基于PLC控制的電磁閥耐久試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐承韜，何利源，蔡勝年，秦然，梁禹，龐寶麟

(沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)110142)

隨著機(jī)、電一體化的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性和自動(dòng)化程度對(duì)設(shè)備性能的要求越來(lái)越高。電磁閥作為流體控制系統(tǒng)中最主要的元件之一，其動(dòng)作時(shí)間、可靠性、壽命等指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的工作性能及經(jīng)濟(jì)性影響巨大，須通過(guò)試驗(yàn)對(duì)電磁閥產(chǎn)品相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。電磁閥試驗(yàn)是電磁閥產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及改進(jìn)過(guò)程中用于檢驗(yàn)產(chǎn)品性能和質(zhì)量的有效手段，在各項(xiàng)試驗(yàn)中需要根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確控制。如何對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)中的各項(xiàng)被控參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化快速精確控制是成功開(kāi)發(fā)電磁閥試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

在各項(xiàng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，電磁閥耐久試驗(yàn)主要用于評(píng)估其工作可靠性及壽命，為進(jìn)一步改進(jìn)電磁閥設(shè)計(jì)、提高其性能提供依據(jù)。由于電磁閥耐久試驗(yàn)周期長(zhǎng)、強(qiáng)度高，其試驗(yàn)系統(tǒng)須具有自動(dòng)化程度高、可靠性好的特點(diǎn)。基于可編程控制器(PLC)，作者設(shè)計(jì)了一套高效能的電磁閥耐久試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓 電流信號(hào)占空比等被控參數(shù)的快速精確控制，具有自動(dòng)化程度高、可靠性好和操作方便的特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)流路設(shè)計(jì)

為進(jìn)行電磁閥耐久試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)用電磁閥的工作條件及測(cè)試要求，建立系統(tǒng)流體回路如圖1所示(測(cè)試流體為水，被測(cè)電磁閥數(shù)目定為5個(gè))。

圖1 系統(tǒng)流路圖

其工作原理為:水泵工作后，水箱內(nèi)水被抽取進(jìn)管路，流經(jīng)管路后最終在另一端口流回水箱，調(diào)節(jié)手動(dòng)閥2 使其前端水壓達(dá)到被測(cè)閥所需設(shè)定值，此后通過(guò)PLC控制使被測(cè)閥在額定驅(qū)動(dòng)電信號(hào)作用下逐一開(kāi)關(guān)動(dòng)作并連續(xù)循環(huán) (水通過(guò)被測(cè)閥后也流回水箱)，直至達(dá)到設(shè)定動(dòng)作次數(shù)才停止動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)耐久性測(cè)試。

系統(tǒng)中水泵選用具有較高輸出壓力的高速葉片泵，以滿(mǎn)足試驗(yàn)的壓力要求;流路中所有管件及手動(dòng)閥等均選用不銹鋼材質(zhì)，以保證耐壓性能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，并保證長(zhǎng)期測(cè)試中不致產(chǎn)生水銹等污染;為保證流體的清潔度，不致對(duì)水泵及被測(cè)閥產(chǎn)生影響，管路入口端加裝精密過(guò)濾器;被測(cè)閥與管路的連接采用快換接頭與工程塑料軟管插接配合方式，耐壓性能滿(mǎn)足要求，且便于安裝和拆卸;水泵電機(jī)的控制及被測(cè)電磁閥的驅(qū)動(dòng)控制由PLC控制實(shí)現(xiàn)，為方便監(jiān)控操作，將PLC與一計(jì)算機(jī)連接形成上下位機(jī)控制方式。

2 PLC 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC 選型

PLC的輸入信號(hào)包括水泵電機(jī)起停控制信號(hào)、被測(cè)電磁閥的起動(dòng)停止控制信號(hào)、過(guò)載保護(hù)信號(hào)及液位保護(hù)信號(hào)等。考慮到可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)單按鈕起停控制及將相關(guān)保護(hù)信號(hào)串聯(lián)輸入，以減少輸入點(diǎn)數(shù)、提高經(jīng)濟(jì)性，可以判定PLC 開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)不能少于3個(gè)。試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)需PLC控制的對(duì)象有水泵電機(jī)1個(gè)、被測(cè)閥5個(gè)，可確定PLC 開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)不能少于6個(gè)。

因耐久試驗(yàn)中被測(cè)電磁閥須被長(zhǎng)期連續(xù)驅(qū)動(dòng)，故要求控制用PLC輸出部件工作壽命要長(zhǎng)，不適合采用壽命較短的繼電器輸出型。而晶體管輸出型可靠性高，反應(yīng)速度快，不受動(dòng)作次數(shù)的限制，故選擇晶體管輸出型。根據(jù)以上要求，綜合性?xún)r(jià)比等因素考慮，最終選用西門(mén)子PLC 產(chǎn)品中S7-200系列中的CPU222(晶體管輸出型)，該機(jī)型具有8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入端子、6個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出端子，程序存儲(chǔ)器容量大小適合，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

2.2 輸入輸出接線

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)PLC 輸入及輸出驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 PLC 外部接線圖

輸入包括水泵電機(jī)起停控制按鈕SB1、被測(cè)電磁閥起停控制按鈕SB2 及一路保護(hù)信號(hào)串聯(lián)輸入(為液位開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)和熱繼電器的常閉觸點(diǎn)的串聯(lián))，輸出驅(qū)動(dòng)了6個(gè)固態(tài)繼電器(SSR)，其中1個(gè)SSR控制水泵電機(jī)，其他5個(gè)SSR控制被測(cè)電磁閥。通過(guò)SSR 間接控制負(fù)載，可以很好地保護(hù)PLC、提高試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。

在PLC控制程序中編寫(xiě)了單按鈕控制功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泵電機(jī)和被測(cè)電磁閥工作的單按鈕起停控制，即第一次(或第奇數(shù)次)按下水泵電機(jī)起停控制按鈕時(shí)，PLC輸出使水泵電機(jī)起動(dòng)并保持工作狀態(tài)，第二次(或第偶數(shù)次)按下水泵電機(jī)起停控制按鈕時(shí)，PLC輸出使水泵電機(jī)停止。同理，第一次(或第奇數(shù)次)按下被測(cè)電磁閥起停控制按鈕時(shí)，PLC輸出使被測(cè)電磁閥動(dòng)作并保持連續(xù)循環(huán)工作狀態(tài)，第二次(或第偶數(shù)次)按下被測(cè)電磁閥起停控制按鈕時(shí)，PLC輸出使被測(cè)電磁閥停止動(dòng)作。

控制水泵電機(jī)需要選擇大容量的SSR，控制被測(cè)電磁閥可選擇較小容量的SSR，所以須根據(jù)電壓、電流等參數(shù)選擇合適的SSR。因電磁閥線圈屬感性負(fù)載，故在每個(gè)被測(cè)電磁閥線圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管，提供泄放回路進(jìn)行保護(hù)。水泵電機(jī)主電路中串有快速熔斷器、熱繼電器，分別能夠?qū)崿F(xiàn)短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)，還在水箱中設(shè)置了液位開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)液位保護(hù)，即當(dāng)水箱中水量不足、液位下降到一定程度時(shí)，使水泵電機(jī)停車(chē)避免損壞水泵，并同時(shí)使被測(cè)電磁閥停止工作。另外，在試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意了電氣部分的防護(hù)問(wèn)題，使該部分能夠防濺水、防積塵。SSR的使用、多種保護(hù)措施的設(shè)置及PLC 本身具有的高穩(wěn)定性，保證了試驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的可靠性和安全性。

3 PLC軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)控制要求及運(yùn)行特點(diǎn)，使用順序控制設(shè)計(jì)的編程方法及單按鈕控制、計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)等編程技巧，可以方便地編寫(xiě)出PLC程序。該系統(tǒng)PLC程序可以分為初始化子程序和主程序兩部分，初始化子程序用來(lái)進(jìn)行初始化操作及設(shè)置初始值，如電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓 電流信號(hào)導(dǎo)通時(shí)間值、關(guān)斷時(shí)間值、電磁閥試驗(yàn)動(dòng)作次數(shù)值等，主程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制及對(duì)電磁閥的控制。

對(duì)電機(jī)的控制流程如圖3所示。初次(第奇數(shù)次)按下水泵電機(jī)控制按鈕 (此時(shí)為起動(dòng)功能)，如液位保護(hù)和過(guò)載保護(hù)功能沒(méi)有動(dòng)作，則電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，在工作過(guò)程中若液位保護(hù)或過(guò)載保護(hù)功能動(dòng)作，抑或電磁閥動(dòng)作次數(shù)達(dá)到設(shè)定值或是又一次(第偶數(shù)次)按下水泵電機(jī)控制按鈕 (此時(shí)為停止功能)，則電動(dòng)機(jī)停止工作(同時(shí)被測(cè)電磁閥也停止動(dòng)作)。

圖3 PLC 對(duì)水泵電機(jī)的控制流程圖

對(duì)電磁閥的控制流程如圖4所示。

圖4 PLC 對(duì)被測(cè)電磁閥的控制流程

初次(第奇數(shù)次)按下被測(cè)電磁閥控制按鈕(此時(shí)為起動(dòng)功能)，如液位保護(hù)和過(guò)載保護(hù)功能沒(méi)有動(dòng)作，則閥1 開(kāi)啟并計(jì)時(shí)(導(dǎo)通時(shí)間)，計(jì)時(shí)到后閥1 關(guān)閉并延時(shí)(關(guān)斷時(shí)間)，繼而閥2、閥3、閥4、閥5 逐一動(dòng)作，所有被測(cè)閥均動(dòng)作1次后計(jì)數(shù)器值加1，之后連續(xù)循環(huán)，若液位保護(hù)或過(guò)載保護(hù)功能動(dòng)作，抑或電磁閥動(dòng)作次數(shù)達(dá)到設(shè)定值或是又一次(第偶數(shù)次)按下被測(cè)電磁閥控制按鈕(此時(shí)為停止功能)，則所有電磁閥停止工作。

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

為便于監(jiān)控，將PLC與PC 機(jī)通過(guò)PC/PPI 通訊線纜相連構(gòu)成上下位機(jī)控制方式，針對(duì)所選用的西門(mén)子PLC，使用組態(tài)軟件WINCC 及OPC 服務(wù)器軟件PC ACCESS 設(shè)計(jì)完成上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控，不僅可以通過(guò)工藝流程界面、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面實(shí)時(shí)監(jiān)視被測(cè)電磁閥的工作情況、動(dòng)作次數(shù)等信息，而且還可以在參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定或更改電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓 電流信號(hào)導(dǎo)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間、電磁閥試驗(yàn)動(dòng)作次數(shù)等初始值，甚至可以通過(guò)所編制的工藝流程界面內(nèi)的按鈕控件直接控制水泵電機(jī)和被測(cè)電磁閥的運(yùn)行，替代實(shí)際的控制按鈕。此外上位機(jī)還具有信息自動(dòng)記錄功能，如電磁閥試驗(yàn)動(dòng)作次數(shù)的自動(dòng)存儲(chǔ)記錄 (防止意外斷電時(shí)信息的丟失)、報(bào)警信息的自動(dòng)記錄等。這種上下位機(jī)控制方式使該試驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，操作方便快捷，自動(dòng)化及可靠性程度更高。

5 結(jié)束語(yǔ)

該試驗(yàn)系統(tǒng)制成后，所進(jìn)行的耐久試驗(yàn)動(dòng)作次數(shù)已達(dá)近千萬(wàn)次，整體工作性能良好。從實(shí)驗(yàn)的效果來(lái)看，系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單方便和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不需專(zhuān)人值守，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。今后，可以考慮在不改變系統(tǒng)基本架構(gòu)的情況下，將數(shù)字壓力表、數(shù)字流量計(jì)、控制用比例電磁閥等裝置集成到該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，使該系統(tǒng)具有更多測(cè)試功能，并使自動(dòng)化程度更高、測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確，形成一個(gè)高性能、綜合性的電磁閥測(cè)試平臺(tái)。

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