大学毕业设计基于工控机的气密仪控制系统设计.docx
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大学毕业设计基于工控机的气密仪控制系统设计
重庆科技学院
毕业设计(论文)
题目基于工控机的气密仪控制系统设计
院(系)电气与信息工程学院
专业班级
学生姓名学号
指导教师职称
评阅教师职称
年月日
学生毕业设计(论文)原创性声明
本人以信誉声明:
所呈交的毕业设计(论文)是在导师的指导下进行的设计(研究)工作及取得的成果,设计(论文)中引用他(她)人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出,论文中的结论和结果为本人独立完成,不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其他教育机构的学位或证书而使用其材料。
与我一同工作的同志对本设计(研究)所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计(论文)作者(签字):
年月日
摘要
气密仪的出现和发展经历了一个比较漫长的阶段,从传统地气密性检测的手段,如浸水法和涂抹法到现发展到自动化、智能化、高精度的阶段,比如利用一些特殊的气体的物理特征或者它们的化学特征变化,以此来检测被测物体是否存在着泄露的问题。
随着科技的进步,气密性检测方面有了重大的突破,在检测技术上和检测精度上一直有着很大的提升。
在这些领域中,气密性检测仪发挥了至关重要的作用,检测产品的安全性,以确保使用的安全性,从而为工业生产和人民的生活带来了保障,所以气密性的设计和发展至关重要。
现如今,气密性检测对气密仪具有更高的可靠性、精度上的要求。
利用传统的或者相对较为进步的气密性检测方式根本无法满足生产的需要了,在追求效益和质量的促进下,所以气密性检测有着更多的发展。
现在利用气压检测方式是目前比较常用的一种方式,首先将一些与检测有关的参数进行一系列的测量,比如压力、压差、流量等等,综合判断出被检测物的气密性是否良好,这种方法在检测方面具有高精度,较低的成本,很高的效率,方便控制等优点。
基于工控机的气密性检测系统设计重点在于设计一个以工控机控制的能够用于检测产品气密性的自动化系统,用以满足工业和生活发展中需要的气密性检测的需求。
关键字:
工控机气密性测试差压式智能化C++builder6.0
ABSTRACT
Airtightdevicetheemergenceanddevelopmentofexperiencedarelativelylongstage,fromtraditionalmeansofairtightnesstest,suchasimmersionmethodandapplymethodtonowdevelopmenttoautomation,intelligent,highprecisionphase,suchasthespecialofthephysicalcharacteristicsofthegasorchangetheirchemicalcharacteristics,inordertodetectwhetherthereisaleakproblemobjecttobetested.Withtheprogressofscienceandtechnology,hasamajorbreakthrough,airtightnesstestanddetectionaccuracyindetectiontechnologyhasbeengreatlypromoted.
Intheseareas,airtightnessdetectorhasplayedavitalrole,securitydetectionproducts,inordertoensurethesafetyoftheuse,toindustrialproductionandpeople'slives.
Nowadays,airtightnessdetectionhashigherreliabilityandaccuracyofairtightapparatusonrequest.Theprogressofusingtraditionalorrelativelyairtightnessdetectionmethodcannotsatisfytheneedsofproduction,inthepursuitofefficiencyandqualityofpromotion,sotheairtightnesstesthasmoredevelopment.Nowusingthepressuredetectionwayismorecommonlyusedaway,firstofalltosomeparametersrelatedtothedetectionofaseriesofmeasurements,suchaspressure,differentialpressure,flow,etc.,comprehensivelyjudgethetestedwhethertheyareofgoodairtightness,thismethodhashighprecisionindetection,lowcost,highefficiency,theadvantagesofeasycontrolandsoon.
AirtightnesstestsystembasedonindustrialPCdesignfocusistodesignawithindustrialcomputercontrolcanbeusedtotesttheproductair-tightnessoftheautomationsystem,tomeettheneedsofindustrialandlivingindevelopingairtightnesstestrequirements.
Keywords:
IndustrialPC;Airtightnesstest;Differentialpressuretype;Intelligent;C++builder6.0
1绪论
1.1气密性控制系统发展
气密仪是用于对工件进行气密性检测的工具,气密性控制系统的发展经过了一个漫长的历程,从传统的检测方式到现今的智能、高效、精确的检测方向发展。
传统的气密性检测方法使用涂抹法、气泡法。
使用水浸法、肥皂水喷涂的方法等等,依据的是测试者通过眼睛直观的来判断工件是否存有泄露的问题,者受到人为因素的影响较大,因此在精度上是不能够满足严格要求的。
所谓的气泡法就是将工件侵入到水里面,充入并压缩空气,接下来,在一定的时间内对泄露的气体进行收集,然后测量出气体的泄露量,观察泄漏点的位置,通过这些参数来判断工件的泄露位置以及泄露情况。
所谓的涂抹法就是涂抹肥皂水或易产生气泡的液体在充有一定气压的被测物体的表面,观察气泡产生的状况,以此测出泄漏量的大小以及故障点的较为准确的位置。
虽然这样的操作简单,但是存在着不足,主要体现在检测速度慢、精度低、检测结果受检测人员的主观影响大,同时这样的方法给被测物可能带来损害,比如易生锈、腐蚀等等。
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正是因为这样的局限,并随着经济、科学技术、工业的发展,传统的浸水法、涂抹法逐渐地被淘汰,随之发展而来的就是利用较为先进的系统和其他物质的物理特征或化学特征来判断,典型的例子有激光检测仪、超声波检测仪等等,虽然相对而言,检测精度有了很大的提升,但是这样的检测方式还是存在着很大的局限性,属于定性的检测,而且它的应用范围存在着较大的局限性,检测效率也不是很高。
随着科技的发展进步,目前,气密性检测系统已经发展成为自动化、智能化、高效率、高精度的检测系统。
目前采用的先进的检测系统和更加有效的方法,保证了检测的精度和效率,比如直压式、差压式检测方式。
气密性检测一般分为差压法、直压法、真空法、流量法。
这些气密性检测方式,利用的是通过充入一定量的气体,达到一定的压强值,然后进行气压的平衡,等待一段时间观察变化进行判断。
这种检测的方法受到主观因素影响很小,检测精度也很高,易于自动控制、自动报警,大大提高了检测的效率。
现在随着工艺的提升,对产品的气密性检测标准也有所提高,所以气密仪的结构等等方面有许多的变化。
主要体现在其智能测试、高精度性能上。
采用高精度的压力感测器,高性能的计算处理器,根据设定的参数及判断标准,自动的进行充气、平衡、检测、判断、排气、显示、报警、传送信息、数据处理等操任务,实现气密性测试的标准化、自动化、高效率化,消除人为因素的误差影响。
基于上述基本原理,国内外众多厂家都开发气密性检测仪,著名的有法国ATEQ公司、美国的USON公司、日本的COSMOS公司等,ATEQ公司为世界制造气密性测试仪器的先驱,其产品应用涉及汽车、医药、家电、压铸、包装、阀门、煤气、电子、建筑、航空等领域,COSMOS公司也生产多种类型的测漏仪,它的4000系列提供了多种检测模式,同时考虑到了测漏性能、泄漏值,以及针对实际应用中不同被测物的容积及泄漏量大小提供了相应的产品,COSMOS公司主要生产对特殊化学气体的泄漏检测设备。
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1.2本课题设计的目的及意义
本课题主要是针对基于工控机的气密仪控制系统的设计,用于检测工件的气密性,作为品质指标的认证。
气密性检测,顾名思义,就是通过充入特殊的气体在系统管内产生测试所需的标准的压强。
随着现代化的发展,生产力的不断提高,对检测手段的要求也随之增高,当然对于气密性的检测要求也不例外,它在保证产品质量等方面起着越来越重要的作用,因此,气密性检测是必须的。
如果在使用某产品的过程中,发生泄漏且是严重的泄漏,当其超过了允许的范围,就会造成不可挽回的损失,对生产和经济的发展都不利,甚至造成人身的伤害,所以应该严格的要求产品的气密性,如此一来才能保障生产、生活的安全。
在以前,气密性测试一般采用的是气泡法、涂抹法、流量测试法,现如今,一般采用的是氦气法、差压测试法。
本次课题将研究的是差压测试法,因为差压测试法的速度快、精度高,这正是满足现代工业发展需求的一个设计作业。
而且快速地、高精度地检测泄漏量,一直是相关企业关注且急待解决的问题,所以这里旨在设计一款轻巧可携带的、可靠性高的气密性检测仪。
本课题将设计出高精度的、高效率的、简便的气密性检测系统(包括软件、硬件系统),用于检测工件的密封性能,同时根据特定地执行程序,实现工件、气密仪的保护。
通过此设计,可以为工业生产、家庭生活、社会服务中有关气密性的产品带来检测的保障,在社会生产、生活方面,主要表现在对加工企业、生产中的食品、制药行业以及乳制品的瓶子、包装、罐子等等有关于密封性的仪器、产品进行气密性的测试,以此延长产品的货架期,保证产品没有包装存在泄露方面的问题而影响生产、生活的质量,这样可以为生产带来更多的效益,这样一来,实现确保产品安全质量,使得在使用上能够具有安全、可靠性,同时带来更好的收益,还可以对人身安全带来保障。
在军事等应用方面,主要应用于飞机、汽车外壳、船舰和内部容器的完整性进行严密的评估,为军事部门、运输部门提供质量的保障,同时为基础工业提高飞行器、车辆、船舰等密封性开发出用于进行质量的控制方面发挥作用。
本次课题还旨在通过设计出智能的检测系统,用以减少对人力的投入,保证更好的检测精度,避免如同以往依靠目视法或其他的检测方法上的误差。
检测之中,通过注入、并压缩空气,产生压力,来实现压强方面的要求,同时配置安全阀,提高检测的安全性。
所以在整个设计的目的来看,针对被测工件和测试系统都是有一定要求的。
1.3本课题设计的任务
[1]检测方式:
差压式;
[2]显示方式:
9寸屏显示,操作界面清晰、易懂,全中文界面;
[3]具有参数密码及密码管理功能(用户可修改密码);
[4]组频道选择功能(可独立设定等效内容积);
[5]差压,流量显示切换功能,测试结果可用;
[6]测试压力可用显示;
[7]检测压力曲线显示;
[8]具有手动测试模式与自动测试模式;
[9]可按日期、工件号查询测试结果;
[10]具有传感器标定界面;
[11]具有差压传感器保护功能。
2方案设计
2.1基于工控机的气密仪控制系统原理
工控机即为工业控制计算机,作为工业控制需求而设计的一类计算机,用于对工业的生产过程中的机械设备、生产流程、数据参数等等的监测和控制。
工业控制计算机可以用于恶劣环境的生产监控,但是其自身对数据的安全性要求较高的,所以工控机通常会被进行加固、防潮、防尘土、防辐射的特殊保护设计,以此来提高工业生产中的可靠性,而且工控机的拓展性能非常的高,但是一般是为完成某项工作而单独定制设计的。
本次课题中利用工控机作为上位机,对整个控制过程进行检测和控制,对数据进行综合的处理和命令的下达,整个系统中的主要硬件就是通过这样的方式进行协调工作的。
整个的控制和工作流程就是围绕差压检测方式进行的,本密封测试仪连接到一个测试室,特别设计来容纳需要被检测的包装。
首先这个气密仪控制系统中的气路就是用来通入气体的通路,然后通过不断地充气,使得腔内产生足够大的压强,通过压力传感器检测出压力值,达到足够高的压强值。
主要是通过标准件和被测件之间的判断,将两者气路隔断,各自保持气压,然后通过一段时间的平衡,查看被测端的气压变化,与参考端进行比较,测出此时两端的压强值,以此算出它们之间压强的差值,通过将差值的大小与参考值的大小比较,得出工件是否合格的结论。
本次课题中的系统使用差压压力传感器用来测试出压强差值,有三个电磁阀,用于气体气压的充气、平衡、排气使用。
在恒定温度下,一个被测工件或者物体,其腔内的体积是V,腔内的压力是P,经过几秒、几十秒的时间以后,如果两端的腔内的腔体体积没有变化,但是腔内的压力却下降了一个确定的值△P,那么我们首先对这个△P进行判定,看是否在允许的范围之内,如果超过了标准质量的范围,那么我们就判定这个工件气体密封性能不好,即判定为有泄漏、质量出问题的工件。
反之,如果这个△P值小于参考值,就认为这个被测试的工件气体密封性能良好。
但是在实际的工业生产过程中,无任何泄露的工件是不可能的。
在检测的时候是通过一个泄漏值的判定范围进行取舍的,根据该工件的具体应用环境以及它的应用环境状态来给出一个允许的判定泄漏允许值,当泄漏值小于了一个判定值,则认为这个工件是“无泄漏”的气密性合格的产品,反之,当被测件的泄漏量大于了这个判定值,此工件存在严重的泄露问题,判定为不合格工件。
2.2方案的确定
2.2.1采用方案内容
根据本次课题的要求,采用的方案是差压式判定,所谓的差压断定方式,就相当于杠杆天平称量原理。
如同天平的一端放有基准砝码作为参考物,不断地增添或减少零件以使得天平达到平衡,如果达到平衡后在一定的时间内有异常,则表明零件一方有动静,有破坏等等。
所以检测的原理就相当于是利用一端有基准物作为参考物品,即标准件,另一端是工件,即被测物体。
然后向管内充入气体,达到一定的气压之后,停止充气,并维持一段时间的密封,在一定的时间内,即使有一点泄露,压力感测器都能测量出压差。
如果泄漏量超过了一定值,即压差超过了一定的数值,那么,可以判断此被测物密封性方面的质量不达标,反之,气密性要求达标,工件的质量合格。
其中充气时间设置为T1=20s,平衡时间T2=10s,检测时间T3=3s,排气时间T4=10s,检测压差参考值5kPa。
设最终检测判断时所需数据中,差压传感器读数为P1,那么差压P1=△P;然后设定的最大允许值为P2,那么就是判断△P与P2的关系,如果△P 图2.1差压判定示意图 2.2.2检测过程分析 检测过程分为4个阶段: 充气、平衡、检测、排气。 图2.2气密性检测系统结构图 1)充气 这个阶段就是对硬件系统进行升压的过程,对于系统中的三个电磁阀SV1、SV2及SV3的状态进行控制,其中进气阀SV1和平衡阀SV2为打开状态,放气阀SV3为关闭状态,首先我们让气体进入到腔内,让气流平稳顺利通过,然后不断的在其中进行积累,以提升系统的压强值,以此来完成对被测工件和参考器件的充气、加压工作。 2)平衡 为了保证测量结果的准确性,保证测量结果的可靠性,需要对标准工件与被测工件内的气流进行稳定处理,确定没有很大的起伏之后,此时我们关闭电磁阀SV1(进气阀)和SV2(平衡阀),保持排气阀没有动作。 接下来我们还需对整个判定做气压的平衡工作,这里关闭进气阀、排气阀就是为了使气压进行维持原有的充气后的压强,关闭平衡阀就是为了隔断被测工件和参考工件之间的气路,以此保证出两端的气压没有受到相互的影响,同时为差压的产生创造条件。 平衡环节是气密性检测中的关键环节,它为下一步的检测环节做准备,其平衡时间的大小是保证检测准确的重要因素,所以在设定平衡时间时得通过检测环境、工件要求进行综合的选取平衡时间。 3)检测 检测环节是整个气密性测试的核心环节,在这个步骤中实现差压式气密性检测,检测需要的时间也要通过细致、详细认真地计算来确定。 首先通过度过平衡时间之后,通过差压传感器和压力传感器检测出两端的气压值,然后将这样的物理信号通过传感器的内部装置转化为微弱的电信号,需要通过信号调理电路进行处理,因为此信号是不能直接交给中央处理器处理,还需将此电压信号经过放大后传递到ARM主控制器,即将它调理后放大了的信号传送给中央处理器进行运算判断,以此的处理方式进行差压值的计算判断,然后将得到的压强差值与参考值进行比较,判断工件的气密性是否合格。 图2.3数据采集传输示意图 4)排气 这是整个过程的最后阶段了,即检测完成后最后环节,我们在这个阶段的工作就是在充气阶段所充入标准工件以及被测工件,将系统进行降压处理,将电磁阀SV2、SV3置于打开状态,将气体排放,,这样就完成整个检测过程。 图2.4检测流程示意图 整个的判定过程就是围绕着这四个环节循环进行的。 不过在检测的过程之中,还需要对工件以及检测系统进行保护设计和操作,比如系统的自检工作,只是这样的操作不需要每次的循环检测都进行,只需要不定期的进行系统的自检,同时也可以通过一些传感参数实时的判断出系统中的一些故障是否存在着。 比如当我们发现在气压传感器中的读数有了变化,而在气压传感器端是标准件,所以这端的气压按照常理说是不应有任何泄露的,所以可以初步判断可能是压力传感器出现了故障或者是标注件出现了泄露的问题,然后根据近一步的处理,将故障找到并解决问题,为检测做出可行的工作保障,提高检测结果的可靠性。 2.2.3采用此方案的理由 选择差压式的检测手段,有许多的好处,无论是从检测结果的精度、检测方式的可靠性以及检测手段的先进性方面,都占据着优势。 目前比较流行的气密性检测方式就是利用气体物理特性进行检测,其中主要使用的就是直压式和差压式检测的手段,当然还有真空法、流量法。 其中直压式和差压式的比较就在于直压式的检测方式就是利用对系统中进行气体充入,这与差压式一样的操作,然后使得系统中的气压达到一定的压力条件,并且使气压保持一定的时间后,切断被测工件和气源的联系,然后记录下此时的压力的数值,经过一定的时间之后(一般就是十秒左右),再一次的读取压力的数值,将它与前一次的记录的压力数值进行比较处理,如果被测件有泄漏的问题存在,那么两次的读数就会存在差值,这个差值就是用来反映被测物体的气密性是否良好的一个判断依据。 根据差值的大小,断定出=被测件的泄露严重情况,如果在一个允许的范围之内,就将这个被测工件判定为合格的工件,反之不合格。 这个原理与差压式的比较,就可以看出差压式的优点所在,利用差压判断,在检测方面,差压式有使用参考物作为一个判断,通过比较被测物体与“参考物体”的差别来判断工件是否存在着泄露的问题。 而且在检测精度上,差压式更加的精确,结果也更加的可靠。 3硬件设计 3.1硬件结构分析 本次课题中设计的差压型气密性检测系统的硬件包括以下几个部分: 电磁阀控制模块、电源模块和人机交互模块、中央处理模块、数据采集模块、信号调理模块。 接下来详细介绍以下几个模块的功能应用。 3.1.1中央处理器模块 中央处理器模块即为(CPU)核心部件,是一个超大规模的集成电路模块,是整个系统的核心,肩负着运算、控制的作用。 主要包括运算器及控制器这两个核心部分,此外还包括若干的寄存器和高速缓冲存储器,它们之间通过协调工作,完成数据的交换、存储处理,还包括了控制和状态总线。 在本次课题中,中央处理模块的主要功能: 是通过主控器实现对其所控制的对象进行命令的发送和数据的收纳处理。 这里中央处理器实现对三个电磁阀进行开关动作的控制,将系统的各个阶段的气压信号转变成为电压信号,再由主控器通过A/D接口完成对信息的采集,交给处理器处理,从而实现一次完整的差压式气密性检测工作流程。 3.1.2数据采集模块 数据采集模块的主要工作采集数据,对象是各种环境变量,这里的工作就是对标准件和被测件之间的压强差数值进行采集。 数据采集模块现在的发展有基于远程的数据采集通信模块,将通信芯片、存储芯片集成在同一个电路板之上,使得这个采集模块具有采集、发送数据、接收数据的功能,这样的模块还可以与电脑、手机、单片机通过一些串口相连接,实现数据的采集传输工作。 这里的数据采集模块就是采集差压传感器的数值,通过两者对检测端和参考端的压力数值进行采集,然后将这种物理量通过内部电路转换成微弱的电信号,传送到信号调理电路中处理。 图3.1数据采集模块实物图 3.1.3信号调理模块 信号调理模块也叫做隔离变送器模块,顾名思义,它的工作就是将其它设备产生的±V、±mV、±mA这种微弱的额电信号,经过它变送处理,生成用户所需要的各种信号,并且隔离传送处理到PLC/DCS/PC/显示仪等等智能仪器上边去,有效地对采集到的微弱电信号进行处理,还能有效地防御各设备之间的干扰信号,广泛的应用于化工、石油、制药、冶金、电力、公用事业等等自动化的领域中。 现在信号调理模块已经有了高度的发展,在精度、隔离处理、信号调理功能、可靠性方面都有着很大的进步,为信号的处理带来了很多的额优势,能为用户在信号的隔离、调理、变送方面提供良好的解决方案。 信号调理模块被广泛地应用到流量、压力、液位、温度等仪表的输出端口,完成信号的信号的远距离传送和隔离传输,有效地解决了现场的干扰,对仪表端口进行保护。 这里使用信号调理模块是因为检测到的器件件的压强数值经过处理后得到的微弱的电信号不适合直接进行模数的转换处理工作,需要经过信号的调理电路对其进行放大,并把电信号放大后转换成电压信号,才能供中央处理器的模数转换电路作进一步的处理。 [15] 图3.2信号调理模块实物图 图3.3信号调理电路图 3.1.4电源模块 这里的电源模块的作用是用于信号处理电路中和电磁阀的驱动电路中,为它们提供能量,保证工作的顺利进行。 同时这里电源模块
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