基于VB和Access數據庫的真空系統設計軟件構建
本文通過(guò)大量的調研工作并根據真空系統設計原理和設計流程，建立了真空系統設計軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程模型，采用Visual Basic 6.0 與Access 數據庫構建了真空系統設計應用軟件。軟件主要由啟動(dòng)模塊、真空室參數設置模塊、真空泵參數設置模塊、抽氣時(shí)間計算模塊、保存工程模塊等主要模塊組成,適用于各真空段。采用計算機軟件設計真空系統可以提高計算精度，大幅度提高真空系統的設計效率，縮短開(kāi)發(fā)周期。
1、真空系統設計軟件重要性
真空系統即用于滿(mǎn)足特定真空工藝要求，具有獲得并能測量、控制其真空度的系統。標準的真空系統設計程序包括：真空室內總放氣量的計算；根據要求選擇真空閥門(mén)、捕集器、除塵器、真空管道等真空元件，并進(jìn)行流導計算；確定真空室有效抽速；粗選主泵和粗配前級泵等；繪制真空系統裝配草圖，確定各個(gè)部分的尺寸；精算各真空泵以達到參數要求；繪制尺寸精確的真空系統裝配圖；拆零件圖；繪制施工圖紙。以上設計步驟是標準設計程序中必不可少的，由此可以看出設計出一套滿(mǎn)足客戶(hù)需求的真空系統，工作量是很大的。另外，為了滿(mǎn)足某些特定需求真空系統的要求，如ESI 離子阱質(zhì)譜儀真空系統設計中，由于梯度抽氣的作用，真空室被分為三個(gè)真空度，因此在設計此類(lèi)真空系統中不避免的需要計算系統中各個(gè)真空腔的壓力。這些實(shí)例都在客觀(guān)上加大了真空系統的設計難度。
在真空系統設計的過(guò)程中，除了設計步驟復雜，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為其主要問(wèn)題是理論計算公式繁瑣，完全靠人工計算，耗時(shí)較長(cháng)，準確性難以保證，而且讓一個(gè)設計人員了解熟悉各個(gè)計算公式需要一段較長(cháng)的時(shí)間。近些年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)發(fā)相關(guān)真空系統設計軟件，使得真空系統設計工作實(shí)現程序化，界面化和易操作有了可能，如國外基于DOS 和Windows 操作系統的真空系統設計和優(yōu)化軟件VAKTRAKCODE，它能實(shí)現準確而快速地設計計算細長(cháng)型如存儲環(huán)和束運線(xiàn)的真空系統。Donald J.Santeler 也發(fā)表過(guò)關(guān)于使用計算機程序設計真空系統的論文，其中涉及到對真空管道流導、真空泵等相關(guān)元件參數進(jìn)行計算機程序化設計和分析。
綜上所述，真空系統設計軟件的開(kāi)發(fā)對于相關(guān)設計人員來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。經(jīng)調研分析，筆者認為真空系統設計軟件的構架思路應為：對真空系統設計的需求分析、真空系統設計過(guò)程模型的制定、設計軟件結構和功能模塊的劃分。鑒于本軟件是面向各個(gè)行業(yè)從業(yè)者，對于滿(mǎn)足各個(gè)真空段系統設計要求，因此選用適用范圍較廣的Visual Basic 6.0 語(yǔ)言以及響應速度較快、易維護的Access2000 數據庫來(lái)構建真空系統設計軟件。
2、真空系統設計需求分析
分析用戶(hù)對真空系統的設計要求，是完成真空系統設計工作的前提。對于真空系統設計軟件也是如此，調研各行各業(yè)用戶(hù)對真空系統的需求，是軟件開(kāi)發(fā)的立足點(diǎn)。例如，對于真空冶金所用的真空系統，需要了解其真空系統的工作環(huán)境，包括工作真空段、所設計的真空系統應能滿(mǎn)足抽除大量帶雜質(zhì)氣體的需求等條件，這些都是設計匹配真空系統的前提。
根據真空系統設計原理和不同用戶(hù)的實(shí)際情況，真空系統設計方面的基本需求概括為以下幾點(diǎn)：
(1)在僅知道真空室參數、工作真空度等相關(guān)參數的情況下，能夠快速地設計出滿(mǎn)足所要求的抽氣時(shí)間、極限壓力等工藝要求的真空系統。
(2) 能夠根據所配備的真空系統計算出抽氣時(shí)間、真空泵的有效抽速、真空系統中的壓力分布等相關(guān)參數。
(3)根據計算出的各參數，能迅速粗定各泵或者泵組型號、粗定各導管閥門(mén)等元件型號等并輸出word 或者其它格式數據，以便大略確定真空系統設計方案。
(4)可編輯型數據庫，以供各行業(yè)用戶(hù)管理適用于自身行業(yè)的軟件數據。
需要特別考慮的是，某些設備對真空系統的工藝需求在特定情況下是不可避免的，這個(gè)時(shí)候本軟件應盡量覆蓋較廣的需求范圍，例如一些多弧離子鍍膜設備需要水冷系統，高真空系統需要預先烘烤等工藝都必須合理的在設計方案中體現。
3、真空系統設計的過(guò)程模型
真空系統設計需要根據用戶(hù)需求把各真空元件的方案進(jìn)行集成組合，產(chǎn)生一個(gè)到多個(gè)可行方案，作為真空系統設計時(shí)的備選方案與重要依據，對這些方案進(jìn)行評價(jià)與決策，選擇綜合最優(yōu)的系統方案。針對上述真空系統設計的特點(diǎn)，在現今流行的幾種應用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程模型：瀑布模型、快速原型化模型、增量模型、螺旋模型及構件組裝模型中，我們選用螺旋模型。因為螺旋模型是在結合瀑布模型和快速原型化模型的基礎上增加了“風(fēng)險分析”內容。它系統、順序并兼有“邊開(kāi)發(fā)，邊評審”的特點(diǎn)，這些都非常適應真空系統設計中備案選擇、依據與方案評價(jià)進(jìn)行互動(dòng)式管理的要求。
在選擇螺旋模型后，各真空系統元件的方案設計有兩個(gè)階段：方案的生成和方案的評價(jià)。為了滿(mǎn)足真空系統設計中“邊開(kāi)發(fā)，邊評審”的特點(diǎn)，在具體制作真空系統設計過(guò)程模型前，需要對方案的生成和評價(jià)兩個(gè)階段進(jìn)行需求定義。方案的生成過(guò)程主要在用戶(hù)需求的基礎上，通過(guò)行為的描述，提出真空系統元件的備選集。從用戶(hù)要求到方案備選集的映射過(guò)程定義為:
Si = Ks(Rid,Bid) (1)
式中Si———真空系統元件的備選方案；
Rid———用戶(hù)要求，包括執行動(dòng)作、控制部分的要求
Bid———行為描述，包括執行動(dòng)作、控制部分的行為描述
Ks———可用數據庫，包括真空泵、真空閥門(mén)等系統元件的數據庫。
真空元件的方案評價(jià)過(guò)程是以各元件的評價(jià)指標集為依據，對備選方案集進(jìn)行評估，其決策集可以定義如下:
Bi = Ai·Ri (2)
式中Bi 為各真空元件方案的決策集，Ai 為真空元件的權數分配集，Ri 為真空元件的評價(jià)矩陣。根據上述評價(jià)方法可以選擇各真空元件的
若干優(yōu)越的方案，以此組合成可以滿(mǎn)足要求的完整的真空系統設計的備選集。它們的評價(jià)過(guò)程中的決策集可以定義如下:
B = A·R (3)
式中B 為真空系統的決策集，A 為真空系統的權數分配集，R 為真空系統的評價(jià)矩陣。比較各方案的決策集，可以求得綜合最優(yōu)的真空系統設計方案。
筆者綜合上述對方案生成和評價(jià)兩個(gè)階段的定義和真空系統設計的必要步驟，制定出真空系統設計的過(guò)程模型，如圖1 所示。
圖1 真空系統設計過(guò)程模型
圖1 為真空系統設計方案設計的過(guò)程模型，在方案設計階段，分析并定義用戶(hù)對真空系統的需求，并根據分析結果初步確定真空系統。在參數分析階段，根據流導計算、抽氣時(shí)間計算模塊對各暫定的真空系統進(jìn)行參數分析。最后由評估模塊對分析計算結果進(jìn)行其合理性、經(jīng)濟性等方面的評估，從而確定出最優(yōu)的真空系統方案。如此選用圖1 所示的過(guò)程模型制定出來(lái)的真空系統設計軟件就能達到開(kāi)發(fā)與評審并行互動(dòng)的目的。
4、真空系統設計應用軟件的體系結構與功能模塊劃分
整個(gè)軟件設計目的是為了更好的幫助真空系統設計人員使用完成真空系統設計工作，綜合上述軟件設計目的本軟件采用三層體系結構，五個(gè)功能模塊。
結構體系自底層向上分別是數據層、應用層和用戶(hù)層，其功能分別描述如下：
(1) 數據層：主要包括各真空元件的參數、計算參數、計算結果的表達與存儲。對于上述數據主要通過(guò)數據庫以及ini 格式的隨機文件、word 文件等介質(zhì)進(jìn)行存儲。
(2) 應用層：是軟件的主要部分，主要包括真空室設置模塊、真空泵參數模塊、管道閥門(mén)模塊、計算模塊、其他真空元件選取模塊等五個(gè)主要業(yè)務(wù)邏輯，分別實(shí)現真空室參數的設置、真空泵抽速曲線(xiàn)數值化以及相關(guān)參數的設置、管路設計及閥門(mén)的選取、管路流導以及抽氣時(shí)間的計算、捕集器及儲氣罐等其他真空元件的選取。
(3) 用戶(hù)層：建立用戶(hù)友好的人機交互界面，以系統示意圖形式對設計過(guò)程中各參數進(jìn)行設置，可以方便地對各真空元件進(jìn)行切換設置。根據上述真空系統的設計過(guò)程，設計軟件可以分為以下五個(gè)功能模塊：真空室模塊；真空泵模塊；管道閥門(mén)模塊；用以計算流態(tài)、流導及抽氣時(shí)間的計算模塊和其它真空原件模塊。完整的真空系統設計軟件的功能劃分如圖2 所示。
圖2 真空系統設計應用軟件的功能框架圖
根據軟件結構體系和模塊劃分，軟件設計系統界面采用Visual Basic 6.0 中MDI(Multiple Document Interface)窗體。因為MDI 應用程序是由一個(gè)父窗體和若干子窗體組成的，它是一種應用程序中能夠同時(shí)處理兩個(gè)或者更多個(gè)子窗體的界面形式。因此，設計主界面采用MDI 父窗體，其它界面均采用MDI 子窗體。在軟件中的計算過(guò)程是模擬人工設計計算過(guò)程，相關(guān)設計計算公式在相關(guān)書(shū)籍中均可查閱，故無(wú)須再建立復雜的數學(xué)模型。相關(guān)計算公式都經(jīng)Visual Basic 6.0 編譯后整合至軟件中對應的功能模塊里。
此外構建軟件還需要建立數據庫，保存一些真空元件的技術(shù)參數和上述各種臨時(shí)計算結果。因為Microsoft Access 2000 支持的數據類(lèi)型十分豐富，維護簡(jiǎn)單，費用低廉，因此選用此數據庫。建立數據庫之后，選擇ADO 訪(fǎng)問(wèn)接口把Access數據庫同軟件連接起來(lái)，其主要原因為：VisualBasic 6.0 支持ADO 訪(fǎng)問(wèn)。同時(shí)ADO 訪(fǎng)問(wèn)接口是現今Microsoft 公司支持的操作較為有效、訪(fǎng)問(wèn)較直接的數據訪(fǎng)問(wèn)編譯模式， 另外ADO 適用于Excel 表格、文本文件、圖形文件等數據文件。如此可以完善真空系統設計軟件的儲存數據類(lèi)型以及輸出文件格式。
5、設計實(shí)例
采用一套已知的真空系統進(jìn)行設計計算并對有關(guān)數據參數進(jìn)行實(shí)際測量，將設計軟件計算后的各個(gè)階段的抽氣時(shí)間與實(shí)際真空系統測量抽氣時(shí)間對比來(lái)驗證本軟件的準確性。在此選用JGP-450 型磁控濺射鍍膜機及其配套真空系統作為計算實(shí)例，其中的有關(guān)參數見(jiàn)表1。
表1 JGP-450 型磁控濺射鍍膜機的參數
經(jīng)過(guò)圖2 中劃分的功能模塊，本次的真空系統設計步驟定為：①設計系統，對管道、是否配備前級泵等進(jìn)行設置，②對各真空元件進(jìn)行參數設置，包括真空室、管道、閥門(mén)、真空泵等參數；③設置起始壓力、預抽壓力、終止壓力等，即可計算出抽氣曲線(xiàn)，④保存工程。按照上述步驟，依次輸入相關(guān)參數，計算出各階段的抽氣時(shí)間，然后實(shí)際開(kāi)啟鍍膜機相應的真空系統，計時(shí)測量各階段的抽氣時(shí)間，所得各數據如表2 所示。
表2 JGP-450 真空鍍膜機真空系統抽氣時(shí)間的計算值與測量值
由表2 可以看出，在粗抽階段的計算值和實(shí)驗測量值只相差0.03 min，誤差非常小，可以忽略不計；在精抽階段也只相差0.87 min，相對整個(gè)精抽階段22.15 min 而言，誤差率在3.92%左右。經(jīng)分析，主要是在粘滯流- 分子流這段過(guò)渡區域內，流導的計算公式與分子流態(tài)下的流導計算公式存在差異導致的。但是過(guò)渡期時(shí)間較短，一般可不考慮這部分的誤差。綜上，經(jīng)過(guò)實(shí)例驗證本軟件的精確度是滿(mǎn)足工程設計要求的。
6、結論
通過(guò)實(shí)際調研以及對真空系統設計計算的需求分析，筆者構架的真空系統設計軟件合理采用了螺旋過(guò)程模型，三層結構體系和五項功能模塊。選用了MDI 窗體進(jìn)行軟件主界面和各功能模塊窗口的編譯。為了在軟件的設計過(guò)程中實(shí)現多種數據類(lèi)型的保存和輸出，選用Microsoft Access2000 數據庫和ADO 訪(fǎng)問(wèn)接口來(lái)完成真空系統設計軟件的構建。所構建的真空系統設計軟件的系統操作界面人性化，數據庫數據易管理，功能模塊參數化易滿(mǎn)足各個(gè)行業(yè)對真空系統設計的需求，并通過(guò)實(shí)例計算驗證了真空系統設計軟件的計算精確度。
