基于PLC的真空氦质谱自动检漏系统的设计.pdf

l 訇 地 基于P L C 的真空氦质谱 自动检漏系统的设计 Desi gn of au t om at i c m as s spec t r um l eak det ect i on s y st em ba sed on PL C 周乔君，蒋庆，汤建斌，陈泽熹 Z H OU Qi a o - j u n ， J I A N G Qi n g ， T A N G J i a n ． b i n ， CHE N Z e ． X i 中国计量学院 计量测试工程学院，杭州 3 1 0 0 1 8 摘要制冷行业对其制冷部件有严格的漏率要求，为了适应制冷部件批量化生产背景下的高精度快速 检测，设计研发了真空氦质谱自动检漏系统。该系统采用P L C 与触摸屏结合的模式，充分发挥 了P I_ C 可靠高效的优势 ， 通过触摸屏弥补了人机交互的不足 ，对检漏工艺进行优化，实现了工 位间互不干扰的交错检测并增加了大漏剔除环节，显著提高了检漏效率。系统实际运行显示 可以检测到的最小漏率可达1 X 1 0 一 mb a r ] ／ s，检漏节拍最快可达1 5 s ／ 只，与传统的检漏方 法相比大大提高了检漏精度和节拍 ，实现了产品高精度的快速在线检测。 关键词氦质谱检漏；真空；P L C；触摸屏 中图分类号T B 7 7 4 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 9 下 - 0 0 6 4 - 0 4 O o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 9 CF ． 2 1 0 引言 随着科 学技术不 断进步 ，现代汽车零部件 工 业 、空调 冰箱制冷器工业及其他一 些涉及密封 要 求的行业对部件检漏提 出了越来越高 的要求。传 统的检漏方法例如静 态降压法 、肥皂泡法、水 检 法 等不仅检漏时间需要几十秒甚至更长 ，而且 只 能检测到 l 1 0 4 mb a r ． 1 ／ s 以上 的漏率 ，不能满足现 代工业检漏对效率和检漏灵敏 度的要求 ，势必需 要寻找 更精密的检漏 方法 。 因此，氦质谱检漏 方法越来越多地被国内外企业用于产品的检漏 。 本文 旨在研发一套高效真空氦质谱 自动检漏系 统，系统设计最小检测漏率可达 1 l 0 一 m b a r ． 1 ／ s ， 检漏节拍最快可达1 5 s ／ 只。系统对现有工艺进行优 化 ，对检漏设 备进行技术改造，适 应批量化的生 产模式，在不大量增加人力资源的前提下 ，快速 准确的判断产品性能是否符合要求，显著提高产 品在线检漏效率。 1 氦质谱检漏的原理及方法 氦质谱测漏实质上就是用质谱检漏仪检测通过 漏孔的氦气多少来判断漏率 。质谱检漏仪 的原理如 图1 所示，气体分子进入质谱检漏仪后，在电场 、 磁场的作用下产生偏转，大部分打到孔板上，只有 匹配的离子，才能穿过孔板 中间的小孔进入右半磁 场，被离子极收集。通过测量离子流即可知道通过 漏孔的气体的多少，进而推算出漏率 。 1 ． 离子流；2 ． 引出孔板 3 ． 离子源屏蔽 4 ． 阴极1 ；5 ． 阴极 6 ． 阴极2 ；7 ． 中间孔板 ；8 ． 磁场 ；9 ． 干扰抑制极； l 0 ． 离子收集极孔液；1 1 ． 离子收集液；l 2 ． 预 防大器 图1 氦质谱检漏仪原理 氦质谱测漏 的方法通 常有喷吹法检漏 、吸腔 法检漏、背压法检漏、真空室检漏 J 。真空室检漏 又可以分为两种 一种是 内真空法，另一种是外 真空法 。本系统采用真空室检漏中的外真空法 ， 检漏原理如图2 所示。其具体检漏方法为 把工件 安放在真 空室 内，充入一定压 力的氦气 ，氦气通 过工件漏孔进入真空室 ，由与真 空室相连的氦质 谱检漏仪检出，从而得到工件漏率。 2 氦质谱检漏的漏率计算 根据漏率的定义 ，得到漏率的公式如式 1 所示 QPx V／ T 1 收稿日期2 0 1 3 0 7 -1 0 基金项目浙江省教育厅科研项目 Y2 0 1 1 2 2 0 8 9 作者简介周乔君 1 9 8 9一，男，浙江江山人，硕士研究生，主要从事检测自动化、微机应用技术的科研工作。 1 0 4 ] 第3 5 卷第g 期2 0 1 3 0 g 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 出 抽件 真空箱 氮 气 I l 氰 气 图2外真空法检漏原理 式 中 ，P为 压强 ，V为 被 检件 容 积 ，T为 时 间 。 按国家规定家用空调或小轿车 空调每年允许 制冷剂泄漏量为2 克，以制冷剂R2 2 在一个大气压 下来计算漏率 制冷剂R 2 2 的摩尔质量为8 6 ． 5 。 根据玻意尔一查理定律如式 2 所示 PV 2 式中 ，P 为气体压 强 mb a r，v为气体体 积 ， r l为 气 体 摩 尔 数 ， R 为 气 体 系 数 R 8 2 ． 9 3 8 8 ，T 为绝对温度 K。 计算 出标 准状态下2 克R2 2 所 占体积为0 ． 5 1 8 升 。所 以在一个大气压下 ，每年2 克R2 2 的泄漏 率 Q1 0 1 30 ． 51 8 3 1 5 3 6 0 0 01 ． 6 6 1 0 _ ’ mb a r 1 ／ s。 在不 同的压力下 ，同样 的漏孔会 有不 同的漏 率。根据压差与气体放大系数的关系如表l 所示， 可 以计算 出不 同压 力下 相应 的漏 率 。如 系统 以 1 b a r 的 氦气压 力 进 行检漏 ，需要 测 出的漏 率 为 4 ． 4 1 0 ～ mb ar U s 。当系统以8 b a r 氦气压力进行检 漏 ， 则 需 要 测 出 的 漏 率 为4． 41 0 2 6 1 ． 1 4 1 0 ～mb ar ． Us。 表1 压差与气体放大系数关系 冷媒 压差 △P ／ b a r 气体放大倍率 l 5 8 1 0 l 5 3 0 l l 0 26 3 2 70 22 0 3 真空氦质谱自动检漏系统的设计 真 空 氦 质谱 自动 检 漏 系统 可 以分 为真 空 系 统 、检漏 系统 、电气控制 系统 、人机交互 系统 ， 其结构框图如图3 所示。 3 ． 1真空系统 真空 系统 负责获得并 维持 氦质谱检漏仪所需 的工作真空度 ，主要包括真空泵、真空计、真空 室以及其他真空元器件等。 触摸屏 P L C l t l 电 气 控 制 系 统 l l 一 上 上 一 上 ‘ 上 土 一 管 氯 预 主 抽 氨 真 真 道 配 质 抽 抽 件 检 空 空 阀 气 谱 门 系 检 泵 泵 泵 泵 计 室 系 统 漏 统 仪 真空系统 检漏系统 图3 真空 氦质谱检漏 系统结构框 图 在真 空系统 的设 计上 主要考虑 两个问题 一 是要考虑泵 的选型 ，确定泵的抽速 等是否满足 系 统 的设计要求 ，能不能在规定的时间内达到需要 的真空度M 】 ；二是真空室的设计 ，主要包括真空室 壳体设计和壁厚设计、强度校核等。 根据真空室的容积 、允许的预抽时间和所 要 达到的预抽空度来选择预抽泵的抽速 。预抽泵 的 名义抽速计算如式 3 所示 Sp2． 3 K V l g P o 3 式中，T 为抽气时间，S 为预抽泵名义抽速， V 为真空箱的容积 ，P 。 为真空箱内初始压强，P h 为抽 气时间T 后所达真空度，K为修正系数。 对于主抽泵的抽速 ，根据系统的泄漏量、放 气量 以及所需工作压力来确 定。主抽泵的名义抽 速计算如式 4 所示 S 0 , 0 2 0 3 P 式 中，S 为主泵有效抽速，P 为检漏过程所需 的工作压力 ，Q。 为检漏过 程中气体渗透量 ，Q 为 真空室的放气量 ，Q 为真空箱的泄漏量 。在实际 选型过程中将理论有效抽速增大2 0 ％来选择泵的有 效抽速。 真空室采用盒形壳体 ，并设置有室 门，室 门 采用矩形平盖式的 ，用密封圈进行密封 。真空室 壁厚按矩形平板计算，理论壁厚计算值如式 5 所示 S0 ． 2 2 4 B 5 √ [ o 】 式中，s 为理论计算的壁厚， B 为矩形板窄边长 度 ，[ 0】 为弯 曲时许用应力。其适用条件是板周 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 - 0 9 下 [ 6 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骞 、 I 訇 似 边 固定 ，受外压 为0 ． 1 MP a ，水压 试验压 力P 为 0 ． 2 MP a 。壁厚的实际取值是在理论壁厚的基础上 增加 一个附加量 ，确保真 空室 结构稳定，满足强 度要 求 。 3 ．2检漏系统 检漏 系统实现 对产品的检漏工作 ，可分为氮 气检大漏和真空氦气检漏两部 分，包括管道阀门 系统 、配气系统 、氦质谱检漏仪等。 检漏 系统 主要考虑管道的设计 ，包括管道流 导 、管道 直径 、管道排布 等，确保检漏 系统可以 快速达 到设定真空度并尽可能 的减少残留示漏气 体 。 为提 高有效 抽速 以及增大管道流导，应尽可 能采 用粗 而短 的管道 ，并 避免 管道 的弯 曲和转 向。因为系统的空 间有限，实 际上采用弯管道和 直管道串联或并联的组合 。对于单节长圆管流导 计算如式 6 所示 c 7 t D 4 6 1 2 8 1 1 L 式中，C为流导 ， 为粘滞 系数 ，L 为管道长 度 ，D为真空管道直径 ， 为管道内平均压强 。 对于弯管段的流导计算，可以用一段等效 的 直管流导来代替，其等效长度如式 7 所示 L 等 效 L 轴 长 { D 7 系统 串联管道 的总流导为各段管路流导倒数 之和，并联管道的总流导为各段管路流导之和。 系统 的真 空 管路 为长 管路 ，对 于 长真 空 管 道 ，气体流动状态可以都视为粘滞流 ，因此可 以 根据粘滞流判别式 8 以及抽至检漏工作真空度 时管道的平均压强，估算出管道的直径 J 。 DP 0． 6 65 8 配气系统分为氮气和氦气两部分 ，所有的气 路 以及检 测结束后的排空气路都集成在一个 阀岛 上 ，方便可靠。 氦质谱检漏仪选用I N F I C O N的L DS 2 0 1 0 ，满足 多种通讯功能的要求，拥有多种检测模式，其最小 可检测漏率的保守数据是小于 1 1 0 一mb a r l ／ s ，完 全符合产品的检漏需要。 3 ． 3 电气控制系统 电气控制系统主要 由OMRO N P L C控制器 、 控制继 电器、接触器 、多通道真空计、压力传感 器、通讯模块等组成。 [ 6 6 1 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 - 0 9 下 电气控制系统 接收来 自压力传感器的模拟量 信号 以及各个 阀门的到位信号等，根据设定的程 序和工艺流程对真空泵，报警器 、指示灯以及 阀 门进行控制 。检漏仪、多通道真空计采用RS 2 3 2 的通讯模式与系统实时通讯。 通过 电气控制 系统协 调控制 ，使各工位之间 交错 测试 ，互不影 响，实现 系统的最优化 ，提高 检漏节拍。 3 ． 4人机交互系统 由于P L C的人机对话功能较弱 ，将触摸屏作 为 系统 的操作终端 。通过触摸屏和P L C 之间的通 讯 ，可以在触摸屏上 显示 系统 当前运行状态 ，监 控 各个部件的工作状 态以及每个工位 的压力 、真 空度等。 根据检漏 的工艺流程及系统 的要求 ，在触摸 屏上建立 了自动运行、手动测试、参数设置 、系 统设置和用户登录5 个界面，每个界面都设定相应 的权限 ，不同的权限可 以打开不同的界面，使整 个系统 的管理层次分明，更加人性化，系统框 图 如图4 所示 。 系 统 初 始 化 - I z -面 Y Y l 图4人机交互系统框 图 4 真空氦质谱检漏的工艺流程 系统对检漏工 艺进行 了优化 ，可分 为5 个过 程 ，具体工艺流程如图5 所示 。 1 装夹 将工件连接到真 空系统上 ，操作人 员只要将 工件放入夹具，系统将 自动夹紧工件。 2 检大漏 把被测件安 装好之后真空室 闭合，干燥 的高 压氮气充入被测件进行大漏测试 ，通过压降法来 判断是否有大漏 。若被测件有大漏则 系统报警 ， 管理员]● ●● ● ●● 土系统谁盘 管理员1 ●● _ ． 1 参数设置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 生 lI5 似 结束 测试 ；若 没 有大 漏 ，则进 入 氦质谱 检漏 阶 段 。 3 预 抽 氦质谱检漏仪是在高真空条件下工作 的，因 此在 氦质谱检漏 前，必须对真 空室 进行预抽 ，通 过 预抽泵快速将真空室 内部抽至 1 mb a r以下 ，同 时把被测件 中的氮气排空并抽真空 ，为下一步氦 质谱检漏做准备 。 4 氦质谱检漏 当真 空箱 达 到设 定真 空 度之 后 ，检漏 阀打 开 ，真空室和氦检仪之 间的管路导通 ，检漏仪 自 动清本底 ，向被测件 中充氦至检漏压力 ，检漏仪 开始 自动检漏并读取产品漏率。 5 卸工件 漏 率 数 据读 取 完成 之 后 ，判 断产 品 是 否合 格 。清洗 阀向真空室充入氮气 ，将可能进入真空 室 的氦气吹走 ，降低氦气本底 ，卸下工件 ，检漏 完成 。 图5 氦质谱 检漏 工艺 流程 5 实验结果 真 空 氦质谱 检 漏 系 统 有两 个重 要 的性 能 指 标检漏灵敏度和检漏响应时间。 检漏灵敏 度是指系统在正常的工作 条件下 ， 用纯氦作 为示漏气体进行检漏时所能检测出的最 小漏 率 。系统 的检 漏 灵敏 度用标 准漏 孔进 行标 定，其计算如式 9 所示 A ， ． ， I I h 式 中，Q 为标准漏孔的标称漏率， △ 为检漏 仪噪声 ，I 1 为系统运行时检漏仪对标准漏孔的输 出 值 ，I 。 为系统未放入标准漏孔时检漏仪的本底值。 通 过 实 际 测 试 ， 系 统 的 检 漏 灵 敏 度 Q i 1 ． 6 1 0 ～ m b a r ． 1 ／ s，满足设计要求。 检漏响应时间是指示漏气体从待测工件的漏孔 中溢出进入检漏系统，到检漏仪检测出的漏率达到 最大值并处于稳定状态所需要的时间。通过测试， 系统平均检漏响应时间约为3 s ，如图6 所示。 图6 检漏 响应时间曲线图 响 应 时 间的快 慢 直接 影 响到 系统 的检漏 节 拍 ，系统实际测试检漏节拍最快可达 1 5 s ／ 只。 为 了计算 系统 的检漏误差 ，取一个漏率值可 以调整变化的标准漏孔 ，在不改变其他工作条件 的情况下调整标准漏孔的漏率值 ，记录 系统 测试 所得的对应漏率值， 表2 测试数据如表2 所示 。 漏率测试数据表 由表2 中的测试数据可 以看出，系统最大误差 为8 ％左右，而标准漏孔本身的不确定度为1 5 ％，所 以说明系统的误差是在允许的范围之 内的，并且可 以较为准确的检测出l x l 0 ～ mb a r ． 1 ／ s 以上的漏率。 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 - 0 9 下 I 6 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 匐 似 6 结束语 基 于P L C的真 空氦质谱 自动 检漏 系统 是根 据 制冷行业批量生产的实际要求并结合国内外现 阶 段检漏方法发展现状而设计 的一种新型高精度 检 漏 系统 。在实际运用中，只需要更换真空室内的 工装夹具就可 以对不同的产 品进行检漏 。同时 系 统对检漏工艺进行了优化 ，实现 了高精度 自动检 漏，减少了人工因素的干扰 ，检漏结果更加快速准 确，从而提高了检测效率，为批量化的产品检漏提 供了有力的支持，是未来检漏方法的发展趋势 。 参考文献 【 l 】朱 佃功． ， J 、 型制冷产 品的检漏 和检漏技术 的研 究与探讨 【 J 】 ． 制冷与空调 3 L 京 ， 2 0 0 3 ，3 2 3 2 3 8 ． 【 2 】高满生． 氦质谱检漏仪查漏原理及其 应用【 J 】 ． 湖北电 力， 2 0 0 9 ， 3 3 1 1 9 2 0 ． 【 3 】北京 中科科仪技术发展责任公 司真空检漏事业部． 最新 密封检 测手段 氦质谱检漏技术 简介[ J 1 ． 真空 电子技 术， 2 0 0 1 ， 2 3 7 3 8 ． [ 4 】达道安． 真空设计手册t M] ． 北京 国防工业 出版社， 2 0 0 4 ． [ 5 】王欲知， 陈旭． 真空技术【 M】 ． 北京 北京航 空航天大 学出版 社， 2 0 0 7 ，4 9 9 5 0 0 ． [ 6 】王 文明， 张 燕军， 杨 浩， 张 为群． 双真 空主动型 氢脉泽真 空 系统设计【 J ] ． 真空科学与技 术学报， 2 0 1 2 ， 3 2 3 2 5 2 2 5 5 ． [ 7 】朱 思莲 ． 氦 真空检 漏 回收 装置 监控 系统 的设 计 和实现 [ D】 ． 电子科技大学， 2 0 0 6 6 2 0 ． [ 8 】褚 向前， 朱武， 宇剑飞． 基于P L C 和组态王的真 空检漏 回收 装置监控【 J 】 ． 真空， 2 0 1 2 ， 4 9 3 1 4 1 6 ． { I 童‘ 童‘ {国‘ 国‘ ． { ‘ {量‘ ． ‘ ． h‘ ， 矗 {蠢‘ {＆} {＆ {蠢} {＆ {＆ ． {矗‘ 矗‘ 矗‘ 童‘ 【 上接第5 O 页】 行信号串联 ，连入此功能块 。设备连锁 主要针 对内部故障，设备本体无错误时方可启动 。 5 电机控制字 可以将每个控制位组合成一个字节 ，直接送 入功能块 ，省时 、高效 。电机状 态字编号按照相 同的规则统一编排 。例 1 3问的5 号 电机 的电机 状 态字为M1 0 5 。第1 位数 字表示车 间，后两位数 字为电机编号。 6 电机 的 下位调 试 直接对 “ S T E P 7 编程”的调试叫做下位调试 。 如果你想使电机 启动 ，在连锁状态都满足 的情况 下 若暂时无法满足连锁条件 ，可以将连锁条件 通过常 “ 1 ”信号将其屏蔽，只需置位对应电机 控制字的第0 位 单机启动 ，若想停止 电机运动 直接复位该控制位即可。 2 ． 3 计算机监控组件实现 计 算机 监控组件 和逻辑程序控 系统是两个独 立的控制单 元，但是在两者之 间使 用了总线网络 与S I MAT I C的通讯协议之后，就将这两个单元组 合成 了一个 整体 。在控制站与控制站之 间、控制 站 与操作站之 间采用工业 以太网作为通讯介质， 可 以快速且稳定的进行数据传输 。从控制站点到 现场模块之 间采用了分布式I O的方式进行通讯， 利用稳定 的通讯总线可 以将现场信号实时的传输 到控制单元当中。 【 6 8 】 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 -0 9 下 计算机监控组件、逻辑程序控制 系统和网络 通讯 系统共同组成 了DC S 的控制核大脑 ，必须配 合对应的现场设备 ，DC S 控制系统才能体现其迅 速、高效、准确的控制性能。 3 结束语 电子控制系统是 自动化生产系统的身体，程序 逻辑控制系统是该项 目的大脑，具体的输入输 出信 号模块是该项 目的四肢 ，而现场级的通讯网络总线 系统则是该项 目的血液。本项 目使用了先进的控制 思想，将四大核心部分有机的结合起了起来，共同 组成了一条自动化生产线。生产线 自控 系统的总体 框架方案设计后的下一个重点研究方向就是该项 目 的具体实现环节。 参考文献 [ 1 1 Wa n g Yi n g x i ， Ya n g Yu l o n g ， Ho n g ． De s i g n an d a p p l i c a t i o n o f d i s t r i b u t e d u n i t c o n t r o l s y s t e m i n mo t o r t e s t s t a t i o n ． E l e c t r i c P o we r Au t o ma t i o n E q u i p me n t v o 1 ． 2 4 Ap r i l 2 0 1 2 ， n o ． 4 3 5 1 ． 【 2 】廉保旺， 李 勇． P r o fi b u s DP 总线性能分析 比较 [ M】 ． 清华大 学 出版社， 2 0 1 2 ． 【 3 】邓洁清 ， 袁宇波． 基 于P L C 模块 的变 电站 自动化测试仿真 系统的实现及应用[ J 】 _ 电力系统保护与控制． 2 0 1 2 2 4 ． 【 4 】秦常贵． 基于P L C的组合机床的电气控制系统设计f J 】 ． 机 电产品开发与创新．2 0 1 1 0 3 ． [ 5 】刘卫忠． 西门子s 7 3 0 0 P L C在纸厂污水处理中的应用[ J ] ． 机 电工程技术． 2 0 1 2 0 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m