毕业设计（论文）-基于PLC的密闭设备气密性检测系统

毕业设计(论文)基于PLC的密闭设备气密性检测系统系 别 ：专业（班级）：作者（学号）：指导教师：完成日期：蚌埠学院教务处制目 录 摘 要1 英文摘要2 1 引 言3 1.1 课题背景31.2 作用和意义 31.3 国内外现状和发展态势4 2 检测原理和系统设计总体方案介绍5 2.1气密性检测的概念52.2 系统设计原则5 2.3 系统设计方案简述63 系统硬件电路设计73.1 系统硬件总体结构7 3.2 电源模块设计 83.3 信号采集以及模块设计9 3.3.1信号拾取电路设计9 3.3.2信号调理电路设计103.4 PLC简介123.4.1 PLC的基本概念12 3.4.2 PLC的硬件组成部分12 3.4.3 PLC的主要特点 133.4.4 PLC的工作原理13 3.4.5 PLC的种类和比较14 3.4.6 PLC的选型143.4.7 PLC电路接线图15 3.5 信号输出设计 17 3.6 人机交互模块设计 18 3.7 HMI选型18 4 软件设计20 4.1下位机程序 20 4.2主程序20 4.3上位机程序21 5 系统调试 24 个人总结26 谢 辞27 参考文献28插 图 清 单 图2-1 系统总体结构件图6 图3-1 全自动气密检测系统结构框图8 图3-2 全自动气密检测系统电源配置和动力电气原理图8 图3-3 420mA电路图11 图3-4 PLC接线图15 图3-5 PLC的开关输出和模拟量输出电气原理图16 图3-6 PLC的开关量输入和模拟量输入电气原理图17 图3-7 PLC的AD拓展模块18 图4-1 主程序流程图20 图4-2 HMI机状态监视界面图21 图4-3 HMI机状态监视界面图22 图4-4 HMI机参数设定界面图22 图4-5 HMI机运行模式界面图23 图5-1 全自动气密检测系统密封腔体压力变化（充压过程）示意图25蚌埠学院本科毕业设计（论文） 基于PLC的密闭设备气密性检测系统摘 要：密闭设备广泛应用于各行各业，如人防设备密闭设备、水下密封舱、 要求密闭性能良好的发动机等。各行业的密闭设备虽然存在着功能等方面的差异性，但是其最终都要求其气密性能良好，同时由于各行业的开放程度不同，密闭设备的气密性检测系统的发展状况也不尽相同，在某些行业如人防工程中的密闭设备气密性检测仍然采用纯人工或者自动化程度不高的半自动气密性检测系统，造成检测效率低下及检测精度不高。全自动气密检测系统可以弥补人工方式的弊端，在提高检测效率同时可以保证检测精度。针对于密闭设备气密性精度的进一步提高，本文在充分理解和认识气密性原理本质的基础之上，对气密性检测仪进行了详细的论述，利用现如今普遍流行的PLC程序设计，选用HMI和PLC通信，在保证系统良好的人机交互基础上，利用调压阀控制气压和气体流量，通过传感器的检测将气体流量信号转化为电信号再通过信号调理电路将电信号转化为PLC可检测的信号，通过PLC的分析处理继而在HIM界面上显示出实验所得到的参数和数据。关键词：气密性，PLC，HMI,人机交互The designsealing equipments Airtight Detection System based on PLCAbstract:The sealed equipment is widely applied in various industries. Such as civil air defense facility, underwater sealed cabin and require the motor which have a good quality of sealing. The sealed equipment in various industries although exist differences in the terms of functions etc,it all require the good quality of the sealed. Simultaneously, due to the different degrees of openness in different industries, the development situation about the detecting system of gas tightness also different, In some industries, such as the air-raid shelters still adopt purely human or low-level automations semi-automatic gas tightness system and air-raid shelters still adopt purely human or low-level automations semi-automatic gas tightness system and it cause low efficiency or low precision in inspection. Full-automatic gas tightness system can fix the detect of manual work and it can improve the efficiency and ensure the high precision. For the improvement precision of the sealed equipment, this article based on fully understand of the essence of the air tightness principle and then illustrate details of the Air-leakage Detector. Use of the prevalent PLC program design, elect HMI and PLC communication technology. On the basis of ensure man-machine interaction on the gad system. use the pressure regulating value control air pressure and gas flow. To make the gas flow signals transformed into electrical signals by the sensors and then through the signal conditioning circuit transformed the electrical signal into PLC detectable signal. Through the PLC Analysis and treatment processing then show the parameters and data from the experiments on the HMI interface.Keywords:Air tightness, PLC, HMI, human-computer interaction1 引 言1.1 课题背景基于现代化工业中的生产技术的快速发展和科学技术的腾飞，产品的检测技术要求人们为其设置更高的要求。在那么多的检测方法中，气密性检测法作为密闭容器是否存在泄漏的其中的一种方法，在厂品质量的保护上面起到了不可替代的作用，在目前的许多行业中，比如说医疗卫生、食品安全、等众多领域，都离不开气密性的检测这一环节。对于一个具有密闭性质的容器产品而言，如果说在使用过程中突然发生容器的泄漏而且泄漏量非常大，当超过一个限制点时，产品的性能将不符合制作标准，其有可能产生的后果也是非常严重的。因在密闭容器之内的产品的气密性检测随着汽车、摩托车、燃气器具、食品、医疗等行业的迅速发展已经变得越来越重要，为了保障产品的生产质量，严格的气密性为泄漏检测，其主要是被应用于密闭容器气密性状态的的检测是该产品出厂之前必须要经过的程序。密闭设备的气密性检测也可称作测试。用于气密性检测系统的气密检测仪也已经被广泛的应用于医疗航空等多个领域。我国当前对检漏设备的需求量是非常大的，但是国内开发的该类检测设备却较少，国外也只有少数几个发达国家有这类检漏设备，物以稀为贵，固其价格都很昂贵。1.2 作用和意义我国在全世界正处在迅猛发展、日益腾飞的阶段，其工业的发展是国家崛起的根基，燃料已成我我国乃至世界其余各国发展的重要，其地位也是明显的重要。中国的燃气行业算来也发展了140多年了，我国城镇化率截至目前已经达到了43%，预计到2020年，全国人口城镇化的水平将会达到65%。在这一阶段，市政的基础设施被城市可持续发展和人居环境的改善要求要保持较高的水平，这同时也给予了城市燃气发展的机遇。燃气输送的系统所用到阀是其系统的重要部件，如果燃气在输送过程中因为输送设备中的阀出现问题而引起燃气泄漏事故，其造成的结果是相当危险的。不仅仅是在经济上的损失，更甚者是对人生安全的一种伤害。鉴于以上表述，可以看得出密闭设备气密性检测系统的重要性。由于早期的气密性检测设备所用的机器都是用手动控制的，随着PLC技术的迅速发展，近年来，由PLC控制的密闭设备气密性检测系统因此受到了人们的极大关注，PLC因其操作的可靠性、易于扩展、易于实现、便于编程的一系列优点备受人们的青睐！1.3 国内外现状和发展态势在目前利用气体流量公式进行检测是气密性检测方法中比较流行的。首先是要测量一些与泄漏量相关的参数，如压力、压差、弹性波等等，然后通过一定的关系式将相关量和泄漏量进行一定的转化1。这种检测方法以其受主观因素的影响小，检测精度高，而且容易实现自动控制的优点使其检测效率在某种程度上得到了极大的提高。依据不同的被测量的参数和气体流量的通用计算方式，PLC的气密性检测的方法又可分为直压法、流量法、差压法等等。其中对于被测参数的选取对于密闭设备气密性精度的检测有着重大的影响。这几种方法中的直压式的价格固然便宜但检测的精度却十分低，然而差压式与流量式的检测精度和价格都很高。因此应该依据不同工件的特征合理的选取气密性的检测设备，达到经济合理、选择明确、精确有效的目的。现如今密闭设备的气密性检测技术的研究上的工作基本都集中于泄漏的定量检测上面，缺点是不能确定泄漏的具体位置。目前出现了一种新的发展趋势即把水检方法和气密性检测技术融合在一起，形成一整套的多功能检测设备，随着计算机、传感技术的日新月异，密闭设备气密性检测技术的发展将迎来新的发展前景。国内外的研究机构长期以来一直致力于寻找一种有效的干式泄漏定位和检测的方法。其中，COSMOS公司和USON公司等在泄露定点检测上做了大量的工作，产品主要集中在两类：一类是用稀有气体作为介质用探头对被测对象挨个点检测，当有泄露点和探头达到足够距离时，仪器自动报警；另一类则是通过对被测对象充入适当压力的空气，使对象形成漏孔，气体继而穿漏孔形成湍流，并产生一定频率的连续带宽超声波，对此利用超声波定向探头扫描则可完成漏电定位2。2 检测原理和系统设计总体方案介绍2.1气密性检测的概念泄漏时在工业生产中属于常见现象，一般指的时候容器盛放的液体或气体由于容器本身质量的缺陷导致产品的流出现象称之为泄漏。社会上由于泄漏产生的影响和危害也是不容小觑的。小到自行车轮胎的泄漏造成人们旅途的不便；更甚者是煤气石油管道的泄漏，往往会造成火灾酿成惨剧的发生。容器的泄漏不外乎两个根本的原因，一个是由于外界环境、人为的原因使得产品质量不如生产出来的那么有保障，第二个是工作介质通过容器两侧的压力具有差异这一漏洞会产生泄漏现象。而密封是泄漏的一个相对的概念，因为世界上不会存在一个绝对不泄露的容器，所谓的不泄露都是把微小的泄漏量忽略不计因此密闭设备气密性的检测旨在给容器产品的把关，保证容器产品的合格率，进而避免由于泄漏可能会造成的不必要的危害和损失。，所以密封的概念只是相对而言。2.2 系统设计原则本次密闭设备气密性检测，利用全自动气密检测系统，该系统主要是基于精确度，自动化程度和实用性三个设计原则展开的。（1） 实用性 设计的过程中，尽可能的使用日常工业中常用的电气设备，同时配有现场故障诊断系统，这样可以在现场出故障时第一时间出来制止。（2） 精确度 确保必要的精确度是系统设计前提，如果没有达到一定的精确度，即使设计的过程再怎么完善都是不可行的，在设计中要选用具有高精确度的元器件以及测量仪器。（3） 自动化程度 在基于高效率，高性能低成本的条件下，本次设计使用自动化程度较高的PLC作基本单元，人机交互单元则使用HMI人机交互。2.3 系统设计方案简述图2-1 系统总体结构件图密闭设备气密性的检测是基于PLC实现的，PLC是在一个基本单元，通过与其他设备的连接控制来达到设计的目的，本设计的系统硬件包括输入模块，PLC系统，信号采集，人机交互模块和电源模块；输入模块包括压力传感器、信号采集、A/D转换、信号调理；人机交互模块指的是HMI人机交互界面。该设计中的软件系统分为上、下位机程序两个部分。下位机程序可分为A/D转换子程序、主程序等几个模块。上位机程序的主要作用就是连接PLC通信接口去控制控制仪，而且还能够接受数据，这些数据属于下位机，从而实现人机之间的对话3。3 系统硬件电路设计3.1 系统硬件总体结构系统硬件框图如图3-2所示。密闭设备的气压先是由压力传感器进行信号采集；然后对信号进行高精度的采集与处理，这是由信号调理电路来实现的；这时的信号是模拟信号，需要将其转换成数字信号；这样PLC才能对其进行分析、处理，这就需要A/D转换电路了；这样的数字信号被PLC分析、处理然后发出指令来对仪器进行控制；触摸屏是检测人员与机器进行相互交流的界面，检测人员通过触摸屏对检测设备进行操作，通过显示屏显示得到当前气压值和设定气压值；整个过程都是通过以PLC为基础单元的进行的。同时也可以通过数据线将PLC的通信接口与上位机通信接口进行连接，从而实现通讯4。从图可知本系统所提供的密闭设备专用的全自动气密检测系统由5.7英寸HMI作为人机界面、高精度比例流量控制阀、高精度气体流量变送器、高精度微压变送器、手动调压器等部件构成。PLC作为控制核心，内置最大分辨率为12000的AD模块和4-20mA输出的DA模块，可以实现对气体流量变送器和微压变送器及比例流量控制阀的输出电信号进行AD转换，同时给比例流量控制阀提供4-20mA的设定信号5。HMI实现人机交互，提供参数设置、状态显示等功能。当气源开始供气后，系统通过微压变送器和流量变送器实时监测密闭腔体内的压力及进气量，并据此适时控制流量比例阀的开度，使得防护设备形成的超压室检测腔的压力逐步进入并稳定保持在设定的区域（50Pa或100Pa），此时的流量变送器的输出值即为在该检测压力下此超压室的泄漏量，当密闭腔体内达到标准压力状态下的测得泄露流量值与合格品设置值比较，超过即为不合格品，并通过声光报警提示6。图3-1 全自动气密检测系统结构框图3.2 电源模块设计图3-2是全自动气密检测系统电源配置和动力电气原理图。系统的主工作电源为220VAC，HL0为电源工作指示灯，有电时HL0亮，Q1为自动开关，当系统电源过压、欠压及后续设备过载时Q1会断开，合上Q1，后续电器有电，当合上Q2自动开关后，空压机工作，空压机内部带有压力检测元件，可以自动根据内部压力实现空压机的起停。FU1-2为熔断器，可以对开关电源TC1起过流及短路保护。F1为漏电保护器，可以防止操作人员在操作过程中的触电发生,其中的LH1为交流互感器。图3-2 全自动气密检测系统电源配置和动力电气原理图电源电路包括第一自动开关Q1，其两个静触点分别接220V市电的零线N1、火线L1，电源工作指示灯L1挂接在第一自动开关Q1的静触点和220V市电之间，第一自动开关Q1的两个动触点分别引出零线N2、火线L2，熔断器FU1的一端挂接在火线L2上、熔断器FU2的一端挂接在零线N2上，熔断器FU1、FU2的另一端均与开关电源TC1的输入端相连，开关电源TC1的输出端输出+24V直流电至可编程控制器PLC，漏电保护器F1挂接在零线N2、火线L2上，空气压缩机通过第二自动开关Q2挂接在零线N2、火线L2上。系统的主工作电源为220VAC，有电时，电源工作指示灯L1亮，当系统电源过压、欠压及后续设备过载时第一自动开关Q1会断开，合上第一自动开关Q1，后接设备有电，当合上第二自动开关Q2后，空气压缩机工作，空气压缩机内部带有压力检测元件，可以自动根据内部压力实现空气压缩机的起停。熔断器FU1、FU2可以对开关电源TC1起过流及短路保护, 漏电保护器F1可以防止操作人员在操作过程中的触电发生。3.3 信号采集以及模块设计PLC应用系统中的信号输入、传感和信号调理、交换的过程，是将密闭超压腔内气压导入检测系统的通道13。不但是为了将超压腔内的实时、真实气压反映出来，可以分为实时性与测量精度，而且也是为了使被测量的气压信号能够输入PLC进行分析处理。这一部分分为信号拾取、信号调理以及抗干扰问题几个部分。3.3.1信号拾取电路设计本部分是将超压室检测腔中气压的变化量通过传感器来测量，然后拾取到输入单元输入给PLC。（1） 传感器的作用本系统是用PLC来实现系统控制的，但是PLC对非电物理量无法处理，只能处理数字信号，而超压室检测腔中气压是非电物理量，所以要先将非电物理量转换成模拟信号14。（2） 传感器的定义首先在传感器中需要有个部件，这个部件的作用就是直接感受被测量，我们称这个部件为敏感元件。其次敏感元件将被测量直接感受出来后，需要将这感受出来的输出量转换成为能够传送、接收以及测量的电信号，这个元件我们称为转换元件。此外传感器是一种能实现信息的显示、传输、存储、控制和记录的检测装置，按照一定的规律将检测到的信息转化为电信号或者其他形式的输出信号。（3） 传感器工作原理传感器是一种能够对外界的信息做出反应并且能够按照一定的原理将所得到的信号转换成所需要的信号的装置，简单的说，传感器的功能是将外部信号转换成电信号。本设计的传感器的作用就是接受外界的输入信号（密闭超压腔中的气压信号）处理后传入PLC中。(4) 传感器的选型本着安全可靠、稳定的原则，本设计采用的压力传感器为德国HELM生产的HM23空压机压力传感器，该传感器具有内置稳压器，可以使用在一定范围内的未经调整的供电电源；因为坚固的结构和有效的防湿气保护，所以可以在非常恶劣的环境下进行工作;为了降低环境温度和测量介质温度对传感器的影响，因此配备了宽范围的温度补偿。具体参数见下表3-1：表3-1 传感器参数表型号HM23测量范围0100KP.60MPa过载能力2倍满量程压力测量介质与316不锈钢兼容的气体或液体综合精度典型：0.25%FS零点温度漂移典型：0.015%FS/灵敏度温度漂移典型：0.015%FS/响应时间3毫秒 3.3.2信号调理电路设计在各种恶劣的环境影响下，传感器的工作能力就会受到一定的影响，在接收信号的同时会产生误差，信号量过小以及信号波动等情况，因此需要对压力传感器信号进行高精度采集处理，从而得到与理想最接近的信号源，这就是信号调理的重要性。这部分的设计主要是前级处理电路，该电路由高精度低漂移运算放大器构成。输入阻抗高、增益高是运用差动放大器的原因，本设计的差动放大器是用OP07构成的。本设计的的集成放大芯片选用OP07，OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。OP07的工作特性见表3-2：表3-2 OP07工作特性表型号OP07失调电压25V偏置电流2nA开环增益300V/mV偏移电压150V电源电压3V22V图3-3 420mA电路图3.4 PLC简介3.4.1 PLC的基本概念在工业控制应用而设计制造的可编程控制器早期被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC,原本是代替继电器达到逻辑控制的目的，随着科学技术的发展，这种控制器的功能不仅仅局限于逻辑控制这个领域范围之类了，因此被改名为可编程控制器，简称PC，为了与个人计算机的PC区分开，又将可编程控制器简称为PLC7。PLC是利用数字运算的电子装置，存储指令使用可编程存储器，控制工业生产中被操作的大型机械装置，具有数字量和模拟量的输入输出控制能力，渐渐地在工业生产控制领域起到了不可取代的主导作用。3.4.2 PLC的硬件组成部分 (1)CPU模块CPU在PLC的控制中是处在大脑的位置，起到核心领导的作用，中文名叫中央处理器，英文全称为Central Processing Unit,由微处理器和控制接口电路组成，控制着整个PLC系统中的程序执行和输入，现场设备状态和数据的接收和PLC之间的通信。CPU自身也拥有着自我诊断功能，当在摸个环节上面出现故障时，CPU能够自行的接收故障信息指示然后作出具有预警性质的动作8。 在PLC中，CPU完成的主要任务依次为在储存器中读取指令，执行指令，预备取出下一条指令，处理中断。 (2)电源PLC电源模块分两种，一种独立应用操作，一种是与CPU集成之后接入电路中，主要的功能就是为PLC的系统运行提供能量，电源以其输入频率的差异分为直流电源和交流电源两类。(3)存储器存储器的主要功能是存储数据和各种程序，计算机中的存储器高速自动的运行数据的存取，具有记忆功能，相当于人脑中的记忆模块，在PLC中主要是应用于数据和程序单元的存放。用户程序是应用软件的两大类型之一，在PLC中指的是使用者在根据工业现场中的生产流程以及工艺的需求编写的控制类的程序；系统程序则是指被完成PLC的各种类型的程序均是由制造商用特定的CPU指令编写的并且被长时间存储的指令和程序。ROM(只读存取器)以及RAM（随机存储器）是PLC的两种不同类型的存储器。(4)输入/输出模块输入输出模块是作为PLC的端口起着与外部环境相互连接的作用，PLC通过输入模块接收相关数据信息，经过内部CPU的处理之后再通过输出模块将处理过的数据信息输出到应用设备上面。工业生产中对于I/O接口的要求也是挺高的，要求必须具有一定的适应和抗干扰的能力，能够很好地与各种类型的信号连接。 (5)其他接口电路现在的PLC技术还配置了除I/O接口的之外的其他接口，主要的功能是可以让PLC与多种特殊环境相互连接，主要有通信接口，I/O扩展接口等等9。3.4.3 PLC的主要特点1、 使用很灵活，通用性能强2、 可靠性高，抗干扰能力强3、 体积小，重量轻，性价比高4、 编程语言容易掌握5、 易于实现机体一体化6、 设计、调试周期短3.4.4 PLC的工作原理当PLC被投入运行时，它的工作过程即一个扫描周期被分为输入采样，程序执行，输出刷新三个阶段，在PLC的运行期间，CPU会以一定的扫描速度持续不断的重复着一个扫描周期的三个阶段。集中采样，周期性循环扫描，集中输出是PLC控制的三种工作方式。这些工作方式的突出优点是有效的避免了继电器的时序失配以及触点竞争等问题的发生。PLC的周期扫描机制较之以前工业传统的控制方式，程序设计被大大简化了，可靠性能被大大提高了。工作时，PLC会每个周期会定期执行一次输入输出过程，而且每个周期仅仅执行一次，在信号在被输入的过程中，数字信号被启动并被输入，经过数字滤波的处理后的有效值寄存放入输入信号的状态器之中。数字信号在被输出之时，首要的是把存放在输出信号的状态寄存器之中的信息转送入输出单元，当被检查到传送过程已经圆满完成时，做出最后的一步，即把数字信号痛过转换器换为原先的模拟信号在去输出10。但是局限的是，PLC的这种输入输出过程在现如今已渐渐的不能去满足有些比较先进的控制系统，现在好多工厂的控制系统都会采用输出单元和智能输入等方法去解决这种现存的问题。3.4.5 PLC的种类和比较国内目前的市场上的PLC型号和种类越来越多了，最有典型代表性的的几个品牌有，美国的AB，德国的西门子，法国的施耐德，日本的欧姆龙，富士，三菱等每个品牌的PLC在工业中所能够适用的工作环境是各不相同的。比如西门子，AB施耐德比较适用作为一些大型的器械的控制设备，而日本的三菱，欧姆龙相对而言运用的就比较广泛了。对于大型的PLC虽然在某种程度上实现的功能和扩展会更多一些，但是在价格方面来讲是比较昂贵的，中小型的PLC控制设备功能较齐全，性价比也挺高，价格相对而言也比较低廉。3.4.6 PLC的选型PLC的I/O点数估算对照该控制系统的设计要求，确定所需输入输出设备，在进行估算时，要全面综合考虑输入输出个数、类型以及电流和电压等级等等，但具体选型时不仅满足客户需求，还要有20%左右的备用量，有助于以后使用过程中的调整和扩充功能。内存估算（1） 内存的利用率：通过编程器，用户可以把按要求编写的程序键入到主机内，然后将程序以机器语言的方式存于机器内存中，对于同一个程序，不同的生产厂家的产品中，在存放程序时所需要的内存大小也是不同的，相比较而言，越高的使用率给客户带来种种好处，这样不仅减少内存大小，达到节约的目的，同时在工作时减少扫描周期，从而在使用过程中提高了系统的响应速度，减少响应时间。（2） 输入输出I/O点数：开关点I/O总点数是可编程控制器作为计算机所需内存容量估算的一个非常重要的依据，在一些常见系统中，开关量输入与输出的比为6:4，然后根据所有的点数对整个程序所需内存量进行估算，一般常用公式为内存容量=输入输出开关量I/O总点数1011（3） 编写程序质量：对程序的长短和运行所需要的时间的很大影响因素就是程序编写的质量，对于进行同一个系统的控制程序编写，不同的用户编写出的程序会使整个控制程序的长度和整个执行时间差别到很到的程度，一般情况下，要给新手多一些内存剩余量，而对有经验的编写者，可少留一些内存剩余量。一般采用公式：存储器的总数=（开关量I/O的总点数10+模拟量的点数150）125%12响应时间：由于可编程控制器进行控制工作的形式是按照顺序扫描，所以它不可以可靠稳定地去收到一些维持时间比它正常工作时扫描周期小的输入信号，因此必须要去认真考虑所设计控制系统的扫描周期和系统响应时间。机型的选择:本设计所选用的PLC型号是三菱FX2N型。3.4.7 PLC电路接线图图3-4 PLC接线图图3-5是全自动气密检测系统PLC的开关量输出和模拟量输出电气原理图。所述FX2N的模拟量输出端口与气流比例调节阀的输入端相连，FX2N内设定气流比例调节阀的设置值范围为420mA， FX2N的开关量输出端口分别与固态继电器SSR1、SSR2、SSR3的一端相连，固态继电器SSR1与控制阀EV1的开关串联，固态继电器SSR2与控制阀EV2的开关串联，固态继电器SSR3与控制阀EV3的开关串联16；FX2N的开关量输出端口与声光报警器相连；FX2N的开关量输出端口分别与小型继电器K1、K2、K3的线圈相连；控制阀EV1、EV2、EV3的开关、声光报警器、小型继电器K1、K2、K3的线圈均接+24V直流电，小型继电器K1、K2、K3作为系统备用扩展用。图3-5 PLC的开关量输出和模拟量输出电气原理图3.5 信号输出设计PLC结束运算处理后，需要对控制对象进行控制。本设计中这部分包括PLC的开关量输入和模拟量输入以及PLC的开关量输出和模拟量输出15。图3-6是全自动气密检测系统PLC的开关量输入和模拟量输入电气原理图。可编程控制器PLC采用三菱的FX2N型，流量变送器、微压变送器的输出端接FX2N型PLC的模拟量输入端口，FX2N的开关量输入端口分别与手动/自动按钮SB1、急停按钮S1的一端相连，手动/自动按钮SB1、急停按钮S1的另一端均接+24V直流电。FX2N型PLC内置通道的AD模块和DA模块，将微压变送器、流量变送器的输出接到模拟量输入端口，FX2N型PLC采用24VDC供电，手动/自动按钮SB1可实现系统的手动和自动切换，当系统发生故障需要紧急停机时按下急停按钮S1。图3-6 PLC的开关输入和模拟量输入电气原理图图3-7是PLC的AD拓展模块，型号是FX2N-4AD,它有四个输入通道，输入通道接收模拟信号并将其转换成数字量，这称为A/D转换。FX2N-4AD最大分辨率是12位。基于电压或电流的输入/输出的选择通过用户配线来完成，可选用的模拟值范围是-10V到10VDC（分辨率:5mV）,并且/或者4到20mA,-20到20mA(分辨率：20A),FX2N-4AD和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据。FX2N-4AD共有32个缓冲存储器（每个16位）。FX2N-4AD占用FX2N扩展总线的8个点。这8个点可以分配成输入或输出。FX2N-4AD消耗FX2N主单元或有源拓展单元5V电源槽30mA的电流。FX2N4AD是4通道输入压力传感器模拟量输入模块。利用压力传感器输出的模拟量信号接在FX2N4AD的其中一个通道上（注意是电流还是电压信号接法是不同的），然后通过编程将该信号转为数字量送到PLC主机进行计算去控制负载。图3-7 PLC的AD拓展模块3.6 人机交互模块设计人机交互部分包括操作者对应用系统状态的干预与数据输入，以及应用系统向操作者报告运行状态与运行结果。本设计的人机交互部分采用的就是HMI人机交互17。3.7 HMI选型本设计选用的HMI机型是由上海布科电气有限公司生产研发的MT4400T型，该机型是布科公司MT4000系列产品。该HMI的界面包括检测工位窗口、状态监视窗口、运行控制窗口等，在状态监视窗口中，提供了压力设定、压力检测、流量检测、检测结果等界面，显示直观明了。具体参数见下表3-3： 表3-3 MT4000T型HMI机参数型号MT4400T显示尺寸8TFT分辨率640480显示色彩64K彩色触摸屏4线精密电阻网络（表面硬度4H）液晶寿命50000小时CPU200MHZ RISC存储器8M FLASH+16M SDRAM通讯端口2个RS232/485/422口，一个USB SLAVE口配方存储器&RTC256KB+实时时钟供电电源2128VDC，工作电流MAX400mA24V,启动电流MAX600mA24V耐压测试500V AC1分钟工作环境温度045工作环境湿度1090%RH（无冷凝）外形尺寸23517253mm安装开孔尺寸224161mm4 软件设计全自动气密检测机数据采集及控制仪设计的软件系统包括下位机程序和上位机程序两部分。下位机程序主要有主程序、开关量输出子程序等几个模块。上位机程序主要是通过串行接口实现对控制仪的控制，并且可以接收下位机的数据并显示相关变化曲线。4.1下位机程序图4-1所示的是系统总流程图。系统启动后，首先系统初始化，然后读取系统参数，进入主程序后进行触摸屏显示、阀门开度控制程序、模拟量比较计算程序、停机程序和报警程序等构成。图4-1 主程序流程图4.2主程序PLC上电或复位时，首先进入主程序。主程序包括对系统的初始化，调用A/D子程序和判断是否有异常报警等。初始化程序主要是对I/O口、定时器、串行口以及全局变量的初始化18。经过初始化程序之后，系统的各个部分准备就绪，可以进入工作状态。比例流量控制阀开度改变与否是根据 传感器检测出的气压值与设定值符合与否而设定的。4.3上位机程序本设计的上位机程序也就是HMI人机交互，采用的是上海布科电气有限公司生产研发的MT4400T型，该HMI的界面包括检测工位窗口、状态监视窗口、运行控制窗口等，在状态监视窗口中，提供了压力设定、压力检测、流量检测、检测结果等界面，显示直观明了。HMI界面见下图：图4-2 HMI机状态监视界面图图4-3 HMI机状态监视界面图图4-4 HMI机参数设定界面图图4-5 HMI机运行模式界面图5 系统调试在完成硬件电路设计和软件设计后，对系统进行了调试，以测试整个信号采集系统的性能并对其进行优化，使其可以进行正常可靠的工作。图5-1是全自动气密检测系统密封腔体压力变化（充压过程）示意图。从图5-1可知首先将检漏机与被检测设备气路连接，检查整个被测设备的密闭腔体符合RFJ-2002、RFJ04-2009的相关要求19。通电后开始设定各种状态及参数（操作模式、充压时间、稳压时间、压力参数、流量参数等），然后开机将有压气源（采用空气压缩机供气）接入至检漏机（预先通过进气调节阀门调节控制一次气体压力为0.40.6 M Pa），气体经气路进入手动调压器二次调压（一般为0.15 M Pa0.35 M Pa，预先调节，以保持比例流量控制阀正常工作为宜）后进入比例流量控制阀，有控制地充入密闭腔体。腔体内的压力随着气体的增加由零不断增高逐渐逼近目标值（RFJ01-2002中规定防护门为100Pa，密闭门为50 Pa），腔体内压力变化曲线如图5-1。压力监测是从密闭腔体取样口引出气体至压力变送器，测出腔体内的实时压力值，反馈至可编程控制器并反映在监控面板上，可编程控制器按预先编制好的程序逻辑根据密闭腔体内压力实时变化值控制比例流量控制阀的开度不断变化20，直至腔体内的压力达到并稳定在预先设定的目标值。在此状态下，密闭腔体泄露出的气体数量与进入腔体的气体流量达到动态平衡，进气管路中测得的流量值就等同于该密闭腔体的漏气量。流量监测由安装在进气管路上的气体流量变送器实时测量出流量数值反馈至可编程控制器并反映在监控面板上。图5-1中垂直轴P为腔体内压力数值，水平轴T为与其相对应的时间，t1、t2、t3、t4是由比例流量控制阀开度的运动速度K所决定，黑线为腔体内压力变化曲线（示意）。P0、P1、P2、P3、P4、 K1、K2、K3、K4、K5均在开机前设定输入。以某次测定产品GM1020为例，设定的P0为50、P1为30、P2为35、P3为40、P4为45，同时对应的控制比例流量阀开度的电信号K1、K2、K3、K4分别设定为1/4、 1/10、 1/30 、1/60、1/90。以上过程可以作以下描述，开机初期，比例流量控制阀以每4秒钟1个信号的速度快速打开，当腔体内迅速升至30Pa后改为10秒1个信号的较快速度开启，腔体内压力达到35Pa后又改为30秒1个信号的较慢速开启，当压力为40Pa时又再次改为每60秒1个电信号的慢速开启，当压力为45Pa时最终以每90秒1个电信号的速度很缓慢地进入P0区域，（RFJ04-2009中规定P0为50Pa，读数有效区域为50+2Pa），若P值超过52Pa后，比例流量控制阀就减小开度，使腔体内的压力继续维持在有效区域内21。图5-1 全自动气密检测系统密封腔体压力变化（充压过程）示意图个人总结本文研制的全自动气密检测机数据采集及控制仪是一种采用流量法来检测气体密闭性的仪器。本文在对全自动气密检测机工作原理研究的基础上做了以下具体工作：(1) 在认真对于课题任务设计书的分析和全自动气密检测机工作原理的研究，制定了系统的总设计方案。(2) 本设计对全自动气密检测机的信号采集、输入模块的信号调理电路的模拟电路的设计和信号输出模块的两路开关量输出电路及变送信号放大电路的设计。 (3) 进行了PLC的程序编写，使用PLC对整个系统的工作运行进行控制。(4) 为系统设计了串行通信，实现了本系统与其他设备的连接互动。得到以下结论：随着计算机技术的产生以及社会对于电子信息产业给人们带来的便利，人们对于智能化的需求越来越高，微处理器的发展也随着发生巨大的变化。而微处理器作为PLC的核心，因其简单的结构、方便的编程、很高的可靠性在工业过程和位置的自动控制中得到广泛的应用与发展。该设计中的全自动气密检测机总体概括了PLC、传感器以及微处理器的功能还有效的结合了智能控制与其进行数据分析和输送。 总体来说分为两点：一是对信号进行采集时通过运用传感器来实现，然后经放大调理后输送给PLC进行信号的处理分析，这时在选择放大电路时需小心谨慎，要保证能安全稳定的工作。二是精密度问题，它是传感器的最为重要的性能指标，所以精密度越高越好，因此在对传感器进行选型时本设计采用的是空压机专用的传感器22。尽管本文设计基本满足系统的要求，但还有许多需要改进的地方，例如空压机及密闭超压检测腔选用等。由于时间、费用等原因没有制作成样机。谢 辞四年的大学生涯随着毕业论文的结束即将进入尾声，在这四年的大学生活中，累过，笑过，苦恼过，迷茫过，任性过，反省过，尤其是在这一年深感前途的迷茫，一直都在寻找着前进的方向，在同学的帮助和老师耐心的教会之中，我渐渐的走出了盲区，找到了奋斗的目标和动力，在这四年的生活中，我也得到了锻炼，在各种磨练之中得到了成长，在此，我想对在这四年大学里陪伴、帮助和指导过我的人说一声发自内心的感谢。首先，我要感谢老师们对我的悉心指导和谆谆教诲，在这我尤其要感谢我的论文指导老师乔爱明老师，本课题是在乔爱明老师的耐心指导下顺利完成的，从论文的选题，资料的查询，实验的设计到论文的最后完成，都是倾注了乔老师的精力和心血。他是个知识渊博，工作一丝不苟，品德高尚，是个很有责任心的老师，他的授课非常的生动，在他的课上我都能聚精会神的听讲，他教会了我很多，让我懂得了如何去面对自己的不足，并且及时的去纠正，告诉我以后在人生的路上如何去面对生活的得与失，在这我要表示深深的感谢。同时我还要感谢我的大学室友和同学以及在社团认识的朋友，是他们丰富了我的大学生活，让我体会到了作为一个大学生该有的快乐和关怀，可能他们不是最帅最优秀的，但是在我眼里他们是最可爱的，只要跟他们在一起我会有家一般的感觉，寝室是我在外地城市上学感觉最温暖的一个地方。感谢我的大学室友。他们教会了我包容和理解，因为有你们我的大学生活才不至于这么枯燥。其次我还要感谢我的家人，感谢你们给了我这个求学的机会，感谢你们这二十多年来对我精神上的支持和鼓舞，我坚信在你们不断地鼓励和关爱之中，在以后的生活中我会克服重重困难，勇敢的迎接社会给与的种种挑战，因为有你们的爱，我的未来会越来越美好。最后，再次对所有关心和帮助过我的老师，同学，朋友，家人表是我最真挚的感谢!参 考 文 献1 梁景凯.机电一体化技术与系统M.北京:机械工业出版社,2010(1):12-192 张建民.机电一体化系统设计M.北京:北京理工大学出版社,2007(4):24-323 赵承利.Protel DXP电路设计M.北京:中国铁道出版社,2009(5):7-154 日森荣二.LC滤波器设计与制作.M.薛培鼎,译.北京:科学出版社，2006(2):23-295 Jim Karki.Active Low-Pass Filter DesignR.TI Application Report,20026 Donald A Nedmen.Electronic Current Analysis and Design M.2nd Edition,20027 杨将新,杨世锡.机械工程测试技术M.北京:高等教育出版社,20088 徐发强,胡建生,陈军,汤凯J.现代电子技术,2008(2):1-39 蔡锦福.运算放大器原理与应用M.北京:科学出版社,2005(8):56-6710 秦曾煌.电工技术.M(第六版).北京:高等教育出版社,2003(3):35-4211 秦曾煌,姜三勇.电子技术.M(第七版).北京:高等教育出版社,2009(5):67-7512 王阿根.电气可编程控制原理与应用.M(第二版).北京：清华大学出版社，201014 王辉，张亚妮，徐江伟.欧姆龙系列PLC原理及应用M.人民邮电出版社，2009(3):14-2215 刘卫平，王明泉.差压法检测压力气体泄漏的研究J.机械工程与自动化，2010(1):45-4916 索雪连，遇大道等，毛细管流变仪温度场的有限分析 J 机械工程师,2005（12）:23-2717 吴孝俭，艳容鑫，泄漏检测M 北京：机械工业出版社，200518 Cosmo Co ,Ltd.http/www.coamo-k.co.jp/English/product/index htm.Japan19 朱小明，气压检测仪原理及其应用J,现代零部件，2005（8）:48-50.20 刘春，胡建平，郭磊，侯波，基于PLC控制的气密性检测仪的设计原理J,2011年（06）:17-2321 傅晓云，杜经明，李宝仁，气密自动装置的研究J,液压与气动，2005（05）:34-4122 李银华，安小宇，黄军垒，工业部件密封性能检测装置的研究J,自动化与仪表，2010（05）:56-62- 29 -