基于PLC密闭设备气密性检测系统毕业设计论文.docx

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基于PLC密闭设备气密性检测系统毕业设计论文

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）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

插图清单

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

Thedesign sealingequipment’sAirtightDetectionSystembasedonPLC

Abstract:

Thesealedequipmentiswidelyappliedinvariousindustries.Suchascivilairdefensefacility,underwatersealedcabinandrequirethemotorwhichhaveagoodqualityofsealing.Thesealedequipmentinvariousindustriesalthoughexistdifferencesinthetermsoffunctionsetc,itallrequirethegoodqualityofthesealed.Simultaneously,duetothedifferentdegreesofopennessindifferentindustries,thedevelopmentsituationaboutthedetectingsystemofgastightnessalsodifferent,Insomeindustries,suchastheair-raidsheltersstilladoptpurelyhumanorlow-levelautomation’ssemi-automaticgastightnesssystemandair-raidsheltersstilladoptpurelyhumanorlow-levelautomation’ssemi-automaticgastightnesssystemanditcauselowefficiencyorlowprecisionininspection.Full-automaticgastightnesssystemcanfixthedetectofmanualworkanditcanimprovetheefficiencyandensurethehighprecision.Fortheimprovementprecisionofthesealedequipment,thisarticlebasedonfullyunderstandoftheessenceoftheairtightnessprincipleandthenillustratedetailsoftheAir-leakageDetector.UseoftheprevalentPLCprogramdesign,electHMIandPLCcommunicationtechnology.Onthebasisofensureman-machineinteractiononthegadsystem.usethepressureregulatingvaluecontrolairpressureandgasflow.TomakethegasflowsignalstransformedintoelectricalsignalsbythesensorsandthenthroughthesignalconditioningcircuittransformedtheelectricalsignalintoPLCdetectablesignal.ThroughthePLCAnalysisandtreatmentprocessingthenshowtheparametersanddatafromtheexperimentsontheHMIinterface.

Keywords:

Airtightness,PLC,HMI,human-computerinteraction

1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