基于PLC控制的氣密檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

基于PLC控制的氣密檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：現(xiàn)代工業(yè)中，氣密性檢測(cè)是一項(xiàng)重要的安全檢測(cè)，直接決定了產(chǎn)品的合格率。本文介紹一種采用plc控制方式，利用壓差檢測(cè)和溫度等效補(bǔ)償?shù)却胧茖?dǎo)出等效泄漏的方法，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種高效、便捷、自動(dòng)化程度高的氣密檢測(cè)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置測(cè)試精度高，性能穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：plc 氣密性 壓差檢測(cè) 溫度補(bǔ)償 自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中，氣密性的檢測(cè)是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，然而目前國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)氣密性的檢測(cè)依然是采用的水泡法，這種方法既落后，又耗費(fèi)財(cái)力物力，還不能檢測(cè)到目測(cè)無法完成的定量，從而直接影響了產(chǎn)品的性能。近年來，隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，越來越的場(chǎng)合需要現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進(jìn)入。而控制技術(shù)、信息處理技術(shù)和傳感器的迅速發(fā)展，使得氣密檢測(cè)理論以及測(cè)試方法都有了很大的改善提高，目前自動(dòng)定量檢測(cè)成了氣密性檢測(cè)的基本發(fā)展方式。在國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域還沒有放棄傳統(tǒng)的水泡法或者肥皂泡法，并且多數(shù)研究所機(jī)構(gòu)也沒有研制出技術(shù)先進(jìn)又節(jié)省工時(shí)的檢測(cè)方法；在國(guó)外也只有少數(shù)幾個(gè)科技發(fā)達(dá)的國(guó)家擁有相關(guān)的技術(shù)及儀器，但價(jià)格昂貴。為改變這一現(xiàn)狀，根據(jù)國(guó)內(nèi)外工業(yè)環(huán)境中對(duì)氣密性檢測(cè)的技術(shù)要求，以及現(xiàn)有的氣密性檢測(cè)裝置，本文主要采用plc控制系統(tǒng)，利用差壓傳感器，設(shè)計(jì)了一套具有溫度補(bǔ)償功能的高效率高性能的氣密性檢測(cè)裝置。檢測(cè)精度高，快捷方便，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。1、差壓泄漏檢測(cè)根據(jù)熱力學(xué)定理，在一個(gè)密封容器內(nèi)的理想氣體，同等條件下，氣體溫度變化相同的情況下，壓力和體積的積是常數(shù)。根據(jù)此定理，利用體積變化，壓力變化的差壓方式進(jìn)行氣密性檢測(cè)。差壓方式檢測(cè)原理：在相同的環(huán)境條件下，采用精密對(duì)稱的儀器，其中一個(gè)為理想條件下的無泄漏的對(duì)比工件，另一個(gè)為要進(jìn)行氣密性檢測(cè)的產(chǎn)品工件，在檢測(cè)階段，利用差壓傳感器采集差壓數(shù)據(jù)，利用上位機(jī)開發(fā)的系統(tǒng)軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而判斷其泄漏量1。差壓檢測(cè)氣路原理圖如圖1所示。根據(jù)理想氣體狀態(tài)平衡方程和熱力學(xué)原理，可以推斷出泄漏率和壓力差之間的關(guān)系方程公式2：q=pve/patmt m （1）其中：q為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的泄漏率，p為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品因泄露產(chǎn)生的壓差，ve為產(chǎn)品的有效容積，patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，tm為測(cè)試時(shí)間。2、系統(tǒng)溫度補(bǔ)償根據(jù)熱力學(xué)方程和氣體狀態(tài)平衡方程，差壓測(cè)量原理是建立在等溫過程的基礎(chǔ)上的，參數(shù)對(duì)模型對(duì)溫度有極其敏感的效應(yīng)。在實(shí)際測(cè)量過程中，溫度的起伏變化對(duì)檢漏儀的測(cè)試精度起著至關(guān)重要的作用，它不但關(guān)系到測(cè)試過程的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象也有不同的影響，因此引入溫度參數(shù)補(bǔ)償修正可以有效的改善測(cè)量結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度起到至關(guān)重要的作用。在產(chǎn)品檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，壓力、溫度及時(shí)間的相互關(guān)系如圖2所示。在氣密檢測(cè)過程中，被測(cè)件和標(biāo)準(zhǔn)件由于在材料、容積等方面的差別，從而溫度的變化也不同，并引起二者的壓力變化差不同，形成壓差，如果將被測(cè)工件的氣密性檢測(cè)中的溫度影響轉(zhuǎn)化為“溫度等效泄露”，從實(shí)際測(cè)試結(jié)果中減去。而溫度引起的壓差變化可有公式（2）表示：pt=p0(t/t0) （2）其中：p0為標(biāo)準(zhǔn)件和被測(cè)件的初始平衡壓力，t為標(biāo)準(zhǔn)件和被測(cè)件的最終溫度差，t0為標(biāo)準(zhǔn)件和被測(cè)件的初始溫度。因此，通過公式（2）可以計(jì)算出氣密檢測(cè)的溫度補(bǔ)償公式為：p=ptt0/tst-p0t/tst （3）3、系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)氣密性檢測(cè)系統(tǒng)主要：信號(hào)采集系統(tǒng)、plc控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、hmi系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等幾部分組成。其中信號(hào)采集系統(tǒng)主要采用羅克韋爾的差壓傳感器檢測(cè)被測(cè)件的壓力變化；plc控制系統(tǒng)是氣密性檢測(cè)系統(tǒng)的核心，主要通過采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制電磁閥、調(diào)節(jié)閥等進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)；氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2路或者4路的多路測(cè)量系統(tǒng)，通過電磁閥、調(diào)節(jié)閥、過濾閥和壓力傳感器等，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)件和被測(cè)件之間的氣路循環(huán)；電氣系統(tǒng)主要有指示燈、鑰匙開關(guān)、usb接口、執(zhí)行元件（電磁閥、調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)閥、氣泵等）等輔助電路組成，按照系統(tǒng)工藝的要求，根據(jù)plc應(yīng)用控制程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電氣應(yīng)用功能；hmi系統(tǒng)通過6寸的觸摸屏實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、權(quán)限登陸、曲線顯示、報(bào)表打印等功能；電源系統(tǒng)主要有220vac、24vdc、5vdc規(guī)格組成3、4。另外在氣密檢測(cè)裝置中還要提供動(dòng)力源，這里主要由驅(qū)動(dòng)氣源、增壓氣源和氣泵組成，主要用于提供氣動(dòng)控制和工作壓力氣體5。4、plc控制軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖案件系統(tǒng)主要采用模塊化的思想，先設(shè)計(jì)主程序結(jié)構(gòu)，主要包括壓力以及溫度信號(hào)檢測(cè)處理程序，液晶顯示，參數(shù)輸入修改等各個(gè)功能模塊的子程序，從而便于程序的編寫、測(cè)試、修改和維護(hù)。主程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊子程序調(diào)用，是一個(gè)順序執(zhí)行的無限循環(huán)的程序。在接通電源開始工作時(shí)，plc實(shí)現(xiàn)上電初始化階段，包括硬件初始化，i/o模塊配置初始化，停電保持范圍設(shè)定，系統(tǒng)通信參數(shù)配置及其他初始化處理6。然后依次進(jìn)入掃描過程以及出錯(cuò)處理等級(jí)段。在此階段，plc完成氣密檢測(cè)儀的自動(dòng)循環(huán)檢測(cè)。其檢測(cè)過程大致可分為四個(gè)部分：充氣階段、平衡階段、測(cè)量階段以及排期階段。在每個(gè)階段都有各自特定的掃描運(yùn)行時(shí)間，以便完成其正確測(cè)量，得出正確的結(jié)果。其主程序流程圖如圖3所示。充氣階段:系統(tǒng)收到準(zhǔn)備好啟動(dòng)信號(hào)后，發(fā)出控制信號(hào)，使充氣閥打開，排氣閥關(guān)閉，同時(shí)向產(chǎn)品工件和標(biāo)準(zhǔn)工件充氣，并充氣到指定的壓力。直到壓力達(dá)到規(guī)定壓力，plc控制器發(fā)出信號(hào)使充氣閥關(guān)閉，充氣階段結(jié)束。平衡階段:在平衡階段，充氣閥和排氣閥均關(guān)閉。由于容器內(nèi)溫度和外界溫度不平衡，從而進(jìn)行熱交換，plc給其提供足夠的時(shí)間使其進(jìn)行，以達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。此階段結(jié)束后，產(chǎn)品工件和標(biāo)準(zhǔn)工件內(nèi)部壓力相等，plc將整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的壓力、溫度值保存起來，以作為氣體泄漏后的壓力參考值。測(cè)量階段:在平衡階段結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)，plc控制器可以去檢測(cè)其他工件的氣密性，直到該檢測(cè)有足夠的時(shí)間泄漏氣體，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在測(cè)量階段，各個(gè)閥門均和平衡階段的閥門狀態(tài)相同，如果有氣體泄漏，其內(nèi)部壓力減小，產(chǎn)生的壓差可由壓差傳感器測(cè)得，并傳送至plc控制器，從而做出正確的分析。排期階段:在所有工序完成后，充氣閥處于閉合狀態(tài)，排氣閥打開，把標(biāo)準(zhǔn)工件和產(chǎn)品工件中的氣體全部排入大氣，所有閥門回到初始狀態(tài)。為下一次工件氣密性檢測(cè)做好準(zhǔn)備。5、檢測(cè)數(shù)據(jù)分析根據(jù)工業(yè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，模擬實(shí)驗(yàn)采用泄漏率為100kpa，5.16ml/min的標(biāo)定漏孔作為泄漏空，使用容積為100ml的密封容器作為被測(cè)件和標(biāo)準(zhǔn)件，檢測(cè)壓力為100kpa，允許偏差為1kpa，平衡容積為100ml，被測(cè)容積為120ml。經(jīng)過差壓傳感器信號(hào)采集，得到一組差壓數(shù)據(jù)7。采用溫度補(bǔ)償算法，依據(jù)泄漏率計(jì)算公式，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)分析?？傻茫簈=4.306ml/min，絕對(duì)誤差=5.164.306=0.854（ml/min），相對(duì)誤差=0.854/5.16100%=16.55%；考慮溫度影響時(shí)，q=5.1566ml/min，絕對(duì)誤差=5.165.1566=0.0034（ml/min），相對(duì)誤差=0.0034/5.16100%=0.066%。從以上數(shù)據(jù)可以看出，5.16ml標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差已經(jīng)小的多，經(jīng)過溫度補(bǔ)償之后的檢測(cè)結(jié)果，更加接近于真實(shí)值。6、結(jié)語(yǔ)氣密封性能檢測(cè)裝備的設(shè)計(jì)，為工業(yè)產(chǎn)品的氣密性檢測(cè)提供了可靠地設(shè)備。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的plc控制的檢測(cè)設(shè)備，使的精度更加準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度更高、性能更加穩(wěn)定。在控制算法中植入了溫度修正補(bǔ)償算法，從而避免了由于溫度影響造成的檢測(cè)結(jié)果是真的誤差。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性和精度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同類氣密性檢測(cè)儀。該產(chǎn)品對(duì)企業(yè)提高生產(chǎn)效率、減輕工作強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及降低企業(yè)成本有著重要的意義。參考文獻(xiàn)1黃軍壘.溫度補(bǔ)償性氣密性檢測(cè)儀研究的研制d.鄭州輕工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文,2009:1721.2朱小明,氣壓檢漏儀原理及其應(yīng)用j.現(xiàn)代零部件,2005(8):4850.3劉春,胡建平,郭磊,侯波.基于plc控制的氣密檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)原理j.2011年(06).4傅曉