【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 來達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件包括輸入模塊， PLC系統(tǒng)，信號(hào)采集，人機(jī)交互模塊和電源模塊； 輸入模塊包括壓力傳感器、信號(hào)采集 、 A/D 轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理；人機(jī)交互模塊指的是 HMI 人機(jī)交互界面。 該設(shè)計(jì)中的軟件系統(tǒng)分為上、下位機(jī)程序兩個(gè)部分。下位機(jī)程序可分為 A/D轉(zhuǎn)換子程序、主程序等幾個(gè)模塊。上位機(jī)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(jù)，這些數(shù)據(jù)屬于下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的對(duì)話 [3]。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)硬件框圖如圖 32 所示。 密閉設(shè)備 的氣壓先是由壓力傳感器進(jìn)行信號(hào)采集；然后對(duì) 信號(hào)進(jìn)行高精度的采集與處理，這是由信號(hào)調(diào)理電路來實(shí)現(xiàn)的；這時(shí)的信號(hào)是模擬信號(hào)，需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；這樣 PLC 才能對(duì)其進(jìn)行分析、處理，這就需要 A/D 轉(zhuǎn)換電路了；這樣的數(shù)字信號(hào)被 PLC 分析、處理然后發(fā)出指令來對(duì)儀器進(jìn)行控制；觸摸屏是檢測(cè)人員與機(jī)器進(jìn)行相互交流的界面，檢測(cè)人員通過觸摸屏對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行操作，通過顯示屏顯示得到當(dāng)前氣壓值和設(shè)定氣壓值；整個(gè)過程都是通過以 PLC 為基礎(chǔ)單元的進(jìn)行的。同時(shí)也可以通過數(shù)據(jù)線將PLC 的通信接口與上位機(jī)通信接口進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)通訊 [4]。從圖可知本系統(tǒng)所提供的 密閉 設(shè)備專用的全 自動(dòng)氣密檢測(cè)系統(tǒng)由 英寸 HMI 作為人機(jī)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(dòng)調(diào)壓器等部件構(gòu)成。 PLC 作為控制核心，內(nèi)置最大分辨率為 12021 的 AD 模塊和420mA 輸出的 DA 模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，同時(shí)給比例流量控制閥提供 420mA 的設(shè)定信號(hào) [5]。 HMI 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提供參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示等功能。當(dāng)氣源開始供氣后，系統(tǒng)通過微壓變送器和流量變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密閉腔體內(nèi)的壓力及進(jìn)氣量，并據(jù)此適時(shí)控制流量比例閥的開度 ，使得防護(hù)設(shè)備形成的超壓室檢測(cè)腔的壓力逐步進(jìn)入并穩(wěn)定保持在設(shè)定的區(qū)域（ 50Pa 或 100Pa），此時(shí)的流量變送器的輸出值即為在該檢測(cè)壓力下此超壓室的泄漏量，當(dāng)密閉腔體內(nèi)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓力狀態(tài)下的測(cè)得泄露流量值與合格品設(shè)置值比較，超過即為不合格品，并通過聲光報(bào)警提示 [6]。 曹雪冰：基于 PLC 的密閉設(shè)備氣密性檢測(cè)系統(tǒng) 8 圖 31 全自動(dòng)氣密檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 電源模塊設(shè)計(jì) 圖 32 是全自動(dòng)氣密檢測(cè)系統(tǒng)電源配置和動(dòng)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(shí) HL0 亮， Q1 為自動(dòng)開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)電源過壓、欠壓及后續(xù)設(shè)備過載時(shí) Q1會(huì)斷開，合上 Q1，后續(xù)電器有電，當(dāng)合上Q2 自動(dòng)開關(guān)后，空壓機(jī)工作，空壓機(jī)內(nèi)部帶有壓力檢測(cè)元件，可以自動(dòng)根據(jù)內(nèi)部壓力實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的起停。 FU12 為熔斷器，可以對(duì)開關(guān)電源 TC1 起過流及短路保護(hù)。 F1為漏電保護(hù)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(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 32 全自動(dòng)氣密檢測(cè)系統(tǒng)電源配置和動(dòng)力電氣原理圖 電源電路包括第一自動(dòng)開關(guān) Q1，其兩個(gè)靜觸點(diǎn)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(dòng)開關(guān) Q1的靜觸點(diǎn)和 220V市電之間，第一自動(dòng)開關(guān) Q1的兩個(gè)動(dòng) 觸點(diǎn)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(guān)電源 TC1的輸入端相連，開關(guān)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(hù)器 F1掛接在零線 N火線 L2上，空氣壓縮機(jī)通過第二自動(dòng)開關(guān) 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(shí)，電源工作指示燈 L1 亮，當(dāng)系統(tǒng)電源過壓、欠壓及后續(xù)設(shè)備過載時(shí)第一自動(dòng)開關(guān) Q1會(huì)斷開，合上第一自動(dòng)開關(guān) Q1，后接設(shè)備有電，當(dāng)合上第二自動(dòng)開關(guān)Q2 后，空 氣壓縮機(jī)工作，空氣壓縮機(jī)內(nèi)部帶有壓力檢測(cè)元件，可以自動(dòng)根據(jù)內(nèi)部壓力實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的起停。熔斷器 FU FU2可以對(duì)開關(guān)電源 TC1起過流及短路保護(hù) , 漏電保護(hù)器 F1可以防止操作人員在操作過程中的觸電發(fā)生。 信號(hào)采集以及模塊設(shè)計(jì) PLC 應(yīng)用系統(tǒng)中的信號(hào)輸入、傳感和信號(hào)調(diào)理、交換的過程，是將密閉超壓腔內(nèi)氣壓導(dǎo)入檢測(cè)系統(tǒng)的通道 [13]。不但是為了將超壓腔內(nèi)的實(shí)時(shí)、真實(shí)氣壓反映出來，可以分為實(shí)時(shí)性與測(cè)量精度，而且也是為了使被測(cè)量的氣壓信號(hào)能夠輸入 PLC 進(jìn)行分析處理。這一部分分為信號(hào)拾取、信號(hào)調(diào)理以及抗干擾問題 幾個(gè)曹雪冰：基于 PLC 的密閉設(shè)備氣密性檢測(cè)系統(tǒng) 10 部分。 信號(hào)拾取電路設(shè)計(jì) 本部分是將超壓室檢測(cè)腔中氣壓的變化量通過傳感器來測(cè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的，但是 PLC 對(duì)非電物理量無法處理，只能處理數(shù)字信號(hào)，而超壓室檢測(cè)腔中氣壓是非電物理量，所以要先將非電物理量轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào) [14]。 （ 2） 傳感器的定義 首先在傳感器中需要有個(gè)部件，這個(gè)部件的作用就是直接感受被測(cè)量，我們稱這個(gè)部件為敏感元件。其次敏感元件將被測(cè)量直接感受出來后，需要將這感受出來的輸出量轉(zhuǎn)換成為能夠傳送、接收以及測(cè)量的電信號(hào)，這個(gè) 元件我們稱為轉(zhuǎn)換元件。此外 傳感器是一種能實(shí)現(xiàn)信息的顯示、傳輸、存儲(chǔ)、控制和記錄的檢測(cè)裝置，按照一定的規(guī)律將檢測(cè)到的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或者其他形式的輸出信號(hào)。 （ 3） 傳感器工作原理 傳感器是一種能夠?qū)ν饨绲男畔⒆龀龇磻?yīng)并且能夠按照一定的原理將所得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成所需要的信號(hào)的裝置，簡(jiǎn)單 的說，傳感器的功能是將外部信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。本設(shè)計(jì)的傳感器的作用就是接受外界的輸入信號(hào)（密閉超壓腔中的氣壓信號(hào)）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(shè)計(jì)采用的壓力傳感器為德國(guó) HELM 生產(chǎn)的 HM23 空壓機(jī) 壓力傳感器，該傳感器具有內(nèi)置穩(wěn)壓器，可以使用在一定范圍內(nèi)的未經(jīng)調(diào)整的供電電源；因?yàn)閳?jiān)固的結(jié)構(gòu)和有效的防濕氣保護(hù)，所以可以在非常惡劣的環(huán)境下進(jìn)行工作 。為了降低環(huán)境溫度和測(cè)量介質(zhì)溫度對(duì)傳感器的影響，因此配備了寬范圍的溫度補(bǔ)償。具體參數(shù)見下表 31： 表 31 傳感器參數(shù)表 型號(hào) HM23 測(cè)量范圍 0~100KP...60MPa 過載能力 2 倍滿量程壓力 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 測(cè)量介質(zhì) 與 316 不銹鋼兼容的氣體或液體 綜合精度 典型 ： 177。%FS 零點(diǎn)溫度漂移 典型 ： 177。%FS/℃ 靈敏度溫度漂移 典型 ： 177。0 .015%FS/℃ 響應(yīng)時(shí)間 ≤3毫秒 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 在各種惡劣的環(huán)境影響下，傳感器的工作能力就會(huì)受到一定的影響，在接收信號(hào)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，信號(hào)量過小以及信號(hào)波動(dòng)等情況，因此需要對(duì)壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行高精度采集處理，從而得到與理 想最接近的信號(hào)源，這就是信號(hào)調(diào)理的重要性。這部分的設(shè)計(jì)主要是前級(jí)處理電路，該電路由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成。輸入阻抗高、增益高是運(yùn)用差動(dòng)放大器的原因，本設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大器是用 OP07 構(gòu)成的。 本設(shè)計(jì)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(yùn)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(hào) OP07 失調(diào)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(shè)備氣密性檢測(cè)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(jiǎn)介 PLC 的基本概念 在工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(jiǎn)稱 PLC,原本是代替繼電器達(dá)到邏輯控制的目的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種控制器的功能不僅僅局限于邏輯控制這個(gè)領(lǐng)域范圍之類了，因此被改名為可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PC，為了與個(gè)人計(jì)算機(jī)的 PC區(qū)分開，又將可編程控制器簡(jiǎn)稱為 PLC[7]。 PLC 是利用數(shù)字運(yùn)算的電子裝置，存儲(chǔ)指令使用可編程存儲(chǔ)器，控制工業(yè)生產(chǎn)中被 操作的大型機(jī)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(chǎn)控制領(lǐng)域起到了不可取代的主導(dǎo)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(lǐng)導(dǎo)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(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 成，控制著整個(gè) PLC 系統(tǒng)中的程序執(zhí)行和輸入，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)的接收和PLC 之間的通信 。 CPU 自身也擁有著自我診斷功能，當(dāng)在摸個(gè)環(huán)節(jié)上面出現(xiàn)