基于PLC控制的气密检测装置的设计与实现

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摘要：现代工业中，气密性检测是一项重要的安全检测，直接决定了产品的合格率。本文介绍一种采用PLC控制方式，利用压差检测和温度等效补偿等措施，推导出等效泄漏的方法，设计开发了一种高效、便捷、自动化程度高的气密检测装置。实验结果表明，该装置测试精度高，性能稳定。

关键词：PLC 气密性 压差检测 温度补偿 自动化

中图分类号:TP241 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0021-02

工业生产中，气密性的检测是衡量产品质量的关键指标之一，然而目前国内企业对气密性的检测依然是采用的水泡法，这种方法既落后，又耗费财力物力，还不能检测到目测无法完成的定量，从而直接影响了产品的性能。近年来，随着工业自动化技术的进步，越来越的场合需要现代工业技术的进入。而控制技术、信息处理技术和传感器的迅速发展，使得气密检测理论以及测试方法都有了很大的改善提高，目前自动定量检测成了气密性检测的基本发展方式。

在国内工业领域还没有放弃传统的水泡法或者肥皂泡法，并且多数研究所机构也没有研制出技术先进又节省工时的检测方法；在国外也只有少数几个科技发达的国家拥有相关的技术及仪器，但价格昂贵。为改变这一现状，根据国内外工业环境中对气密性检测的技术要求，以及现有的气密性检测装置，本文主要采用PLC控制系统，利用差压传感器，设计了一套具有温度补偿功能的高效率高性能的气密性检测装置。检测精度高，快捷方便，具有很好的市场应用前景。

1、差压泄漏检测

根据热力学定理，在一个密封容器内的理想气体，同等条件下，气体温度变化相同的情况下，压力和体积的积是常数。根据此定理，利用体积变化，压力变化的差压方式进行气密性检测。差压方式检测原理：在相同的环境条件下，采用精密对称的仪器，其中一个为理想条件下的无泄漏的对比工件，另一个为要进行气密性检测的产品工件，在检测阶段，利用差压传感器采集差压数据，利用上位机开发的系统软件，进行数据分析，从而判断其泄漏量[1]。差压检测气路原理图如图1所示。

根据理想气体状态平衡方程和热力学原理，可以推断出泄漏率和压力差之间的关系方程公式[2]：

Q=P×Ve/Patm×t m （1）

其中：Q为标准大气压下的泄漏率，P为单位时间内产品因泄露产生的压差，Ve为产品的有效容积，Patm为标准大气压，tm为测试时间。

2、系统温度补偿

根据热力学方程和气体状态平衡方程，差压测量原理是建立在等温过程的基础上的，参数对模型对温度有极其敏感的效应。在实际测量过程中，温度的起伏变化对检漏仪的测试精度起着至关重要的作用，它不但关系到测试过程的每一个节点，而且对不同的检测对象也有不同的影响，因此引入温度参数补偿修正可以有效的改善测量结果，对系统测量精度起到至关重要的作用。在产品检测的实验周期内，压力、温度及时间的相互关系如图2所示。

在气密检测过程中，被测件和标准件由于在材料、容积等方面的差别，从而温度的变化也不同，并引起二者的压力变化差不同，形成压差，如果将被测工件的气密性检测中的温度影响转化为“温度等效泄露”，从实际测试结果中减去。而温度引起的压差变化可有公式（2）表示：

Pt=P0×(T/T0) （2）

其中：P0为标准件和被测件的初始平衡压力，T为标准件和被测件的最终温度差，T0为标准件和被测件的初始温度。因此，通过公式（2）可以计算出气密检测的温度补偿公式为：

P=Pt×T0/TSt-P0×T/TSt （3）

3、系统组成及硬件设计

气密性检测系统主要：信号采集系统、PLC控制系统、气路系统、电气系统、HMI系统和电源系统等几部分组成。其中信号采集系统主要采用罗克韦尔的差压传感器检测被测件的压力变化；PLC控制系统是气密性检测系统的核心，主要通过采集的数据进行分析，控制电磁阀、调节阀等进行相应的动作操作，实现系统的自动检测；气路系统设计了2路或者4路的多路测量系统，通过电磁阀、调节阀、过滤阀和压力传感器等，实现了标准件和被测件之间的气路循环；电气系统主要有指示灯、钥匙开关、USB接口、执行元件（电磁阀、调节阀、气动阀、气泵等）等辅助电路组成，按照系统工艺的要求，根据PLC应用控制程序的设计，实现系统的电气应用功能；HMI系统通过6寸的触摸屏实现参数设置、权限登陆、曲线显示、报表打印等功能；电源系统主要有220VAC、24VDC、±5VDC规格组成[3]、[4]。

另外在气密检测装置中还要提供动力源，这里主要由驱动气源、增压气源和气泵组成，主要用于提供气动控制和工作压力气体[5]。

4、PLC控制软件设计

系统图案件系统主要采用模块化的思想，先设计主程序结构，主要包括压力以及温度信号检测处理程序，液晶显示，参数输入修改等各个功能模块的子程序，从而便于程序的编写、测试、修改和维护。主程序主要实现对各个模块子程序调用，是一个顺序执行的无限循环的程序。在接通电源开始工作时，PLC实现上电初始化阶段，包括硬件初始化，I/O模块配置初始化，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理[6]。然后依次进入扫描过程以及出错处理等级段。在此阶段，PLC完成气密检测仪的自动循环检测。其检测过程大致可分为四个部分：充气阶段、平衡阶段、测量阶段以及排期阶段。在每个阶段都有各自特定的扫描运行时间，以便完成其正确测量，得出正确的结果。其主程序流程图如图3所示。

充气阶段:系统收到准备好启动信号后，发出控制信号，使充气阀打开，排气阀关闭，同时向产品工件和标准工件充气，并充气到指定的压力。直到压力达到规定压力，PLC控制器发出信号使充气阀关闭，充气阶段结束。

平衡阶段:在平衡阶段，充气阀和排气阀均关闭。由于容器内温度和外界温度不平衡，从而进行热交换，PLC给其提供足够的时间使其进行，以达到平稳状态。此阶段结束后，产品工件和标准工件内部压力相等，PLC将整个检测系统的压力、温度值保存起来，以作为气体泄漏后的压力参考值。

测量阶段:在平衡阶段结束后的一段时间内，PLC控制器可以去检测其他工件的气密性，直到该检测有足够的时间泄漏气体，达到新的平衡状态。在测量阶段，各个阀门均和平衡阶段的阀门状态相同，如果有气体泄漏，其内部压力减小，产生的压差可由压差传感器测得，并传送至PLC控制器，从而做出正确的分析。

排期阶段:在所有工序完成后，充气阀处于闭合状态，排气阀打开，把标准工件和产品工件中的气体全部排入大气，所有阀门回到初始状态。为下一次工件气密性检测做好准备。

5、检测数据分析

根据工业系统的实际应用环境，模拟实验采用泄漏率为100kPa，5.16mL/min的标定漏孔作为泄漏空，使用容积为100mL的密封容器作为被测件和标准件，检测压力为100kPa，允许偏差为1kPa，平衡容积为100mL，被测容积为120mL。经过差压传感器信号采集，得到一组差压数据[7]。

采用温度补偿算法，依据泄漏率计算公式，对所测数据分析。可得：Q=4.306mL/min，绝对误差=5.16―4.306=0.854（mL/min），相对误差σ=0.854/5.16×100%=16.55%；考虑温度影响时，Q=5.1566mL/min，绝对误差=5.16―5.1566=0.0034（mL/min），相对误差σ=0.0034/5.16×100%=0.066%。

从以上数据可以看出，5.16mL标准值的相对误差和绝对误差已经小的多，经过温度补偿之后的检测结果，更加接近于真实值。

6、结语

气密封性能检测装备的设计，为工业产品的气密性检测提供了可靠地设备。采用优化设计后的PLC控制的检测设备，使的精度更加准确、自动化程度更高、性能更加稳定。在控制算法中植入了温度修正补偿算法，从而避免了由于温度影响造成的检测结果是真的误差。经实际测量，系统检测结果的重复性和精度都要远远优于同类气密性检测仪。该产品对企业提高生产效率、减轻工作强度、提高产品质量以及降低企业成本有着重要的意义。

参考文献

[1]黄军垒.温度补偿性气密性检测仪研究的研制[D].郑州轻工业学院硕士学位论文,2009:17―21.

[2]朱小明,气压检漏仪原理及其应用[J].现代零部件,2005(8):48―50.

[3]刘春,胡建平,郭磊,侯波.基于plc控制的气密检测仪的设计原理[J].2011年(06).

[4]傅晓云,杜经民,李宝仁.气密自动监测装置的研究[J].液压与气动,2005(5).

[5]SMC(中国有限公司),现代实用启动技术[M].北京:机械工业的出版社,1999.

[6]王永华主编.现代电气控制及PLC应用技术（第2版）[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008年2月.

[7]李银华,安小宇,黄军垒.工业部件密封性能检测装置的研究[J].自动化与仪表,2010(05).

作者简介

郅广超（1975.06），男，本科，河南省中烟工业公司新郑卷烟厂电气工程师，研究方向为工业自动化技术。