基于PLC和HMI的真空检测系统设计毕业设计Word格式.docx
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RongChen
Supervisor：
WentongWu
[Abstract]Vacuumtechnologyiswidelyusedinmodernindustrialproductionandscientificresearch,howconvenientdetectionofvacuumsystemisanimportantpartoftheapplicationofvacuumtechnology.
TheneedfortheproductionoftoiletdesigntheuseofthethestaticboostLawvacuumdetectionsystem,thestructureandfunctionofthesystem,accordingtothedesignrequirements,asthecontrolsystemMitsubishiPLCFX2Nladderasaprogramminglanguage,WeiLunMT60702asaman-machineinterface,theformationofathetoiletvacuumtestsystem.Ofthissystemliesintheacquisitionandprocessingofvacuumpressure,thispaperusesMitsubishianalog-to-digitalconvertermoduleFX2N-2AD,completethethetoiletvacuumtestautomationtouchscreencontrolanddatadisplay.Thedetectionsystemhashardwareissimple,reliable,convenientandflexible,adjustingtheparameterstomeetthethetoiletqualitytestingneeds.
[Keywords]VacuumtestPLCman-machineinterfacetoilet
第一章概述
1.1选题相关背景
马桶在上釉烧成后得对桶身和水箱部分进行气密性检测，以检测质量是否合格。
气密性检测的通常方法有气泡法、超声波法、涂抹法、静态升压法、化学气体示踪检漏法、流量法等，传统的检测气密性的方法多采用气泡法和涂抹法，气泡法是将产品浸入到水中，充入压缩的空气，然后看产品有没起泡冒出来判断其气密性；
涂抹法是在内部充有一定气压的工件表面涂抹肥皂水一类的易产生气泡的液体，观察产生气泡的情况以检测泄漏量的大小。
[1]这两种方法操作简单，能直接观察到泄漏的部位和泄漏情况，但由于事先不知道工件泄漏的部位和几处泄漏，难以收集全气泡，影响测量的准确性；
其次，对于像马桶这种体积大、笨重的产品，采用这两种方法就显得费时费力还不讨好了。
本系统真空检测采用静态升压法，具体做法是先把马桶的桶身和水箱抽到一定的真空度，用真空阀将系统和真空泵隔开，若系统内压力保持不变或变化甚微，说明此系统不漏气，若系统内压力上升很快，表示系统漏气，加上ＰＬＣ具有可靠性高、编程方便、易于使用、工作环境要求比较低和人机界面的使用，真空检测技术相对于传统技术具有自动化程度高，对产品本身无损伤，效率高等优点。
1.2设计任务
按下开始按钮，由电磁阀控制的气缸1开始动作（向下密封住口1），3秒后由电磁阀控制气缸2动作，密封好后真空泵抽真空，规定在10秒内达到设定值后停止真空泵抽真空（此值可有触摸屏设定），保压25秒，在25秒压力值不变则合格显示灯亮，否则有蜂鸣器报警，无论合格与否，在显示灯亮的同时电磁阀泄压，只有当压力值小于10Pa时电磁阀控制两气缸同时缩回，在此过程中显示屏记录检测时间、检测数量、合格数、不合格数、合格率、压力值。
此信息可由USB插口送到其他硬盘。
第二章：
马桶真空检测介绍
2.1真空检测技
真空技术是现代科学技术的一个重要组成部分,广泛应用于国民经济中的各个领域里,推动并促进了科技研究和生产技术的发展,而真空检测是真空技术的一个重要环节。
真空检测就是真空度的测量，而真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度。
以压力表示真空度是由于历史沿用下来的，意味着压力高真空度低，反之，压力低真空度高。
[2]
现代真空测量的传感器,大部分都是用电离规,并且在中程真空范围用途最广泛。
常用的电离真空规测量仪,都采用模拟电路控制发射电流,并把它当成固定数来运算.
2.2马桶真空检测系统的流程
马桶的真空检测技术是把马桶的检测部件中的空气给抽空，在预定的时间内压力保持在设定范围则产品合格，工艺流程简单，如图2-1所示
图2-1马桶真空检测工艺流程图
第三章：
可编程控制器和人机界面的介绍
3.1PLC的介绍
可编程控制器的英文简写为PLC（ProgrammableLogicController）,它是以微机处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
他具有体积较小，功能强大，使用灵活通用与维护方便等一系列优点，特别是他的高可靠性和适应恶劣环境的能力，而备受用户的青睐。
在工业领域获得了广泛应用。
现在PLC已经基本上取代了以传统继电器为核心的电气控制系统。
[3]
3.1.1PLC基本结构
PLC的外部主要有接线端子、接口部分、状态指示部分，配合CPU和编程器就组成了整体，如图3.1，扩展接口是接PLC的特殊功能模块以完成特殊功能，丰富了PLC的功能，扩大了使用范围。
[4]
图3-1PLC系统示意图
plc编程器的工作过程一般可分为四个扫描阶段：
（1）初始扫描阶段，在此阶段PLC复位，检查I/O总线和程序存储器。
（2）外设命令执行扫描阶段，在此阶段PLC执行编程器、图形编程器等外设输入的命令。
（3）执行用户程序扫描阶段。
（4）数据输入/输出扫描阶段。
3.1.2PLC的应用领域
随着PLC的不断发展，它与计算机、机器人和通信技术的融合越来越强，现在已经广泛使用于钢铁、汽车、军工、家电、电力、建材、机械制造、烟草、轻纺、铸币、航空及文化娱乐等各个职业，运用情况大致可以概述为如下几类：
（1）开关量的逻辑操控
（2）运动操控
（3）进程操控
（4）数据处置
（5）通讯及联网
3.1.3三菱ＦＸ２n系列可编程控制介绍
FX2N系列可编程控制器是日本三菱公司生产的小型高性能系列产品，是进入我国市场最早的产品之一，在我国自动化控制系统中有较多的应用。
[5]截止目前，已有F、F1、F2、FX2、FX1、FX2C、FX0、FX0N、FX0S、FX2N、FX2NC、FX1S、FX1N和最近推出的FX3U、FX3UC型等多种可编程控制器，其图如下3-2.
图3-2三菱PLC-FX2N
它的主要性能如下：
（1）控制规模：
16-256点
（2）ＣＰＵ运算处理速度０．５５＂－－０．７ｕＳ／基本指令
（3）在ＦＸ２Ｎ系列右侧可连接为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要－－－－模拟I/O，高速计数器。
定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。
对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。
（4）数据通信功能强大
连接到世界上最流行的开放式网络CC-Link，ProfibusDp和DeviceNet或者采用传感器层次的网络解决用户的通信需要。
（5）时钟功能和小时表功能:
在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。
时间设置和比较指令易于操作。
小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。
（6）持续扫描功能:
为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。
输入滤波器调节功能:
可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中X000到X017）。
（7）注解记录功能:
元件注解可以记录在程序寄存器中。
（8）在线程序编辑:
在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。
（9）RUN/STOP开关:
面板上运行/停止开关易于操作。
（10）远程维护:
远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据
（11）密码保护:
使用一个八位数字密码保护您的程序。
（12）交流电源、24V直流输入类型
3.2人机界面介绍
人机界面（HumanMachineInteraction，简称HMI），又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。
是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。
[6]
3.2.1人机界面基本结构
人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。
根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用不同的处理器。
HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JB－HMI画面组态软件）。
使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。
3.2.2威纶人机界面EB8000介绍
威纶人机界面又称维纶人机界面，是威纶通有限公司的产品，在生产自动化、过程自动化领域提供多种选择的优质人机界面产品、解决方案及服务，在电气、包装、化工、机械、纺织等行业得到广泛使用。
威纶通主要人机界面型号有：
MT6050i、MT6056i、MT6070i、MT6100i（普及性）、MT8000（高级带以太网系列）、MT6000series（通用型）、TK6000series（通用型）、MT8000series（网络型）、MT8000Xseries（专业型）。
3.3传感器介绍
传感器是能够感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器按原理分类有振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、压力传感器、生物传感器等
测量真空的传感器有很多，但用的较多的是电阻式真空规和电离式真空规。
电阻式真空规，利用电热丝的电阻温度特性和温度随压强变化关系，将压强变换为电阻测量，用电桥测出待测电阻，原理图如图3-3所示。
[7]
图中Rx为电阻式规管，接入待测真空系统。
R为与Rx结构相同的补偿管，用来抵消环境温度的影响。
Ro用于调节零点，即调电桥平衡。
电离规结构如图3-4所示，阴极发射的电子在栅极电场作用下得到加速和气体分子碰撞，并使它电离，正离子飞向带负电位的收集极，离子流的大小和气体压强成正比。
一般电离真空计测量范围为10-1～10-5帕，只有系统真空度到达10-1帕以后才能启动电离规。
又电离真空计使用中，要对电极除气，方法为对栅极、阴极通电加热，红热的栅极、阴极烘烤收集极使它除气，每次除气要持续5～10分钟，注意，除气要在真空度达10-2帕以上才能进行。
真空系统其它部分一般也用烘烤办法除气。
第四章：
硬件设计
4.1控制要求
（1）开机复位
（2）气缸1动作，向下密封住口1
（3）3S后若连体的话气缸2动作，向下密封住口2，若分体则跳到下步
（4）密封好后真空泵抽真空，10S秒内桶中的压力大于等于上限值则到下一步；
否则产品不合格，泄压气缸缩回，重新复位。
（5）开始保压25S，若压力大于下限值则合格，泄压气缸缩回，重新复位；
否则判定产品不合格，蜂鸣器报警，泄压气缸缩回，重新复位。
（6）整个过程中显示屏记录检测时间、检测数量、合格数、不合格数、合格率、压力值。
此信息可由USB插口送到其他硬
4.2压力信号的采集和处理
压力信号要转化为PLC能够识别的信息，必须先把压力转化成电信号，由于压力是连续变化的模拟信号，为使PLC能够运用，还必须转换成数字信号。
马桶真空检测系统的真空属于低真空，根据系统的要求，考虑经济性和实用性，选择了广州华茂传感仪器有限公司的VP4通用标准型压力传感器，具体型号是VP451-0.1M-M20*1.5-P2A2V1。
提供二线制电流输出4-20mA,量程0-0.1MPa，实际螺纹接口是M20*1.5，精度0.5%FS，电源为24V的直流电源，电气连接是大赫斯曼接头。
[8]其接线形式如图4-1所示：
图4-1传感器电气接线
模数转换功能可以用到三菱PLC的FX2N-2AD模数功能模块。
FX2N-2AD型模拟输入模块用于将2点模拟输入（电压输入或电流输入）转换成12位的数字值，并将这个值输入到PLC中。
[9]其技术指标如下：
项目
数字输入
电流输入
模拟输入范围
0到10VDC,0到5VDC
4到20mA
数字输出
12位
分辨率
2.5mV（10/4000）1.25mV（5/4000）
4uA{（20-4）/4000}
集成精度
±
1%（全范围0到10V）
1%（全范围4到20mA）
处理时间
2.5ms/1通道
占用Ｉ／Ｏ点数
占用八个输入或输出点数
传输指令
写指令To和读指令From
FX2N-2AD的缓冲寄存器（BFM）功能分配比较简单，每个BFM均为16位，其分配表如下：
BFM编号
b15到b8
b7到b4
b3
b2
b1
b0
#0
保留
输入数据的当前值（低8位数据）
#1
输入数据当前值（高4位）
#2到#16
#17
模数转换开始
模数转换通道
#18或更大
BFM#0：
由BFM#17（低八位数据）指定的通道的输入数据当前值被存储，当前值数据以二进制形式存储
BFM#1：
输入数据当前值（高端4位数据）被存储，当前值数据以二进制形式存储。
BFM#17：
b0……进行模拟到数字转换的通道（CH1,CH2）被指定。
B0=0……CH1
B0=1……CH2
b1……0→1A/D转换过程开始
4.3PLC控制流程图
4.4硬件选型
针对本系统I/O点数不多，ＰＬＣ采用三菱公司的ＦＸ２Ｎ系列整体式ＰＬＣ，型号为FX2N-32MR-001，基本单元带16点输入/16点继电器输出。
特殊功能模块选用FX2N-2AD，把压力模拟信号转换成数字信号。
触摸屏采用威纶MT6070iH,触控面板是4线模拟电阻式，输入电源为24VDC。
COM口分布为Com1:
RS-232/RS-4852w/4w,Com2（RS232）,Com3:
RS-4852w。
4.5PLC资源分配
4.5.1I/O节点分配
输入地址分配
输出地址分配
X0
启动
Y0
泄压
X1
停止
Y1
气缸1伸出
X2
连体
Y2
气缸1缩回
X3
分体
Y3
气缸2伸出
X4
气缸1伸出到位
Y4
气缸2缩回
X5
气缸1缩回到位
Y10
启动信号灯
X6
气缸2伸出到位
Y11
合格灯
X7
气缸2缩回到位
Y12
蜂鸣器
X10
复位
Y13
真空泵
4.4.2内部寄存器分配
辅助继电器
数据寄存器
M0
D50
保压时间/S
M25
开机时泄压完成
D60
保压时间/100mS
M28
计数清零
D70
抽空时间/S
M29
参数设置确总
D80
抽空时间/100mS
M30
均值大于上限
D100
采样平均值
M31
均值等于上限
D110
采样均值显示
M32
均值小于上限
D148
采样频率
M40
均值大于下限
D330
压力上限
M41
均值等于下限
D340
压力下限
M42
均值小于下限
D350
返回值
M50
均值大于缩回值
D360
总数
M51
均值等于缩回值
D370
不合格数
M52
均值小于缩回值
D380
合格数
M90
产品不合格
D390
M91
产品合格
D400
不合格率
M92
气缸都缩回到位
D410
合格率
M93
有产品被检测
D420
M94
M92触发
D460
总数的浮点化
M132
采样次数大于250
D470
不合格数浮点化
M133
采样次数等于250
D480
合格数浮点化
D500
检测时间
D503
气缸伸出时间
D505
抽空时间
D508
保压时间
第五章软件设计
5.1PLC梯形图设计
本系统中程序包含PLC控制的真空检测部分和用于触摸屏的部分，PLC控制的真空检测程序比较简单，用了步进指令，清晰明了；
用于触摸屏的程序多数据处理运算，较繁琐。
现详列部分程序做说明。
5.1.1开机复位
当初始步S0被激活时，如果压力小于缩回值则泄压，说是泄压，实质是打开真空阀，空气进入真空空间，压力上升。
当压力大于缩回值且气缸未缩回到位，则先后缩回气缸2和1。
5.1.2压力的模数转换
模数转换功能用到了写指令TO和读指令FROM。
TO指令是从plc对增设的特殊单元（如fx2n-4da）缓冲存储器（BFM）写入数据的指令,TO指令的编程格式：
tok1k12d0k2
*k1：
特殊模块的地址编号，只能用数值，范围：
0---7
*k12：
特殊模块的缓冲存储器起始地址编号，只能用数值，范围：
0---32767
*d0：
源寄存器起始地址编号，可以用t，c，d数值和位元件组合如k4x0
*k2：
传送的点数，只能用数值。
范围：
1---32767
tok1k12d0k2指令的作用是：
将plc的16位寄存器d0，d1的数值分别写入特殊单元（或模块）n0.1的缓冲寄存器（BFM）#12，#13中
From指令是将plc增设的特殊单元（如fx2n-4ad）缓冲存储器（BFM）的内容读到可编程控制器的指令。
读出指令From的编程格式：
fromk1k29d0k2
*k1:
*k29：
目标寄存器起始地址编号，可以用t，c，d和除x外的位元件组合如k4y0
fromk1k29d0k2指令的作用是：
从特殊单元（或模块）N0.1的缓冲寄存器（BFM）#29，#30中读出16位数据传送至plc的d0，d1寄存器里。
根据以上的介绍结合前文关于FX2N-2AD的BFM说明，现对程序进行详解如下：
T0K0K17H0K1把0写入#17，作用是选择通道1
T0K0K17H2K1把2（即二进制10）写入#17，作用是模数转换开始。
FromK0K0K2M100K2读取通道1的值到M115～M100。
5.1.3判断是否连体
双向投掷开关X2和X3分别选择是连体还是分体，若是连体则伸出气缸2，再抽真空，若分体则直接过渡到抽真空。
5.1.4抽真空并做初步的判断
抽空的时间T2由D505在触摸屏参数设定页面中来设定，M8012每100ms触发一次D70增加计数一次，用于计算气缸抽真空时间。
若真空泵抽真空2秒后，测定均值大于等于上限值时则直接进入下步。
5.1.5保压25S后定出产品等级
保压的时间T6由D508在触摸屏参数设定页面中来设定，保压时间到转入下步，M8012每100ms触发一次D60增加计数一次，用于统计保压时间。
若保压过程中测定值D100大于或等于上限值，则程序跳转到S32判定产品不合格。
5.1.6统计合格数、不合格数、总数、合格率、不合格率
当产品不合格触发M90，则不合格数D370加一；
当产品合格触发M91，则合格数D380加一；
不管合不合格，都触发产品总数D360加一。
FLT是对整数的浮点化转换指令，用于计算产品的合格率和不合格率。
5.1.7计数清零
计数清零由触摸屏来完成，当触发M28时数据寄存器复位。
5.1.8参数设定
参数值由触摸屏的参数设定页面设定，D508、D505、D503分别表示保压时间
、抽空时间、气缸伸出时间。
因设定的单位是100mS，顾设定值扩大了10倍。
5.1.9检测时间
检测时间由M8013每秒一次触发D500一次，并由触摸屏显示！
5.1.10蜂鸣器和合格灯控制
5.1.
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