CN110709607B - 用于监视泵送装置的运转状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监视与处理室(2)相连的泵送装置(5)的运转状态以确定该泵送装置(5)的故障运转状态的方法，该泵送装置(5)包括至少一个粗真空泵(7)，该粗真空泵包括：用于驱动该粗真空泵(7)的马达(M1)，以及变速驱动器(12)，它构造成控制马达(M1)的转速并且构造成一方面接收与设定点频率(C)对应的第一输入参数和与马达电流(i)对应的第二输入参数且另一方面向马达(M1)供应与控制频率(F)对应的输出参数，其特征在于，当在稳态运转(H)中第一输入参数与输出参数之差等于或超过第一输入参数的10％持续大于3秒的预定时间(T)时确定为故障运转状态。本发明还涉及一种泵送装置和一种设备。

Description

用于监视泵送装置的运转状态的方法

技术领域

本发明涉及一种用于监视连接至处理室的泵送装置的运转状态以便确定泵送装置的故障运转状态的方法。本发明还涉及一种泵送装置和采用所述方法的设备。

背景技术

真空泵包括两个转子，这些转子由马达驱动以在泵体(定子)内部转动。在旋转期间，从处理室吸入的气体被捕集在转子与定子之间的自由空间中，然后排放到出口。

真空泵尤其用于制作半导体、平面屏幕或光伏基材的工艺中，其需要的压力低于大气压。然而，在这些工艺中使用的气体可能会转化为固体副产物，这些副产物可能会以层的形式沉积在泵的活动和静态部件上并引起堵塞，然后由于转子与定子之间的过度摩擦导致的机构的抱死而引起泵的堵塞。

泵的堵塞会对在相关的处理室中制作的产品(例如成批的半导体晶片)造成不可逆转的损伤。这些无计划的生产中断会诱发可观的成本。

当前，真空泵的维护基于纠正和预防措施，最好的情况是能够在真空泵发生故障并停止之前预测预防性维护。

为此，在根据使用真空泵的应用而定义的时间段执行预防性维护操作。然而，该时间段与泵的实际使用条件不匹配，泵的实际使用条件可能会随着生产负荷的变化而变化，并且会直接影响泵的磨损率或堵塞率，从而导致不必要或过晚的运转。

已经开发了预测真空泵故障的方法，以尝试预测泵堵塞的开始并预料其更换。

例如，文献EP0828332提出监视使用中的真空泵的性能以通过测量马达的旋转扭矩或电流来预测其未来的运转特性。然而，该方法实施起来很复杂。事实上，不可能直接测量马达的旋转扭矩，因为扭矩传感器的体积太大。此外，测得的马达电流根据多种情况而变化而与真空泵的可能故障无关。因此，有必要将该信息与在真空管线或真空泵上进行的其它测量结果进行交叉引用，以便能够更好地解释该信息并且不会造成不及时的预防性维护。

还已知一种故障预测方法，其能够确定干式真空泵发生故障的时间。通过对泵的特性数据(电流、温度、振动等)进行统计处理并结合制造过程的特性(气体流量、压力、基材温度等)来估算真空泵在发生故障之前的使用时间。然而，此方法不是独立的。如果不考虑工艺的运行条件，就无法预测泵的使用寿命。分析系统取决于生产设备提供的信息，因此必须在设备与真空泵之间安装通信线路。而且，工艺条件的修改于是需要修改分析系统所使用的模型，这在真空泵的使用期间不是简单的过程。

从文献EP 1 754 888还已知一种真空管线故障预测方法。在该方法中，测量与泵的马达有关的第一功能参数和与用于从泵中抽出气体的系统有关的第二功能参数随时间的演化。然后通过统计处理使测得的功能参数相互关联，以预测在发生堵塞之前真空泵的使用时间。因此，真空管线能够在不与外部信号关联的情况下进行自我诊断。该方法特别适合于跟踪真空管道中固体产物的污染导致泵堵塞的现象的进展。

尽管一些已经开发出的预测方法可以解决这些问题，但仍在寻找一种成本较低的、更易于实现的故障预测方法，特别是通过避免成倍增加要处理的输入参数或实施新传感器。

因此，问题在于借助于一种可靠且实施起来简单的方法在没有迹象表明处理过程在处理室中进行并且不知道真空泵的使用条件的情况下确定真空泵的故障运转状态以便在泵发生故障之前保护处理室。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于监视连接与处理室相连的泵送装置的运转状态以便确定泵送装置的故障运转状态的方法，该泵送装置包括至少一个粗真空泵，该粗真空泵包括：

-用于驱动粗真空泵的马达，和

-变速驱动器(变速传动装置)，该变速驱动器控制马达的转速，并且构造成一方面接收与设定点频率对应的第一输入参数和与马达电流对应的第二输入参数且另一方面向马达传送与控制频率对应的输出参数，

其特征在于，当在稳态运转中第一输入参数与输出参数之差等于或超过第一输入参数的10％持续3秒以上的预定时间时，确定为故障运转状态。

在目的为诊断的粗真空泵逐渐堵塞的情况下，真空泵的负载会发生波动。事实上，频率交替减小和增大，而不会低于泵送装置的警告或警报阈值。然后，变速驱动器可以很好地解决由电流冲击引起的持续时间约为几秒或几分钟的任何频率减小。该监视方法使得可以检测到这些状况，以便预测泵送装置在几秒甚至几分钟内的突然停止，从而留出时间将泵送装置与位于上游侧的处理室隔离并切断气体向处理室中的进入。

根据所述监视方法的可以分开地或组合地应用的一个或多个特征：

-当在稳态运转中第一输入参数与输出参数之差等于或超过第一输入参数的4％持续所述预定时间时，确定为故障运转状态；

-所述预定时间大于10秒，

–所述预定时间小于30秒，

-在起动粗真空泵时，控制(命令)变速驱动器以便逐渐升高(增大)控制频率，直至达到设定点频率，

-在稳态运转中，设定点频率至少在大于或等于所述预定时间的时间内是恒定的，

-当控制频率升高并且马达电流超过加速电流阈值时，变速驱动器阻止控制频率的升高，

-当变速驱动器处于稳态运转且马达电流超过运转电流阈值时，变速驱动器使控制频率降低，

-当第一输入参数与输出参数之差等于或超过第一输入参数的90％持续一分钟以上的预定时间时，触发警告或警报。

本发明还涉及一种泵送装置，它包括至少一个粗真空泵，所述粗真空泵包括：

-用于驱动该粗真空泵的马达，和

-变速驱动器，该变速驱动器构造成控制马达的转速，并且构造成一方面接收与设定点频率对应的第一输入参数和与马达电流对应的第二输入参数且另一方面将与控制频率对应的输出参数传送给马达，

其特征在于，该泵送装置包括监视单元，该监视单元构造成用于按照如上所述的监视方法来监视泵装置的运转状态。

该泵送装置可包括罗茨鼓风机，该罗茨鼓风机与该粗真空泵串联地安装并且安装在该粗真空泵的上游侧。

本发明还涉及一种设备，该设备包括处理室，该处理室通过管道连接至如上所述的泵送装置的吸入口。

附图说明

通过阅读以下对本发明的一个特定但非限制性实施例的描述并根据附图，其它优点和特征将变得显而易见，在附图中：

-图1表示包括连接至泵送装置的处理室的设备的示意图，

-图2示出图1中的泵送装置的示意图，

-图3示出图2中的泵送装置的粗真空泵的元件的示意图，

-图4示出了图2中的泵送装置的元件的示意图，

-图5示出了根据与在起动阶段期间和稳态运转期间泵送装置的变速驱动器的控制频率随时间的演化成对应关系的时间的马达电流的曲线图的一个示例，以及

-图6是示出在稳态运转中变速驱动器的控制频率随着泵装置故障的发生而演化的一个示例的曲线图。

在这些图中，相同的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

以下实施例是示例。尽管描述涉及一个或多个实施例，但这并不一定意味着每次谈论都涉及同一实施例，或者这些特征仅适用于一个实施例。不同实施例的单个特征可以等同地组合或互换以提供其它实施例。

粗真空泵定义为正排量粗真空泵，它借助于两个转子在大气压下吸入、转移然后排出待泵送的气体。转子由两个轴承载，所述两个轴由粗真空泵的马达驱动而旋转。

罗茨鼓风机定义为正排量真空泵，它借助罗茨型转子吸入、转移然后排出要泵送的气体。该真空泵安装在粗真空泵的上游侧并与之串列。转子由两个轴承载，所述两个轴由罗茨鼓风机的马达驱动而旋转。

“上游”意味着一个元件相对于气体的流动方向放置在另一元件之前。相反，“下游”意味着一个元件相对于待泵送气体的流动方向放置在另一元件之后，上游元件处于比下游元件低的压力下。

图1中所示的设备1包括处理室2，该处理室2通过管道3连接至泵送装置5的吸入口4，该泵送装置5用于沿箭头所示的流动方向泵送来自室2的气体。该室2可以是在其中发生任何处理过程(工艺)的腔室，例如用于在硅片上制作微电子器件的沉积、蚀刻、离子注入或热处理工艺或在平板屏幕或光伏基材制作工艺。

泵送装置5包括至少一个粗真空泵7，该粗真空泵7包括泵体，在该泵体的内部，两个转子10可以由粗真空泵7的驱动马达M1(图2和3)驱动而旋转。

粗真空泵7是多级泵，也就是说，它包括多个—至少三个、例如五个—泵送级T1、T2、T3、T4、T5，这些泵送级串列安装在粗真空泵7的吸入口和排出口之间，并且待泵送的气体可以在其中流动。

每个泵送级T1-T5都包括各自的入口和各自的出口。连续的泵送级T1-T5通过各自的级间管道彼此串列连接，所述级间管道将前一个泵送级的出口连接至后一个泵送级的入口。第一泵送级T1的入口与粗真空泵7的吸入口连通，最后一个泵送级T5的出口与真空泵2的排出口6连通。

从图3中可以更好地看到，每个泵送级T1-T5都包括至少两个转子10，这些转子在泵体的定子8中被旋转而驱动。转子10在泵送级T1-T5中延伸。转子10的轴在排出级T5侧由粗真空泵7的马达M1驱动(图2)。

转子10包括具有相同轮廓的凸角。所示转子为“罗茨”型(“8”字形或豆形截面)。当然，本发明同样适用于其它干式多级粗真空泵的类型，例如“爪”型或螺旋型或螺杆型或基于与正排量真空泵类似的其它原理。

转子10成角度地偏移并且被驱动以在每个级T1-T5的中央壳体9中沿相反的方向同步转动。在旋转过程中，从入口吸入的气体被捕集在由转子10和定子8产生的容积中，然后由转子10驱动到下一级(气体的流动方向由图2和3中的箭头G示出)。

粗真空泵7被称为“干式”是因为在运转中转子10在定子8内转动而没有与定子8进行机械接触，这允许在泵送级T1-T5中完全不存在油。

粗真空泵7的排出压力为大气压。

如图2所示，泵送装置5可包括与粗真空泵7串联并且安装在粗真空泵7的上游侧的罗茨鼓风机11。

像粗真空泵7一样，罗茨鼓风机11是正排量真空泵，它借助于罗茨型转子吸入、转移然后排出要泵送的气体。

罗茨鼓风机11包括至少一个泵送级B1，其中两个转子由罗茨鼓风机11的马达M2旋转驱动。马达M2的旋转频率例如设定在30Hz至100Hz之间，例如55赫兹。

罗茨鼓风机11与粗真空泵7的主要区别在于更大的尺寸、更大的间隙公差以及罗茨鼓风机11不是在大气压下排放而是必须串列安装在粗真空泵7的上游侧这一事实。

粗真空泵7还包括变速驱动器12，该变速驱动器12构造成控制粗真空泵7的马达M1的转速。马达M1例如是异步马达，例如具有约5kW的马达功率。

变速驱动器12一方面构造成接收对应于设定点频率C的第一输入参数和对应于马达电流i的第二输入参数，另一方面构造成将对应于控制频率F的输出参数传送给马达M1(图4)。

设定点频率C可以是由用户例如通过修改变速驱动器12的模拟输入信号或借助于变速驱动器12的手动调节旋钮设定的参数。设定点频率C例如介于30Hz和60Hz之间(含30Hz和60Hz)，例如为60Hz。

马达电流i是马达M1消耗的电流。如果马达M1上的负荷增大，则马达电流i增大，而如果马达M1上的负荷减小，则马达电流i减小。

根据一个实施例，变速驱动器12以开环、例如通过脉冲宽度调制(PWM)来控制控制频率F。

变速驱动器12的逆变器使用决定电压和频率二者的脉冲流来控制马达M1。

开环控制不使用用以测量轴的转速或角位置的传感器。这种没有传感器的构型是经济的并且实现起来相对简单。

在起动粗真空泵7时(起动阶段D，图5)，控制变速驱动器12，以便在上升时间内例如按照增大的线性关系或按照可被编程的连续增大的线性关系来逐渐增大控制频率F，直至达到设定点频率C。

然后，一旦已达到设定点频率C，变速驱动器12就将控制频率F控制为恒定的且等于设定点频率C(稳态运转H)。

加速电流阈值S1可用于在控制频率F升高时保护变速驱动器12以免受电流冲击(过载电流)。例如，如果在起动阶段D中上升时间太短，则可能会发生电流冲击。

如果马达电流i超过加速电流阈值S1，则变速驱动器12阻止控制频率F升高，直至马达电流i减小并再次低于加速电流阈值S1(例如，参见图5中的起动过载阶段E1)。

加速电流阈值S1可以是可调节的。

设置操作电流阈值S2以在稳态运转H中保护变速驱动器12免受电流冲击，其中变速驱动器12将控制频率F设置为设定点频率C。

如果马达电流i超过运转电流阈值S2，则变速驱动器12降低控制频率F，直到马达电流i减小并再次低于运转电流阈值S2(例如，参见图5中的运转中过载阶段E2)。这种过载情形可能例如当在大气压下建立处理室2中的真空时出现。

如果马达电流i的值低于操作电流阈值S2不足几个百分点，则变速驱动器12再次使控制频率F增大，直至达到设定点频率C。

在稳态运转H中在变速驱动器12的控制下，控制频率F的降低和升高可以是线性的。工作电流阈值S2可以是可调节的。例如，它小于加速电流阈值S1。

如果对应于设定点频率C的第一输入参数与对应于控制频率F的输出参数之差在超过一分钟的长时间内等于或超过第一输入参数的90％，则触发警告或警报。例如，这可以指示粗真空泵7在起动阶段D中的抱死，从而导致例如粗真空泵7不能成功起动。

泵送装置5还包括监视单元13，该监视单元13构造成按照下文描述的监视方法来监视泵送装置5的运转状态。

监视单元13包括一个或多个具有适于监视泵送装置5的运转状态的存储器和程序的计算机或微控制器。监视单元13可以是变速驱动器12的监视单元或连接至变速驱动器12的远程单元。

监视单元13至少在稳态运转H中—也就是说当变速驱动器12未处于起动阶段D或停止阶段中时—监视由变速驱动器12发送到马达M1的控制频率F。在稳态运转中，设定点频率C至少在大于或等于预定时间T、例如三秒的时间段内是恒定的。

如果对应于设定点频率C的第一输入参数与对应于控制频率F的输出参数(第一输入参数大于输出参数)之差等于或超过第一输入参数的10％持续大于3秒、例如大于10秒的预定时间T，则确定运转状态有必要在稳态运转H中对粗真空泵7进行维护干预。换句话说，如果C-F≥0.1*C，也就是如果F≤0.9*C，则需要对运转状态进行干预(图5)。

例如，如果在预定时间T内由变速驱动器12发送给马达M1的控制频率F小于或等于54Hz，则判定粗真空泵7即将发生故障。

根据更严格的标准，如果在稳态运转H中在预定时间T内第一输入参数与输出参数之差等于或超过第一输入参数的4％，则确定运转状态需要对粗真空泵7进行维护干预。换句话说，如果C-F≥0.04*C，也就是如果F≤0.96*C，即早于F≤0.9*C，则需要对运转状态进行干预。

例如，如果在预定时间T内由变速驱动器12发送给马达M1的控制频率F小于57.6Hz，则判定为粗真空泵7即将发生故障。

预定时间T可以由计时器继电器测量或直接由监视单元13测量。预定时间T可以小于30秒。

因此，并且从图6的示例中可以看出，控制频率F下降超过2.4Hz持续超过13秒会导致粗真空泵7在预定时间T结束后的数秒内发生故障。

这种对泵送装置5即将发生故障的检测使得能够预测泵送装置5在几秒钟—在1秒与2分钟之间，这里为10到20秒—的时间内突然停止，这留出时间来将泵送装置5与上游处理室2以及可能的涡轮分子真空泵隔离并切断气体的供给。

在以诊断为目的的粗真空泵7逐渐堵塞的情况下，粗真空泵7的负荷发生波动。事实上，控制频率F交替地降低和升高而不会低于警告或警报阈值。变速驱动器12于是可以补偿由电流冲击引起的频率降低几秒钟或几分钟。因此，该监视方法使得能检测到这种情形，以便使用户能够在过度堵塞之前采取措施并保护处理室2。

监视单元13可以例如在判定即将发生的故障的情况下切换逻辑输出，或者切换与粗真空泵7的警告和警报继电器串联连接的继电器。这些继电器可以用于切断布置在处理室2与泵送装置5之间的隔离阀和/或切断气体向处理室2中的到达。

因此，该监视方法实现了一方面在没有迹象表明处理过程在处理室2内发生的情况下且另一方面不受对处理过程的干扰或处理过程的变更影响的情况下对泵送装置5的异常表现的简单和稳健的识别。

Claims (12)

1.一种用于监视与处理室(2)相连的泵送装置(5)的运转状态以便确定所述泵送装置(5)的故障运转状态的方法，所述泵送装置(5)包括至少一个粗真空泵(7)，所述粗真空泵包括：

-用于驱动所述粗真空泵(7)的马达(M1)，以及

-变速驱动器(12)，该变速驱动器构造成控制所述马达(M1)的转速，并且构造成一方面接收与设定点频率(C)对应的第一输入参数和与马达电流(i)对应的第二输入参数且另一方面向所述马达(M1)传送与控制频率(F)对应的输出参数，马达电流(i)是马达(M1)消耗的电流，

其特征在于，当在稳态运转(H)中所述第一输入参数与所述输出参数之差等于或超过所述第一输入参数的10％持续大于3秒的预定时间(T)时，确定为故障运转状态，由变速驱动器所传送的与控制频率(F)对应的输出参数与第一输入参数和第二输入参数相关，在判定即将发生的故障的情况下，切断布置在处理室与泵送装置之间的隔离阀和/或切断气体向处理室中的到达。

2.根据前一权利要求所述的方法，其中，当在稳态运转(H)中所述第一输入参数与所述输出参数之差等于或超过所述第一输入参数的4％持续所述预定时间(T)时，确定为故障运转状态。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预定时间(T)大于10秒。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定时间(T)小于30秒。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在起动所述粗真空泵(7)时，控制所述变速驱动器(12)以便逐渐升高控制频率(F)，直至达到所述设定点频率(C)。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在稳态运转(H)中，所述设定点频率(C)至少在大于或等于所述预定时间(T)的时间内是恒定的。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述控制频率(F)升高并且所述马达电流(i)超过加速电流阈值(S1)时，所述变速驱动器(12)阻止所述控制频率(F)的升高。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述变速驱动器(12)处于稳态运转(H)中并且所述马达电流(i)超过运转电流阈值(S2)时，所述变速驱动器(12)使所述控制频率(F)降低。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述第一输入参数与所述输出参数之差等于或超过所述第一输入参数的90％持续大于一分钟的预定时间(T)时，触发警告或警报。

10.一种泵送装置(5)，包括至少一个粗真空泵(7)，该粗真空泵包括：

-用于驱动所述粗真空泵(7)的马达(M1)，以及

-变速驱动器(12)，该变速控制器构造成控制所述马达(M1)的转速，并且构造成一方面接收与设定点频率(C)对应的第一输入参数和与马达电流(i)对应的第二输入参数且另一方面向所述马达(M1)传送与控制频率(F)对应的输出参数，

其特征在于，所述泵送装置(5)包括监视单元(13)，所述监视单元构造成按照根据前述权利要求中任一项所述的方法来监视泵送装置(5)的运转状态。

11.根据前一权利要求所述的泵送装置(5)，其特征在于，所述泵送装置包括罗茨鼓风机(11)，所述罗茨鼓风机与所述粗真空泵(7)串联地安装在该粗真空泵的上游侧。

12.一种包括处理室(2)的设备(1)，该处理室通过管道(3)连接至根据权利要求10或11所述的泵送装置(5)的吸入口。

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