基于PLC控制的变送器自动测漏系统的研究.pdf

电气技术与自动化 王宇奇， 等 基于P L C控制的变送器 自动测漏系统的研究 基于 P L C控 制 的变送器 自动测漏 系统 的研 究 王宇奇， 张剑伟， 易绍祥 厦 门大 学 物理 与机 电工程学院 ，福建 厦 门 3 6 1 0 0 5 摘要 在 变送器的生产线上 ， 变送 器的泄 漏检 测是 一道很 重要 的工序 。在 检测过 程 中， 由于 仪器精度以及人工操作等因素会使得检测结果有一定的偏差。介绍了常用的气泡检测法， 并 在气泡检测法的基础上考虑实际应用， 设计 出一套全 自动变这器测漏系统。通过计算确定了 机械手的型号， 介绍了机械手在检测系统中的基本工作过程 ， 并详细阐明了 P L C的控制原理， 给 出了 P L C控制 系统 的 I ／ O原理 图。基 于传统的水检法 ， 整 合 了现代技术 ， 采用机械 手来抓取 变送器， 并利用摄像头拍摄的信息判断变送器是否有泄漏， 整个过程都 由P L C来控制， 基本实 现 了检测过程 的 自动化。 关键词 泄漏检测 系统 ； 气动机械手 ； P L C控制原理 中图分 类号 T P 2 7 3 ； T M9 2 1 文献标志码 B 文章编 号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 1 0 5 - 0 1 1 7 -0 4 Re s e a r c h o n Aut o ma t i c Le a k De t e c tio n S y s t e m o f t h e Tr a n s mi t t e r Ba s e d o n PLC Co n t r o l WANG Yu q i ． Z HANG J i a n we i ． Y I S h a o x i a n g S c h o o l o f P h y s ic s a n d Me c h a n ic a l E le c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， X i a me n U n iv e r s i t y ， X i a me n 3 6 1 0 0 5 ，C h i n a Abs t r a c t On t h e p r od u c t ion l i n e wit h t h e t r a n s mit t e r ， t h e l e ak d et e c t i o n o f t h e t r a n s mit t e r i s a v e r y i mpo r tan t pr o c e s s．I n t he de t e c t ion p r oc e s s， d u e t o i n s t r u men t p r ec isio n，ma n ua l t e s t r es u lt s an d o t h er f a c t o r s ， a c ert ain d e v iat i o n ap p e ars．This a rticle de s c r ib e s t h e bu b b l e d et e c t i o n me t h od， wh ich is c o mmo n l y u s e d．Ba s e d on t h e b u bb le me t h od an d c o n s i d er i n g t h e p r a c t i c al a pp l ic a t ion， a f u l ly au t oma t ed l e a k d e t ec t ion s y s t e m o f t h e t r an s mitt er is de s ign e d．By c a l c u l a t i o n pn e u ma t i c ma nipu la t o r i s s ele c t e d．I t a l s o int r od u c e s t h e ba s ic wo r k pr o c e ss o f t h e p n eu ma t i c ma nipu la t o r i n t he d e t e c t ion s y s t em an d t he p r i n c i p l e of PL C c on t r ol a n d giv es t he I／0 dia- gram o f t he PL C c on t rol s y s t em．Ba s e d o n t his me t h o d o f t h e t r ad it ion a l wa t er d e t e c t i o n，mo d er n t e c h no log y i s in t e g r a t ed wi t h t h e me c h an i c al h a n d is u s e d t o g rab t h e t ran s mitte r a n d t h e c amer a s h o o t ing is u s e d t o d e t e r mi n e wh e t h er t h er e is lea k a g e o f t h e t ran s - mitte r ， a n d t h e wh o l e proc e s s i s c on t rol le d b y t h e PL C t o en s u r e t h e i mple me n t at i o n o f au t o ma t i c t e s t ． Ke y wor ds le ak de t ec t ion s y s t em；p ne u mat i c ma n i p ula t o r ；c on t rol pr i n c i p l e of PL C 0 引言 大规模、 高效的生产变送器已成为国产变送器的发展 趋势 ， 国产变送器已开始走向国际市场。可是， 传统的变 送器 生产线 上人工检 测泄漏 的方法却 与生产和 发展不相 适应 ， 迫切需要建立与之相适应的自动化检测线 ， 以满足 生产 和发展 的需求。 传统 的检 测方 法多采用气泡法 ， 气泡法的基本原理是 将密封的工件用干燥空气加压后浸人水中， 在规定的时间 内观察水 面 有无 气 泡 溢 出 ， 以此 判 断工 件 是 否 泄 漏⋯ 。 通过观察气泡的大小和数量， 可估计 出泄漏量的大小 ， 并 可从气泡发出的部位， 判断出工件的泄漏部位。这种方法 操作简单， 能直接观察到泄漏的部位和泄漏情况， 但却存 在着检测精度低、 检测结果受检测人员主观影响较大、 检 测周期长、 不能实现检测 自动化、 不能适应大批量生产等 缺点， 而且人力成本升高， 手工检测的优势不再。因此 ， 为 了克服这些缺点， 本文结合变送器测漏的实际情况以及考 虑到成本的问题 ， 在气泡检测法的基础上并结合工厂实际 的应用 ， 设 计出一套全 自动变送器测漏 系统。本 方案 自动 检测生产线的特点是它的综合性和系统性 ， 在该 自动检测 系统中， 机械技术、 气动技术、 传感器技术、 P L C控制技术、 接 口技术 、 驱动技术等多种技术有机地结合， 并综合应用 到自动检测中； 而系统性指的是 ， 生产线的传感、 检测控 制、 传输与处理、 执行与驱动等机构在 P L C的控制下协调 有序 地工作并有机地融 合在一 起 。本 文重点介 绍机 械技 术 和 P L C控制原理 。 1 测漏 系统 的组成 及总体 方案 为了实现变送器测漏的自动化， 建立行之有效的自动 化检测线 ， 本方案基于传统的水检法并结合自动化控制原 理设计出一套检测系统， 此系统由几个部分组成 执行部 分 气动机械手、 气缸 、 控制部分 光电检测 P L C 、 驱动 部分 电动机 、 气压 传动系统 、 感 知部分 传感器 。图 1 是检测系统总体框架图。 整个检测过程为 将变送器铝壳体装配好后 ， 放置于 传送带上， 由P L C控制传送带将变送器铝壳体送至合适 的位 置 ， 再 由 P L C控 制机 械手 抓取 变送 器壳 体并 将 其放 置于测漏水槽 中。放置好后， P L C控制双活塞杆气缸压紧 作者简 介 王宇奇 1 9 8 4 一， 女 ， 河南洛 阳人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为机电一体化 。 Ma c h i n e B u i l d i n g Au to ma t i o n ，O c t 2 0 1 1， 4 0 5 1 1 7～1 2 0 1 1 7 电气 技术与 自动化 王 宇奇 ， 等 基 于 P L C控制 的变送器 自动测漏 系统 的研 究 图 1 变送器测漏原 理图 变送器壳体， 并相应的打开气阀将气体引至变送器铝壳体 内。当气体压力达到规定的标准时， P L C将打开水泵将水 引至测漏水槽中， 当水位上升至 6 5 m m时， 放置在水槽内 的高水位传感器会发出信号， 则 P L C将会关掉水泵开关。 保压 5 m i n后， 摄像头会拍下变送器铝壳体四周是否有气 泡冒出。若有气泡冒出， 则退回重装； 若无气泡 ， 则低水位 传感器将发出信号， 此时二位二通换向阀打开， 水 自动放 掉， 则 P L C就会控制机械手抓取变送器壳体并将其放置 于传送 带上输送出去 。 本 方案基本实现 了测漏检测 系统 的 自动化 ， 节省 了时 间， 降低 了劳动强度 ， 提高了检测精度 ， 克服了人工检测的 缺 点。 2 气动机械手 执行部分 在整个检测 系统 中 ， 气 动机 械手处 于核 心地 位 ， 是一 种模仿人手动作 ， 并按 设定程 序 、 轨迹 和要求代 替人 手抓 吸 取、 搬运工件或工具或进行操作 的自动化装置。气 动机械手 主要 由手指 、 手腕 、 手 臂等运 动部 件组 成。 由文 献[ 2 ] 可知， 气动机械手在气动伺服闭环定位系统的控 制、 运行速度为 5 m ／ s 的情况下， 定位精度可达 0 ． 1～ 0 ． 2 mm， 而且结构简单， 速度高， 抗环境污染及抗干扰性 强， 价格也要比伺服电动机和步进电动机便宜得多。因此 根据所要抓取 物件 的重 量 5～ 7 k g 以及 形状 ， 则 选用 三 点式气动机械 手。三点式气动机械手作 为机械手的一种 ， 具有精度极高、 夹持力大、 结构简单、 质量轻、 动作迅速、 平 稳、 可靠和节能等优点。 2 ． 1 气 动机械 手的选型 首先进行 手爪 的设计 ， 根 据实 际应用 情况 ， 手 爪 的材 料选用 4 5号 钢。所要抓取 的物 重 为 m 7 k g ； 抓 取物 的 形状为 圆柱形 ， 高为 h 3 4mm， 直径为 d 5 6mm。 1 物体所受垂直 力 11 8 G9 ． 8 x76 8 ． 6 N 1 三个手爪 同时受力 ， 故平均每个手指受力 约为 2 3 N。 2 选 用 4 5号钢 3 5 5 N ／ m m ， 6 6 0 0 N ／ m m ， 则 4 5号钢的许用应力 『 ] 2 5 8N ／O r mm z 2 l l 一 ‘ ， 1．． 3 手爪受载荷时 的示 意图见图 2 。 取手指 的长 l 1 0m m 宽 b 1 0mm 设定手指所受载荷是均匀的， 则手指所受的弯矩和应 力分别是 ⋯ q 1 2 ／ 2l 1 5 ⋯N． m m 3 6 ≤[ ] 2 5 8 M P a 6 ， 分别为手指截 6 面的宽和高 4 根据有效 宽度 b1 0 mm， 可 求得 h ≥0 ． 5 2 mm， 为保 证弯曲强度取 h1 m m； 4 设定手臂长 1 5 5 mm， b1 0 mm， 根据力的分解， 手臂所受 的力 F 2 2 N， 则 M q l ／ 82 2s i n l 5 。 X 5 5 ／ 84 0 N 5 640 b h 2 4 0 ≤[ ] 2 5 8 MP a 6 h t t p ／ ／ Z Z H D． c h i n a j 0 u ma 1 ． n e t ． c n E ma i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a 机械制造与 自动化 电气技术与自动化 王字奇， 等 基于P L C控制的变送器自动测漏系统的研究 求得 h I0 ． 4m m， 故 取 h1 m m 由此得知设定手臂的长 z 5 5 mm， b1 0 mm， h1 mm是 合理的。 5 故 3个手爪 的质量 ／ 7 ／, 1 1 0 ． 1 7 ． 8 51 5 ． 50 ． 1 7 ． 8 5 3 1 5 ． 3 0 7 5 g 0 ． 0 1 5 3 0 7 5 k g 7 6 机 械手 抓 取 的 总 质 量 m 0 ． 0 1 5 3 0 7 57 7 ． 0 1 5 3 0 7 5 k g 8 机械 手抓 取物体时 ， 所要 承受的垂直力 G 7 0 ． 2 N 根据 机械手所 要承受 的重力 以及所要 抓取 的直径 尺 寸 ， 则选用三 点式 机械手 ， 型号 为 HG D 5 0 一 A 一 1 6 1 8 3 8 。 由 物体的质量 、 机械手的质量、 结合整个工作台的布局 、 机械 手所要运 行的距离 以及运行过程 中的动载荷 ， 则可以得 出 丝杠的型号， 选用的丝杠型号是 D ME s _ 2 5 ． 5 3 3 7 o 0 。 2 ． 2 气 动机械 手的基本结构 该气动机械手所选用的型号是 H G D - 5 0 ． A， 它的基本 结构如 图 3和 4所示 。 2 3 熹 1 1 一标准气爪；2 一外部气爪手指；3 一安装螺钉 图3 气动机械手 组装前 基本结构 2 1 一标准气爪 ；2 一接近传感器 图4 气动机械手 组装后 基本结构 Ma c h in e B u i l d i n g Au t o m a ti o n ，Oc t 2 0 1 1 ， 4 0 5 1 1 7 1 2 0 由图3和图4可知， 型号为 H G D - 5 0 ． A的气动机械手 适用于接近传感器。当接近式传感器发出信号时， 标准气 爪 就会 根据所收到的信号抓取物件 。 2 ． 3 气动机械手的基本工作过程 气动机械手要把变送器壳体从点 1运送到点 2 ， 需要 几个基本动作 1 手爪 张开； 2 竖直下降； 3 手爪夹紧； 4 竖直上升； 5 水平右移 ； 6 竖直下降； 7 手爪松开； 8 竖 直上升； 9 竖直下降； 1 0 手爪夹紧； 1 1 竖直上升； 1 2 水 平右移； 1 3 竖直下降； 1 4 手爪松开； 1 5 竖直上升 ； 1 6 水 平左移。通过这几个基本动作完成一个工作周期。表 1 是气动机械手的运动过程与预时间分配表。 表 1 机械手运动过程 与预 时间分配表 这几个动作由感知部分、 控制部分、 驱动部分和执行 部分来共同完成。采集感知信号及控制信号均由智能阀 来处理， 驱动部分则采用气压传动 气压传动系统动作迅 速 ， 反应灵 敏 ， 阻力 损失 和泄 漏较 小 ， 成本 低廉 ， 控 制部 分则由P L C来控制双活塞杆气缸来带动机械手 的升降， 执行部分则由接近传感器传递信号使手爪张开和合拢。 其运动简图如图5所示。 茵 一 一放 松 1 一 丝杠 ；2 一 滑块 ；3 - - - - 缸 ；4 一气爪 ；5 一工件 ； 6 一工作平台 图 5 气动机械 手的基本运动简图 1 1 9 电气技术与自动化 王宇奇， 等 基于P L C控制的变送器自动测漏系统的研究 3 P L C控 制原理 控制部分 3 ． 1 工作原理 P L C在整个检测过程 中起着 至关重要 的作用 ， 它控制 整个系统 的运行 。测漏检测 的电气控 制系统 采用 P L C作 为主控制器 ， 通过对开关信 号的扫描 、 计算 ， 输 出对各个 执 行机构的控制 ， 并组建机器视觉系统， 对加压过程水槽气 泡情况进行图像拍摄， 再通过 图像处理算法， 实现图像中 气泡有无 的识 别 ， 最终 完成 变送器 的全 自动气 密性 检测 。 系统采用 P L C作为主控制器， 并连接触摸显示屏， 通过对 各个开关信号的扫描运算， 输出信号控制执行机构和机器 视觉系统 ， 实现 自动测漏过程。具体的控制原理电路如图 6所 示 。 图 6 P LC控 制原理 图 3 ． 2 P L C控制系统的 I ／ O原理 软件设计 气动机械手的工作是将工件从点 1移放到点 2 。机 械手的全部动作 由气缸驱动， 而气缸由相应 的电磁 阀控 制。机械手动作从原点开始， 按下启动按钮时， 传送带 1 运转 ， 将变送器运送至适 当位置， 此时机械手张开并下降。 下降到一定位置时， 碰动行程开关， 下降电磁阀断电， 下降 停止。同时接通夹紧电磁阀， 机械手夹紧。夹紧后 ， 上升 电磁阀通电， 机械手上升。上升到一定位置时， 碰动行程 开关 ， 上升电磁阀断电， 上升停止。接通水平右移电磁阀， 机械 手抓取物件 向右移 动 ， 并 同时进行 定位 。平移到一定 位置时， 碰动行程开关， 右移电磁阀断电， 右移停止。下降 电磁阀通电， 机械手下降。下降到一定位置时， 碰动行程 开关 ， 下降电磁阀断电， 下降停止。同时夹紧电磁阀断电， 机械 手松开 。松开后 ， 上 升 电磁 阀通 电 ， 机械 手上 升 。上 升 到位时 ， 碰动行程 开关 ， 上 升电磁阀断 电， 上升停止 。经 过大约5 ra i n ， 接通下降电磁阀， 机械手下降并张开。同时 接通 夹紧 电磁 阀， 机械手夹紧 。夹 紧后 ， 上升 电磁 阀通 电 ， 机械手上升。上升到一定位置时， 碰动行程开关 ， 上升电 磁 阀断电 ， 上升停 止 。接通右移 电磁 阀 ， 机械手右移 ， 并 同 时进行定 位。右移到位 时 ， 碰动行 程开关 ， 右移 电磁 阀断 1 2O 电 ， 右移 停止 。下降 电磁 阀通 电 ， 机械 手下 降 。下 降到一 定位置时， 碰动行程开关， 下降电磁阀断电， 下降停止。同 时夹紧 电磁 阀断 电 ， 机 械手松 开 。松 开后 ， 上 升电磁 阀通 电， 机械手上升。上升到位时， 碰动行程开关， 上升电磁阀 断电， 上升停止。此时， 传送带 2运转将变送器运走。接 通左移 电磁 阀 ， 机械手 左移 ， 并 同时进行 定 位。左 移到位 时 ， 碰 动行程开关 ， 左移 电磁 阀断 电 ， 左 移停 止。至此 ， 机 械手经过 1 6步动作完成 了一个工作周期 。P L C控制 系统 的 I ／ O接 口如 图 7所示 。 启动 停止 棰 高水位 传感器 稀 限位开关 传动带2 后 限位开关 I ．十 M 4 结论 传送带1 运转 传送带2 运转 水泵运转 丝杆前进 丝杆后退 双活塞气缸 气动机械手上升 气动机械手下降 气动机械手手爪动作 加压气阀 水槽泄水阀 摄像头 L N 图 7 P LC的 I ／ 0接线 图 方案针对变送器泄漏检测的传统方法所存在的问题， 选用气动机械手和气缸来完成整个检测过程 ， 并通过采用 摄像头拍摄来判断是否泄漏， 提出了整体的 自动化检测方 案， 大大提高了检测 的自动化和精度。通过 P L C对机械 手进行控制， 机械手的控制方法充分利用了 P L C和其他 控制装置的特性， 并借助于气压传动系统实现对机械手的 精确定位 ， 结构 紧凑 ， 控制可靠 ， 设计 中机械手主要用 于执 行低速、 中低载任务 ， 结构比较简单 ， 基本实现了检测泄漏 的 自动化 。 参考文献 [ 1 ]关 伟兹 ， 宋 宝玉 ， 曲建俊． 泄漏检测方法及 试漏机设 计 中的几 个 问题 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工业 大学 ， 2 0 0 3 3 ． [ 2 ]陶国 良， 王宣银 ， 杨华 勇． 三 自由度 气动 比例／ 伺 服机械 手 的 研制 [ J ] ． 电子机械工程 ， 2 0 0 0 3 5 - 3 7 ． [ 3 ]F E S T O主要产 品 目录． P r o d u c t s 2 0 0 4 ／ 2 0 0 5 一 S u b j e c t t o c h a n g e 一 2 0 03 ／ 1 0 ， 1 ／ 7． 5 - 4． 收稿 日期 2 0 1 10 31 1 h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E m a i l Z Z H Dc h a in a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制 造与 自动化 L m J 2 3 4 5 m ■ 2 3 L N 呻 叭 D J 2 3 4 5 n m n m m m m m