基于PLC的坩堝氦質譜檢漏裝置設計

陳易然，楊大志，范志恒，楊宗澤

（四川輕化工大學 機械工程學院，宜賓 644000）

坩堝是灼燒固體物質和溶液的蒸發、濃縮或結晶的容器。坩堝如果存在超過系統規定的漏孔，就會在使用過程中對工作人員產生一定的安全風險，以及對生產資源的浪費，因此檢測出坩堝的漏率和查找出漏孔的位置顯得十分必要。

本文針對某種專用坩堝的氦質譜檢漏平臺進行結構設計，并且基于PLC 進行控制系統設計，實現對坩堝的密封、自動檢漏、漏率超標報警、檢漏數據存儲等功能，滿足自動化控制，降低檢漏成本，提高檢漏效率和精度。

1 坩堝結構介紹與坩堝氦質譜檢漏方案確定

設備都是為生產工藝服務的[1]，氦質譜檢漏設備也不除外。設計坩堝氦質譜檢漏裝置首先要了解氦質譜儀的檢漏原理[2]，作為設計坩堝氦質譜檢漏方案的基礎與必要依據，這樣設計出來的坩堝氦質譜檢漏設備才能更好的融入生產線[3]。

1.1 坩堝結構介紹

坩堝母材為電磁純鐵冷軋板，牌號：DT4E，高度約550 mm，厚度為1.5 mm，上端開口約?171 mm，下端底座約?125 mm，焊縫寬度約為5 mm，共有底部環形焊縫和側面豎焊縫2 條焊縫，坩堝實物圖如圖1所示。

圖1 坩堝實物圖Fig.1 Crucible diagram

坩堝上端開口面平整度較差（存在±1.0 mm 的高度差）；坩堝內表面不是規則圓，局部存在凹凸面；距坩堝上端開口邊緣約17 mm 處開有?4 mm的2 個預留小孔。

1.2 坩堝氦質譜檢漏方案確定

氦質譜檢漏的方法主要有噴吹法檢漏、背壓法檢漏、真空室檢漏[4]。根據控制要求，本系統采用的就是噴吹法進行檢漏[5]。噴吹法檢漏如圖2所示，將被檢件內部與檢漏儀的檢測口相連接，再通過真空泵將被檢件內部進行抽真空，直到抽至所需的真空度[6]。當檢漏儀正常工作后，用噴槍連續向工件各個部位噴氦氣，當被檢件存在漏孔時，氦氣將通過漏孔進入被檢件內部進而被檢漏儀檢測，在檢漏儀上直接顯示被檢件的漏率[7]。

圖2 氦質譜噴吹法檢漏Fig.2 Leak detection by helium mass spectrometry

2 坩堝氦質譜裝置總體結構與工作原理

2.1 坩堝氦質譜檢漏裝置的結構

坩堝氦質譜檢漏裝置結構簡圖如圖3所示。設備框架為機架鋁合金型材制作組成一個閉式撬裝裝置，正面做鉸鏈旋轉門，撬裝體由各個單元小室組成，分別為：電控柜、工控箱、打印機、顯示器、LED照明燈等組成的電控小室；氦檢漏儀、真空管道、真空電磁閥等組成的檢測儀器小室；坩堝放置平臺、密封組件、底部焊縫檢測噴嘴絲杠步進電機導軌及縱焊縫檢測噴嘴絲杠步進電機導軌、旋轉機構、氦氣濃度檢測儀、校準漏孔等構成密封小室；輔助干式真空泵、脹緊氣缸、真空管道、充氣閥等組成的輔助真空室；氦氣瓶、氦氣流量計、頂部排氣口等組成的氣源小室。以上5 個部分構成坩堝氦氣檢漏裝置。

圖3 平臺結構簡圖Fig.3 Schematic diagram of platform structure

2.2 坩堝氦質譜檢漏裝置工作原理

設備啟動后只需要人工把待檢坩堝倒置于檢漏工作臺，定位卡緊，然后人機交互界面上選擇3種檢漏方式中的一種，即可啟動輔助真空泵，待達到氦質譜檢漏儀正常工作的真空度要求后停止輔助真空泵。然后在控制系統的作用下，控制氦質譜檢漏儀和氦氣噴頭完成用戶選擇的坩堝檢漏方式，最后將檢漏結果存入SQL2012 數據庫中，以便后續查詢。

在設備啟動后，整個機械裝置能夠實現的功能如下所示：①坩堝真空密封。真空密封的良好性是檢漏的基本條件，坩堝真空密封也有別于常規螺釘壓緊密封，而是采用倒錐脹緊頭，由氣缸拉緊脹緊頭使密封橡膠脹緊環脹大緊貼坩堝內壁達到密封效果，從而實行自動化，操作方便，密封效果好。②坩堝檢漏。PLC 通過邏輯控制指令控制水平軸上的噴頭、豎直軸上的噴頭、水平軸、垂直軸、回轉軸等各個執行器相互配合，實現對坩堝的檢漏。③檢測數據存儲。上位機采集的相關過程數據，存入SQL2012 數據庫，可進行歷史查詢和追溯。坩堝氦質譜檢漏裝置具體工作流程如圖4所示。

圖4 坩堝檢漏工作流程Fig.4 Flow chart of crucible leak detection

3 裝置氦氣噴頭驅動機構設計

為適應上述3 種不同檢漏工作模式，本裝置設計了專用的氦氣噴頭驅動機構，如圖5所示。氦氣噴頭驅動機構包括1 個倒置的可定位、調速的回轉軸，以及其上各有1 只獨立安裝于水平軸上的噴頭和安裝于垂直軸的噴頭，能獨立控制噴頭開關、速度和位置。采用這種噴頭機構，有效地解決了坩堝整體全檢、焊縫線檢和全位點檢等3 種檢漏方式的自動化控制需求。

圖5 氦氣噴頭驅動機構原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of helium nozzle driving mechanism

4 坩堝檢漏裝置控制系統設計

4.1 控制系統結構

PLC 作為現場控制站[8]主要完成氦氣噴頭驅動裝置的運動控制，輔助真空泵及真空管路的啟停控制，采集各種限位開關、閥位狀態反饋等開關信號和真空變送器等儀表檢測的模擬信號。上位工控機作為控制核心和人機交互界面，一方面通過以太網接口與PLC 控制器連接，實現PLC 控制指令、參數下發和數據讀取[9]；另外通過RS232 串口與氦質譜分析儀通訊，實現氦質譜儀的程序操控，控制系統結構如圖6所示。

圖6 控制系統結構Fig.6 Control system structure

4.2 系統接線

根據控制要求，PLC 系統CPU 采用ST30，擴展1 個EM QR1616 點繼電器輸出模塊，擴展1 個EM AE04 4 點模擬輸入模塊。整個PLC 系統的IO 接口如表1所示。

表1 I/O 分配表Tab.1 I/O allocation table

根據坩堝氦質譜檢漏裝置的控制要求與I/O 分配表，其控制系統部分接線如圖7所示。

圖7 PLC 控制系統接線圖Fig.7 Wiring diagram of PLC control system

5 人機交互界面設計與實物驗證

對上述設計的關于坩堝氦質譜檢漏系統進行驗證性實驗，實驗所用的實物如圖8所示。上位機軟件以Visual Studio 2015 開發平臺，基于C# 編程語言進行上位機軟件設計，開發人機交互界面[10]。上位機主界面如圖9所示，設備開啟后，程序先進行初始化，使得設備在初始狀態下，為后續的檢漏過程做好準備，同時上位機界面上顯示通訊成功以及串口連接相關信息[11]。默認狀態下為自動模式，只需要選擇整體全檢、焊縫線檢、全位點檢3 種模式中的一種，裝置就會按照PLC 程序自動運行[12]。主界面上顯示的漏率和壓力信息，是通過上位機與氦質譜儀進行RS232 串口通訊獲取的，而噴頭位置、氦氣濃度等信息是上位機通過西門子PLC 的S7 通訊獲取的[13]。界面右邊為坩堝示意圖，在上位監控程序上以可視化云圖的形式顯示當前測點位置和已測位置對應漏率值是否超標，檢漏的同時將漏率信息存放在SQL2012 數據庫[14]，以備歷史記錄查詢使用。

圖8 裝置實物圖Fig.8 Device physical drawing

圖9 監控系統主界面Fig.9 Main interface of monitoring system

上位機手動界面如圖10所示，設備上的各個執行器均可通過手動模式中的按鈕實現相應動作。通過手動界面可以實現對坩堝的人工復檢，從而提高檢測的準確性。

圖10 監控系統手動界面Fig.10 Manual interface of monitoring system

6 結語

根據檢漏要求，為實現裝置的3 種工作模式，借助檢漏平臺的關鍵設計，采用PLC、工控機和步進系統等組成控制系統，創新地實現了對坩堝的檢漏過程。經過實踐檢驗整體全檢和焊縫線檢時間小于5 min，全位點檢時間小于15 min，檢漏同一坩堝10次檢漏漏率值標準偏差S≤2.84，節省時間的同時也更加準確地檢測出坩堝的漏率，以及自動檢測過程控制做到了可視化，使得讓操作人員可以清楚地觀察到坩堝上任何一個點的漏率。坩堝氦質譜檢漏裝置在提高企業自動化的同時，為企業帶來了一定的經濟和社會效益。