基于PLC 控制的雙蓄能器結(jié)構(gòu)脈沖壓力試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童朱玨，王曉嶺，吳明光

(浙江省質(zhì)量檢測科學(xué)研究院，浙江杭州 310013)

我國電熱水器的年銷量約1 300 萬臺。為規(guī)范電熱水器行業(yè)有序健康發(fā)展、保護(hù)使用者的人身安全，國家和行業(yè)主管部門先后引進(jìn)、制定和頒布了一系列的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn):GB/T20289-2006 《儲水式電熱水器》、IEC60379 《熱水器性能試驗(yàn)方法》、QB/T 4101-2010 《儲水式電熱水器內(nèi)膽》。時(shí)至今日，除脈沖壓力檢測項(xiàng)目外，儲水式電熱水器其他檢測指標(biāo)的裝置和方法已相當(dāng)成熟有效。儲水式電熱水器容器內(nèi)膽脈沖壓力檢測的國標(biāo)技術(shù)要點(diǎn)如下:

試驗(yàn)壓力:額定壓力的15%～ (100 ±5)%，可調(diào)范圍0～1 MPa;

沖擊計(jì)數(shù)范圍:0～999 999 次;

工作電壓:AC 220 V;

工作溫度:0～+50℃;

工作濕度:10%～90%RH;

沖擊頻率(f0):25～60 次/min;

工作周期:每10 000 次沖擊后停止10 min，目測容器無明顯變形，再繼續(xù)下一個(gè)工作周期，沖擊總次數(shù)≥80 000。

顯然，脈沖壓力檢測的技術(shù)難點(diǎn)是可調(diào)壓力(額定壓力的15%～ (100 ±5)%)水源的高沖擊頻率指標(biāo)。由于電機(jī)、水泵具有固有的轉(zhuǎn)動慣量，因此想要通過改變變頻電機(jī)水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到水源壓力快速變化是根本無法達(dá)到的。目前，采用的是“高壓變頻水泵+管路切換”解決方案，即在脈沖壓力檢測全程，變頻器控制的變頻電機(jī)和水泵始終處于高速狀態(tài);通過相應(yīng)管路上閥的啟閉實(shí)現(xiàn)管路切換，從而達(dá)到管路壓力加壓、高壓保壓、減壓、低壓保壓的變化過程。“高壓變頻水泵+管路切換”雖可行，但缺陷甚多，有待改進(jìn):

(1)脈沖壓力檢測系統(tǒng)的能耗大。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，變頻電機(jī)水泵始終處于高速狀態(tài)，鑒于加壓過程只占沖擊主循環(huán)時(shí)間片的一小部分，電能的絕大部分白白浪費(fèi)。

(2)“回壓”和“水擊現(xiàn)象”對脈沖壓力檢測系統(tǒng)壽命有負(fù)面影響?！案邏鹤冾l水泵+管路切換”解決方案中，變頻電機(jī)水泵輸出端需承受高低壓循環(huán)的脈沖壓力，輸出端出現(xiàn)的“回壓”將縮短水泵(壓力檢測系統(tǒng))的壽命。另一方面，閥和多管路的切換形成液壓撞擊產(chǎn)生水擊(Water Hammer)，“水擊現(xiàn)象”對檢測系統(tǒng)的器件、管路和連結(jié)件均會帶來損傷。

(3)管路切換因管路數(shù)目有限，檢測系統(tǒng)可供檢測的范圍也將受限。

(4)沖擊主循環(huán)周期內(nèi)加壓、高壓保壓、卸壓和低壓保壓過程的定性時(shí)間不利于檢測結(jié)果的一致性。

針對儲水式電熱水器內(nèi)膽的現(xiàn)有脈沖壓力檢測系統(tǒng)和方法的缺陷，作者提出基于PLC 控制的雙蓄能器結(jié)構(gòu)的脈沖壓力檢測系統(tǒng)和檢測方法。

1 脈沖壓力檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

脈沖壓力檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

工作原理為:試驗(yàn)系統(tǒng)由變頻電機(jī)水泵提供管路所需水壓能量;加壓蓄能器協(xié)同變頻電機(jī)水泵提供檢測加壓過程中的能量，并吸收高/低壓保壓、卸壓過程中的管路能量;保壓蓄能器主要維持檢測高/低壓保壓過程中被檢熱水器內(nèi)膽的壓力。根據(jù)壓力傳感器2 檢測的管路壓力值和目標(biāo)壓力值的差，采用PID 控制方法，通過PLC 控制電液比例閥的開度，達(dá)到被測熱水器內(nèi)膽試驗(yàn)所需壓力上限值。系統(tǒng)通過PLC控制3 個(gè)電磁閥(電磁閥位置如圖1 所示)的開閉實(shí)現(xiàn)檢測全流程的加壓、高壓保壓、卸壓和低壓保壓的變化過程。系統(tǒng)設(shè)置2 個(gè)溢流閥來確保系統(tǒng)壓力保護(hù)，防止系統(tǒng)工作時(shí)壓力過高或出現(xiàn)故障產(chǎn)生的高壓危險(xiǎn)。溢流閥2 是一個(gè)附加遙控口串接溢流電磁鐵的溢流閥;根據(jù)壓力傳感器1 測到的管路壓力值，PLC可以控制溢流閥2 的開合，確保管路壓力運(yùn)行在正常工況。溢流閥1 是一個(gè)手動設(shè)置閥值的溢流閥，用于確保管路壓力的安全性。

檢測系統(tǒng)的主要工作過程可分為加壓、高壓保壓、卸壓、低壓保壓4 個(gè)過程。令檢測壓力值為p0，溢流閥2 動作壓力閥值p2，沖擊頻率f0為60 次/min即沖擊周期T0為1 s，加壓、高壓保壓、卸壓和低壓保壓4 個(gè)過程的時(shí)間分別為t1、t2、t3和t4。

加壓過程。變頻電機(jī)水泵運(yùn)行，關(guān)閉電磁閥3、開啟電磁閥1 和電磁閥2，根據(jù)壓力傳感器2 測得管路壓力模擬量AI2與試驗(yàn)壓力值p0的偏差p0-AI2，PID 控制電液比例閥的開度，使AI2=p0。

高壓保壓過程。變頻電機(jī)水泵運(yùn)行，關(guān)閉電磁閥1，根據(jù)偏差p0-AI2，PID 控制電液比例閥的開度，保壓蓄能器向儲水式電熱水器內(nèi)膽輸出能量，使熱水器內(nèi)膽測試端壓力維持在試驗(yàn)壓力值，即AI2=p0。變頻電機(jī)水泵向加壓蓄能器輸出能量，直至t1+t2=0.5T0。

卸壓過程。變頻電機(jī)水泵運(yùn)行，關(guān)閉電磁閥2 和電液比例閥、開啟電磁閥3，當(dāng)AI2=0.15p0時(shí)關(guān)閉電磁閥3，變頻電機(jī)水泵向加壓蓄能器輸出能量。

低壓保壓過程。變頻電機(jī)水泵運(yùn)行，開啟電磁閥2 和電液比例閥，根據(jù)偏差0.15p0-AI2，PID 控制電液比例閥的開度，保壓蓄能器向儲水式電熱水器內(nèi)膽輸出能量，變頻電機(jī)水泵向加壓蓄能器輸出能量，直至t3+t4=0.5T0。

2 脈沖壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制裝置的硬件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置硬件控制采用PLC 控制。系統(tǒng)PLC 有兩個(gè)輸入量都是模擬量AI1和AI2，來自壓力傳感器1和壓力傳感器2;兩個(gè)模擬輸出量AO1和AO2，分別控制變頻電機(jī)水泵和電液比例閥;4 個(gè)開關(guān)量輸出DO1、DO2、DO3、DO4，分別用于控制系統(tǒng)中的3 個(gè)電磁閥和1 個(gè)溢流閥。鑒于系統(tǒng)的輸入輸出量有限，故采用PLC CPU 模塊自帶開入開出和模入模出接口模塊直接控制，選擇西門子S7-200 的PLC (224XP DC/DC/DC)。PLC 的供電需要將交流220 V 的市網(wǎng)電壓變到24 V 的直流電，因此采用開關(guān)電源NES-75-24 給PLC 供電。另外，該系統(tǒng)采用觸摸屏MT8070iH來完成系統(tǒng)的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，并用通信線實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC 自帶的通信模塊之間的通信。當(dāng)然，也可采用計(jì)算機(jī)與PLC 通信，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的控制系統(tǒng)。圖2 所示為PLC 結(jié)構(gòu)圖。

圖2 PLC 結(jié)構(gòu)圖

電氣主電路主要由空氣開關(guān)、熔斷器、電源指示燈、接觸器、電源開關(guān)、急停開關(guān)等組成，主要功能保證220 V 電源供電的安全性和可靠性，同時(shí)熔斷器等可以對后續(xù)電路過流等情況起到一定的保護(hù)作用。

2.2 脈沖壓力檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)的控制要求及運(yùn)行特點(diǎn)，使用順序控制設(shè)計(jì)的編程方法及計(jì)數(shù)器級聯(lián)等編程技巧可以方便寫出PLC 程序。該系統(tǒng)PLC 程序可以分為初始化程序和主程序兩部分，初始化程序用來進(jìn)行初始化操作和設(shè)置初始值，如試驗(yàn)壓力p0(缺省值1 MPa)，脈沖壓力檢測的沖擊主循環(huán)總次數(shù)N (缺省值80 000次)，沖擊主循環(huán)頻率f0(缺省值60 次/min)即沖擊主循環(huán)周期T0(缺省值1 s)，工作周期T (缺省值10 000 次沖擊主循環(huán)時(shí)間為10 000 s)，工作周期的間隔時(shí)間(缺省值10 min)，沖擊主循環(huán)周期內(nèi)的加壓過程時(shí)間t1、高壓保壓過程時(shí)間t2、卸壓過程時(shí)間t3、低壓保壓過程時(shí)間t4(缺省值0.15T0≤t1≤0.2T0、t1+t2=0.5T0、t3≤0.2T0、t3+t4=0.5T0)。

系統(tǒng)PLC 主程序流程可分為試驗(yàn)運(yùn)行流程和壓力保護(hù)流程兩個(gè)部分。PLC 的壓力保護(hù)流程如圖3 所示。變頻電機(jī)水泵啟動后供壓管路就會承受壓力，壓力傳感器1 測量管路壓力，并將模擬量AI1發(fā)送給PLC，如果AI1≥p2，則PLC 通過開關(guān)輸出量打開溢流閥2，降低管路壓力，直到AI1＜p2，關(guān)閉溢流閥2。循環(huán)這樣的過程，直到計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定值或按下停止按鈕，試驗(yàn)結(jié)束。

圖3 PLC 的壓力保護(hù)流程圖

PLC 的試驗(yàn)運(yùn)行流程如圖4 所示。在進(jìn)行完試驗(yàn)準(zhǔn)備過程進(jìn)入實(shí)質(zhì)脈沖試驗(yàn)階段后，通過壓力傳感器測量試驗(yàn)管路壓力，發(fā)送模擬量AI2信號至PLC;PLC 根據(jù)AI2和試驗(yàn)壓力值p0及0.15 p0的差值，采用PID 控制方法，分別控制電磁閥1、2、3，實(shí)現(xiàn)管路壓力變化。在每經(jīng)過一次加壓、高壓保壓、卸壓、低壓保壓的過程后計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)10 000的整數(shù)倍時(shí)，進(jìn)入10 min 高壓保壓程序，由檢驗(yàn)員對被測熱水器內(nèi)膽進(jìn)行檢驗(yàn)。如果出現(xiàn)內(nèi)膽滲漏、變形的情況，則按下停止按鈕結(jié)束試驗(yàn);如果無任何滲漏、變形的情況，且計(jì)數(shù)器沒有達(dá)到試驗(yàn)要求的設(shè)定值，則執(zhí)行新的工作周期;當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到試驗(yàn)要求設(shè)定值時(shí)，試驗(yàn)完成終止試驗(yàn)。

圖4 PLC 的試驗(yàn)運(yùn)行流程圖

3 結(jié)論

采用加壓蓄能器和保壓蓄能器的雙蓄能器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)管路能量傳遞，從而產(chǎn)生管路壓力變化，完成脈沖壓力試驗(yàn)。此方法與傳統(tǒng)的“高壓變頻水泵+管路切換”的方法相比較，有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)變頻電機(jī)水泵的輸出端安裝充氣式蓄能器，卸壓、高/低壓保壓過程時(shí)蓄能器吸收變頻電機(jī)水泵輸出的能量，加壓過程時(shí)蓄能器和變頻電機(jī)水泵共同輸出能量;既降低了檢測系統(tǒng)的能耗，又消除了變頻電機(jī)水泵輸出端的“回壓”。

(2)采用模擬量比例閥PID 調(diào)節(jié)電熱水器內(nèi)膽注入的水量，不僅緩解了“水擊現(xiàn)象”的危害，而且延拓了檢測系統(tǒng)可供檢測的范圍。

(3)量化沖擊主循環(huán)周期內(nèi)加壓、高壓保壓、卸壓和低壓保壓過程的時(shí)間，有助于提升脈沖壓力檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果的一致性。

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