【文章內容簡介】 來達到設計的目的，本設計的系統(tǒng)硬件包括輸入模塊， PLC系統(tǒng)，信號采集，人機交互模塊和電源模塊； 輸入模塊包括壓力傳感器、信號采集 、 A/D 轉換、信號調理；人機交互模塊指的是 HMI 人機交互界面。 該設計中的軟件系統(tǒng)分為上、下位機程序兩個部分。下位機程序可分為 A/D轉換子程序、主程序等幾個模塊。上位機程序的主要作用就是連接 PLC 通信接口去控制控制儀，而且還能夠接受數(shù)據，這些數(shù)據屬于下位機，從而實現(xiàn)人機之間的對話 [3]。 蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 3 系統(tǒng)硬件電路設計 系統(tǒng)硬件總體結構 系統(tǒng)硬件框圖如圖 32 所示。 密閉設備 的氣壓先是由壓力傳感器進行信號采集；然后對 信號進行高精度的采集與處理，這是由信號調理電路來實現(xiàn)的；這時的信號是模擬信號，需要將其轉換成數(shù)字信號；這樣 PLC 才能對其進行分析、處理，這就需要 A/D 轉換電路了；這樣的數(shù)字信號被 PLC 分析、處理然后發(fā)出指令來對儀器進行控制；觸摸屏是檢測人員與機器進行相互交流的界面，檢測人員通過觸摸屏對檢測設備進行操作，通過顯示屏顯示得到當前氣壓值和設定氣壓值；整個過程都是通過以 PLC 為基礎單元的進行的。同時也可以通過數(shù)據線將PLC 的通信接口與上位機通信接口進行連接，從而實現(xiàn)通訊 [4]。從圖可知本系統(tǒng)所提供的 密閉 設備專用的全 自動氣密檢測系統(tǒng)由 英寸 HMI 作為人機界面、高精度比例流量控制閥、高精度氣體流量變送器、高精度微壓變送器、手動調壓器等部件構成。 PLC 作為控制核心，內置最大分辨率為 12021 的 AD 模塊和420mA 輸出的 DA 模塊，可以實現(xiàn)對氣體流量變送器和微壓變送器及比例流量控制閥的輸出電信號進行 AD 轉換，同時給比例流量控制閥提供 420mA 的設定信號 [5]。 HMI 實現(xiàn)人機交互，提供參數(shù)設置、狀態(tài)顯示等功能。當氣源開始供氣后，系統(tǒng)通過微壓變送器和流量變送器實時監(jiān)測密閉腔體內的壓力及進氣量，并據此適時控制流量比例閥的開度 ，使得防護設備形成的超壓室檢測腔的壓力逐步進入并穩(wěn)定保持在設定的區(qū)域（ 50Pa 或 100Pa），此時的流量變送器的輸出值即為在該檢測壓力下此超壓室的泄漏量，當密閉腔體內達到標準壓力狀態(tài)下的測得泄露流量值與合格品設置值比較，超過即為不合格品，并通過聲光報警提示 [6]。 曹雪冰：基于 PLC 的密閉設備氣密性檢測系統(tǒng) 8 圖 31 全自動氣密檢測系統(tǒng)結構框圖 電源模塊設計 圖 32 是全自動氣密檢測系統(tǒng)電源配置和動力電氣原理圖。系統(tǒng)的主工作電源為 220VAC， HL0為電源工作指示燈，有電時 HL0 亮， Q1 為自動開關，當系統(tǒng)電源過壓、欠壓及后續(xù)設備過載時 Q1會斷開，合上 Q1，后續(xù)電器有電，當合上Q2 自動開關后，空壓機工作，空壓機內部帶有壓力檢測元件，可以自動根據內部壓力實現(xiàn)空壓機的起停。 FU12 為熔斷器，可以對開關電源 TC1 起過流及短路保護。 F1為漏電保護器，可以防止操作人員在操作過程中的觸電發(fā)生 ,其中的 LH1為交流互感器。 蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 圖 32 全自動氣密檢測系統(tǒng)電源配置和動力電氣原理圖 電源電路包括第一自動開關 Q1，其兩個靜觸點分別接 220V市電的零線 N火線 L1，電源工作指示燈 L1掛接在第一自動開關 Q1的靜觸點和 220V市電之間，第一自動開關 Q1的兩個動 觸點分別引出零線 N火線 L2，熔斷器 FU1 的一端掛接在火線 L2上、熔斷器 FU2 的一端掛接在零線 N2上，熔斷器 FU FU2的另一端均與開關電源 TC1的輸入端相連，開關電源 TC1的輸出端輸出 +24V 直流電至可編程控制器 PLC，漏電保護器 F1掛接在零線 N火線 L2上，空氣壓縮機通過第二自動開關 Q2掛接在零線 N火線 L2上。系統(tǒng)的主工作電源為 220VAC，有電時，電源工作指示燈 L1 亮，當系統(tǒng)電源過壓、欠壓及后續(xù)設備過載時第一自動開關 Q1會斷開，合上第一自動開關 Q1，后接設備有電，當合上第二自動開關Q2 后，空 氣壓縮機工作，空氣壓縮機內部帶有壓力檢測元件，可以自動根據內部壓力實現(xiàn)空氣壓縮機的起停。熔斷器 FU FU2可以對開關電源 TC1起過流及短路保護 , 漏電保護器 F1可以防止操作人員在操作過程中的觸電發(fā)生。 信號采集以及模塊設計 PLC 應用系統(tǒng)中的信號輸入、傳感和信號調理、交換的過程，是將密閉超壓腔內氣壓導入檢測系統(tǒng)的通道 [13]。不但是為了將超壓腔內的實時、真實氣壓反映出來，可以分為實時性與測量精度，而且也是為了使被測量的氣壓信號能夠輸入 PLC 進行分析處理。這一部分分為信號拾取、信號調理以及抗干擾問題 幾個曹雪冰：基于 PLC 的密閉設備氣密性檢測系統(tǒng) 10 部分。 信號拾取電路設計 本部分是將超壓室檢測腔中氣壓的變化量通過傳感器來測量，然后拾取到輸入單元輸入給 PLC。 （ 1） 傳感器的作用 本系統(tǒng)是用 PLC 來實現(xiàn)系統(tǒng)控制的，但是 PLC 對非電物理量無法處理，只能處理數(shù)字信號，而超壓室檢測腔中氣壓是非電物理量，所以要先將非電物理量轉換成模擬信號 [14]。 （ 2） 傳感器的定義 首先在傳感器中需要有個部件，這個部件的作用就是直接感受被測量，我們稱這個部件為敏感元件。其次敏感元件將被測量直接感受出來后，需要將這感受出來的輸出量轉換成為能夠傳送、接收以及測量的電信號，這個 元件我們稱為轉換元件。此外 傳感器是一種能實現(xiàn)信息的顯示、傳輸、存儲、控制和記錄的檢測裝置，按照一定的規(guī)律將檢測到的信息轉化為電信號或者其他形式的輸出信號。 （ 3） 傳感器工作原理 傳感器是一種能夠對外界的信息做出反應并且能夠按照一定的原理將所得到的信號轉換成所需要的信號的裝置，簡單 的說，傳感器的功能是將外部信號轉換成電信號。本設計的傳感器的作用就是接受外界的輸入信號（密閉超壓腔中的氣壓信號）處理后傳入 PLC 中。 (4) 傳感器的選型 本著安全可靠、穩(wěn)定的原則，本設計采用的壓力傳感器為德國 HELM 生產的 HM23 空壓機 壓力傳感器，該傳感器具有內置穩(wěn)壓器，可以使用在一定范圍內的未經調整的供電電源；因為堅固的結構和有效的防濕氣保護，所以可以在非常惡劣的環(huán)境下進行工作 。為了降低環(huán)境溫度和測量介質溫度對傳感器的影響，因此配備了寬范圍的溫度補償。具體參數(shù)見下表 31： 表 31 傳感器參數(shù)表 型號 HM23 測量范圍 0~100KP...60MPa 過載能力 2 倍滿量程壓力 蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 測量介質 與 316 不銹鋼兼容的氣體或液體 綜合精度 典型 ： 177。%FS 零點溫度漂移 典型 ： 177。%FS/℃ 靈敏度溫度漂移 典型 ： 177。0 .015%FS/℃ 響應時間 ≤3毫秒 信號調理電路設計 在各種惡劣的環(huán)境影響下，傳感器的工作能力就會受到一定的影響，在接收信號的同時會產生誤差，信號量過小以及信號波動等情況，因此需要對壓力傳感器信號進行高精度采集處理，從而得到與理 想最接近的信號源，這就是信號調理的重要性。這部分的設計主要是前級處理電路，該電路由高精度低漂移運算放大器構成。輸入阻抗高、增益高是運用差動放大器的原因，本設計的差動放大器是用 OP07 構成的。 本設計的的集成放大芯片選用 OP07， OP07 芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。 OP07 的工作特性見表 32： 表 32 OP07 工作特性表 型號 OP07 失調電壓 ≤25μV 偏置電流 177。2nA 開環(huán)增益 300V/mV 偏移電壓 ≤150μV 電源電壓 177。3V~177。22V 曹雪冰：基于 PLC 的密閉設備氣密性檢測系統(tǒng) 12 OUTA1INA2INA+3V4INB+5INB 6OUTB7V+8U1OP2177RG1150R525KR425KININ+C8C215VC1AGNDC6C4AGNDAGNDVo+VoR35KR220KR120K9VR101KVin1Gnd2OUT3U4 7809C18C14 220uF/16VE324VAGNDAGNDC5AGNDC17100uF/35VE1220uF/25VE2F1Fuse 1VD3P6KE36GND3V+8NC1CAP+2CAP4OSC7LV6VOUT5U6icl7660E410uF/16VE610uF/16VE710uF/16VC13AGNDR1610ROUT1COM2COM3NC4NC5COM6COM7IN8U378L15AGND AGNDVCC_IOUTC19AGND9V15VR115102KQ12SC3303Q29013VCC_IOUTR1227RR1440R1340OUTC16C9AGNDAGND12P1Header 2123P4Header 3AGND9VC12AGNDD4SS14D1(1N4148)D2(1N4148)C10AGNDININ+9VAGND1234P2Header 4123P3Header 324VAGNDOUTC21AGND9VR640KR740KR840KR940K32674U2OP0715VIN31OUT2ADJU5 LM317KCR17VD2P6KE36R15470RVD1 M7E810uF/25VS1S215VVD4M7103/2KVC22AGND123P5Header 3AGNDE522uF/25VC20C23D3 M7VOUT=*(1+R17/R15) 圖 33 4~20mA電路圖 PLC 簡介 PLC 的基本概念 在工業(yè)控制應用而設計制造的可編程控制器早期被稱為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller），簡稱 PLC,原本是代替繼電器達到邏輯控制的目的，隨著科學技術的發(fā)展，這種控制器的功能不僅僅局限于邏輯控制這個領域范圍之類了，因此被改名為可編程控制器，簡稱 PC，為了與個人計算機的 PC區(qū)分開，又將可編程控制器簡稱為 PLC[7]。 PLC 是利用數(shù)字運算的電子裝置，存儲指令使用可編程存儲器，控制工業(yè)生產中被 操作的大型機械裝置，具有數(shù)字量和模擬量的輸入輸出控制能力，漸漸地在工業(yè)生產控制領域起到了不可取代的主導作用。 PLC 的硬件組成部分 (1)CPU模塊 CPU 在 PLC 的控制中是處在大腦的位置，起到核心領導的作用，中文名叫中央處理器，英文全稱為 Central Processing Unit,由微處理器和控制接口電路組蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 13 成，控制著整個 PLC 系統(tǒng)中的程序執(zhí)行和輸入，現(xiàn)場設備狀態(tài)和數(shù)據的接收和PLC 之間的通信 。 CPU 自身也擁有著自我診斷功能，當在摸個環(huán)節(jié)上面出現(xiàn)