基于PLC控制的電磁閥耐久試驗系統(tǒng)設(shè)計

徐承韜，何利源，蔡勝年，秦然，梁禹，龐寶麟

(沈陽化工大學，遼寧沈陽110142)

隨著機、電一體化的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和自動化程度對設(shè)備性能的要求越來越高。電磁閥作為流體控制系統(tǒng)中最主要的元件之一，其動作時間、可靠性、壽命等指標對系統(tǒng)的工作性能及經(jīng)濟性影響巨大，須通過試驗對電磁閥產(chǎn)品相關(guān)指標進行準確測定。電磁閥試驗是電磁閥產(chǎn)品開發(fā)及改進過程中用于檢驗產(chǎn)品性能和質(zhì)量的有效手段，在各項試驗中需要根據(jù)試驗要求對試驗系統(tǒng)中各項參數(shù)進行實時、精確控制。如何對試驗系統(tǒng)中的各項被控參數(shù)進行自動化快速精確控制是成功開發(fā)電磁閥試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵。

在各項相關(guān)實驗中，電磁閥耐久試驗主要用于評估其工作可靠性及壽命，為進一步改進電磁閥設(shè)計、提高其性能提供依據(jù)。由于電磁閥耐久試驗周期長、強度高，其試驗系統(tǒng)須具有自動化程度高、可靠性好的特點?；诳删幊炭刂破?PLC)，作者設(shè)計了一套高效能的電磁閥耐久試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)對電磁閥驅(qū)動電壓 電流信號占空比等被控參數(shù)的快速精確控制，具有自動化程度高、可靠性好和操作方便的特點。

1 試驗系統(tǒng)流路設(shè)計

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

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)手動閥2 使其前端水壓達到被測閥所需設(shè)定值，此后通過PLC控制使被測閥在額定驅(qū)動電信號作用下逐一開關(guān)動作并連續(xù)循環(huán) (水通過被測閥后也流回水箱)，直至達到設(shè)定動作次數(shù)才停止動作，實現(xiàn)耐久性測試。

系統(tǒng)中水泵選用具有較高輸出壓力的高速葉片泵，以滿足試驗的壓力要求;流路中所有管件及手動閥等均選用不銹鋼材質(zhì)，以保證耐壓性能滿足試驗要求，并保證長期測試中不致產(chǎn)生水銹等污染;為保證流體的清潔度，不致對水泵及被測閥產(chǎn)生影響，管路入口端加裝精密過濾器;被測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，耐壓性能滿足要求，且便于安裝和拆卸;水泵電機的控制及被測電磁閥的驅(qū)動控制由PLC控制實現(xiàn)，為方便監(jiān)控操作，將PLC與一計算機連接形成上下位機控制方式。

2 PLC 硬件設(shè)計

2.1 PLC 選型

PLC的輸入信號包括水泵電機起?？刂菩盘?、被測電磁閥的起動停止控制信號、過載保護信號及液位保護信號等。考慮到可以通過編程實現(xiàn)單按鈕起?？刂萍皩⑾嚓P(guān)保護信號串聯(lián)輸入，以減少輸入點數(shù)、提高經(jīng)濟性，可以判定PLC 開關(guān)量輸入點數(shù)不能少于3個。試驗系統(tǒng)內(nèi)需PLC控制的對象有水泵電機1個、被測閥5個，可確定PLC 開關(guān)量輸出點數(shù)不能少于6個。

因耐久試驗中被測電磁閥須被長期連續(xù)驅(qū)動，故要求控制用PLC輸出部件工作壽命要長，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，綜合性價比等因素考慮，最終選用西門子PLC 產(chǎn)品中S7-200系列中的CPU222(晶體管輸出型)，該機型具有8個開關(guān)量輸入端子、6個開關(guān)量輸出端子，程序存儲器容量大小適合，完全滿足系統(tǒng)要求。

2.2 輸入輸出接線

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

圖2 PLC 外部接線圖

輸入包括水泵電機起?？刂瓢粹oSB1、被測電磁閥起?？刂瓢粹oSB2 及一路保護信號串聯(lián)輸入(為液位開關(guān)的常閉觸點和熱繼電器的常閉觸點的串聯(lián))，輸出驅(qū)動了6個固態(tài)繼電器(SSR)，其中1個SSR控制水泵電機，其他5個SSR控制被測電磁閥。通過SSR 間接控制負載，可以很好地保護PLC、提高試驗系統(tǒng)的可靠性。

在PLC控制程序中編寫了單按鈕控制功能，實現(xiàn)了對水泵電機和被測電磁閥工作的單按鈕起?？刂?，即第一次(或第奇數(shù)次)按下水泵電機起?？刂瓢粹o時，PLC輸出使水泵電機起動并保持工作狀態(tài)，第二次(或第偶數(shù)次)按下水泵電機起停控制按鈕時，PLC輸出使水泵電機停止。同理，第一次(或第奇數(shù)次)按下被測電磁閥起停控制按鈕時，PLC輸出使被測電磁閥動作并保持連續(xù)循環(huán)工作狀態(tài)，第二次(或第偶數(shù)次)按下被測電磁閥起?？刂瓢粹o時，PLC輸出使被測電磁閥停止動作。

控制水泵電機需要選擇大容量的SSR，控制被測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載，故在每個被測電磁閥線圈兩端反并聯(lián)一個二極管，提供泄放回路進行保護。水泵電機主電路中串有快速熔斷器、熱繼電器，分別能夠?qū)崿F(xiàn)短路保護和過載保護，還在水箱中設(shè)置了液位開關(guān)，實現(xiàn)液位保護，即當水箱中水量不足、液位下降到一定程度時，使水泵電機停車避免損壞水泵，并同時使被測電磁閥停止工作。另外，在試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中注意了電氣部分的防護問題，使該部分能夠防濺水、防積塵。SSR的使用、多種保護措施的設(shè)置及PLC 本身具有的高穩(wěn)定性，保證了試驗系統(tǒng)具有較高的可靠性和安全性。

3 PLC軟件設(shè)計

根據(jù)試驗系統(tǒng)控制要求及運行特點，使用順序控制設(shè)計的編程方法及單按鈕控制、計數(shù)器級聯(lián)等編程技巧，可以方便地編寫出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，初始化子程序用來進行初始化操作及設(shè)置初始值，如電磁閥驅(qū)動電壓 電流信號導(dǎo)通時間值、關(guān)斷時間值、電磁閥試驗動作次數(shù)值等，主程序主要實現(xiàn)對電機的控制及對電磁閥的控制。

對電機的控制流程如圖3所示。初次(第奇數(shù)次)按下水泵電機控制按鈕 (此時為起動功能)，如液位保護和過載保護功能沒有動作，則電動機開始工作，在工作過程中若液位保護或過載保護功能動作，抑或電磁閥動作次數(shù)達到設(shè)定值或是又一次(第偶數(shù)次)按下水泵電機控制按鈕 (此時為停止功能)，則電動機停止工作(同時被測電磁閥也停止動作)。

圖3 PLC 對水泵電機的控制流程圖

對電磁閥的控制流程如圖4所示。

圖4 PLC 對被測電磁閥的控制流程

初次(第奇數(shù)次)按下被測電磁閥控制按鈕(此時為起動功能)，如液位保護和過載保護功能沒有動作，則閥1 開啟并計時(導(dǎo)通時間)，計時到后閥1 關(guān)閉并延時(關(guān)斷時間)，繼而閥2、閥3、閥4、閥5 逐一動作，所有被測閥均動作1次后計數(shù)器值加1，之后連續(xù)循環(huán)，若液位保護或過載保護功能動作，抑或電磁閥動作次數(shù)達到設(shè)定值或是又一次(第偶數(shù)次)按下被測電磁閥控制按鈕(此時為停止功能)，則所有電磁閥停止工作。

4 上位機設(shè)計

為便于監(jiān)控，將PLC與PC 機通過PC/PPI 通訊線纜相連構(gòu)成上下位機控制方式，針對所選用的西門子PLC，使用組態(tài)軟件WINCC 及OPC 服務(wù)器軟件PC ACCESS 設(shè)計完成上位機程序，實現(xiàn)實時的監(jiān)控，不僅可以通過工藝流程界面、動態(tài)數(shù)據(jù)顯示畫面實時監(jiān)視被測電磁閥的工作情況、動作次數(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)動電壓 電流信號導(dǎo)通時間、關(guān)斷時間、電磁閥試驗動作次數(shù)等初始值，甚至可以通過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和被測電磁閥的運行，替代實際的控制按鈕。此外上位機還具有信息自動記錄功能，如電磁閥試驗動作次數(shù)的自動存儲記錄 (防止意外斷電時信息的丟失)、報警信息的自動記錄等。這種上下位機控制方式使該試驗系統(tǒng)具有良好的人機界面，操作方便快捷，自動化及可靠性程度更高。

5 結(jié)束語

該試驗系統(tǒng)制成后，所進行的耐久試驗動作次數(shù)已達近千萬次，整體工作性能良好。從實驗的效果來看，系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定可靠、操作簡單方便和自動化程度高等特點，實驗過程中不需專人值守，實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計目的。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、控制用比例電磁閥等裝置集成到該實驗系統(tǒng)中，使該系統(tǒng)具有更多測試功能，并使自動化程度更高、測試結(jié)果更準確，形成一個高性能、綜合性的電磁閥測試平臺。

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