括工艺气氛模式变量和泵组预选变量，触发信号至少对应设定工艺气氛模式和泵组预选配置。

7、进一步，单令牌独占互锁机制为：系统运行过程中仅生成唯一启动令牌，同一时刻仅允许持有该启动令牌的单泵组执行启动动作，启动等待队列内其余泵组保持锁定待机状态。

8、进一步，具备运行条件指泵组被配置为预选状态，且采集的该泵组电机启动器常开触点的通断状态信号表征为闭合；

9、当工艺气氛模式识别结果为低真空模式，筛选被配置为预选状态且采集的泵组电机启动器常开触点的通断状态信号表征为闭合的机械泵组生成泵组启动等待队列；

10、当工艺气氛模式识别结果为高真空模式，筛选被配置为预选状态且采集的泵组电机启动器常开触点的通断状态信号表征为闭合的机械泵组和罗茨泵组生成泵组启动等待队列。

11、进一步，plc控制器还通信连接有用于采集泵组故障报警信号的故障预警单元；

12、plc控制器内集成有令牌流转控制单元，令牌流转控制单元基于泵组的运行状态信息和泵组故障报警信号实现泵组启动令牌的分配、流转与锁定。

13、进一步，令牌流转控制单元内预设有三重稳态判定条件，令牌流转控制单元基于三重稳态判定条件执行令牌流转；

14、三重稳态判定条件包括：

15、条件一：plc控制器采集的接触器常开触点的通断状态信号表征为闭合且持续一定时间；

16、条件二：plc控制器采集的泵组启动工作电流，在一定时间内持续稳定在预设电流工作区间；

17、条件三：plc控制器采集的泵组电机启动器常开触点信号，该触点在一段时间内没有断开。

18、进一步，令牌流转控制单元的启动令牌流转规则为：

19、启动等待队列中位列第一个泵组获取启动令牌后执行启动动作；

20、若在一定时间内，三重稳态判定条件全部满足，则回收当前启动令牌并将启动令牌顺位移交至启动等待队列中下一待启动泵组；

21、若三重稳态判定条件中任一条件不满足，立即释放启动令牌，将启动令牌顺位移交至启动等待队列中下一待启动泵组，同时将释放启动令牌的信号分别传输至与plc控制器相连的声光报警装置和上位机，以触发声光报警装置响应，在上位机界面展示故障泵组编号及故障类型；

22、当工艺气氛模式由低真空模式切换至高真空模式，且炉内绝对压力降至预设压力阈值以下时，系统保留原有机械泵组运行队列，释放启动令牌并将启动令牌重新分配至罗茨泵组启动队列。

23、进一步，具备运行条件指泵组被配置为预选状态，同时plc控制器采集的泵组电机启动器常开触点的通断状态信号表征为闭合，且未采集到该泵组的故障报警信号；

24、当工艺气氛模式识别结果为低真空模式，筛选被配置为预选状态、采集的泵组电机启动器常开触点的通断状态信号表征为闭合且未采集到故障报警信号的机械泵组生成泵组启动等待队列；

25、当工艺气氛模式识别结果为高真空模式，筛选被配置为预选状态、采集的泵组电机启动器常开触点的通断状态信号表征为闭合且未采集到故障报警信号的机械泵组和罗茨泵组生成泵组启动等待队列。

26、一种基于气氛模式切换与令牌互锁的分级泵组启停控制方法，采用上述所述的基于气氛模式切换与令牌互锁的分级泵组启停控制系统，包括如下步骤：

27、步骤s1、通过人机交互配置模块设定工艺气氛模式并完成泵组预选配置，所述工艺气氛模式包括低真空模式和高真空模式；泵组状态采集模块实时采集各待测泵组的运行状态信息并上传至plc控制器；

28、步骤s2、plc控制器根据识别到的当前工艺气氛模式和泵组的运行状态信息筛选具备运行条件的泵组并生成泵组启动等待队列：

29、当工艺气氛模式识别结果为低真空模式，筛选采集的泵组电机启动器常开触点的通断状态信号表征为闭合的机械泵组生成泵组启动等待队列；

30、当工艺气氛模式识别结果为高真空模式，筛选采集的泵组电机启动器常开触点的通断状态信号表征为闭合的机械泵组和罗茨泵组生成泵组启动等待队列；

31、步骤s3、plc控制器将唯一启动令牌分配至泵组启动等待队列中位于首位的泵组，控制该泵组的接触器常开触点闭合，执行启动操作；

32、步骤s4、基于plc控制器内预设的三重稳态判定条件，执行启动令牌的流转操作；具体为，当当前泵组满足三重稳态判定条件时，回收启动令牌并移交至泵组启动等待队列中的下一泵组；

33、步骤s5、循环执行步骤s4的启动令牌的流转操作。

34、进一步，在执行上述步骤s2-s5的过程中，当工艺气氛模式识别结果由低真空模式切换至高真空模式时，在现有由具备运行条件的机械泵组生成的启动等待队列的基础上，增加具备运行条件的罗茨泵组生成新的启动等待队列。

35、本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明系统及方法以设定的工艺气氛模式为顶层控制依据，结合各待测泵组的多维运行状态信息的多重判定标准筛选具备运行条件的泵组并生成泵组启动等待队列，通过单令牌独占互锁机制实现多泵组分级逐台启动，自动剔除故障泵组、离线泵组；通过人机交互配置模块和plc控制器的协同作用，可完成在线动态干预功能，实现真空热工装备多级泵组全流程安全、有序、柔性化运行控制。