基于PLC控制的电磁阀耐久试验系统设计.pdf

2 0 1 3年 1月 第4 1 卷 第 2期 机床与液压 MAC HI NE T0OL HYDRAULI CS J a n ． 2 01 3 V0 I ． 41 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 3 6 基于 P L C控制的电磁阀耐久试验系统设计 徐承韬 何利源，蔡胜年 ，秦然，梁禹，庞宝麟 沈阳化工大学，辽宁沈阳 1 1 0 1 4 2 摘要针对某型号电磁阀可靠性及耐久性试验的需要，研制一套基于 P L C控制的电磁阀耐久试验系统，对试验系统结 构、原理及软硬件设计进行了详细阐述。实践结果表明该系统能实现对试验参数的快速精确控制 ，具有 自动化程度高、 可靠性好和操作方便的特点，为开发高性能的电磁阀提供了一个高效能的测试研究平台。 关键词可编程控制器 P L C ；电磁阀；耐久性测试 中图分类号T P 2 0 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 21 0 4 3 De v e l o p me n t o f a n El e c t r o ma g n e t i c Va l v e Du r a b i l i t y Te s t S y s t e m Ba s e d o n P LC ． X U C h e n O a o ， HE L i y u a n ，C A I S h e n g n i a n ，Q I N R a n ， L I A N G Y u， P A N G B a o l i n S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f C h e mi c a l T e c h n o l o g y ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 4 2，C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e r e l i a b i l i t y a n d d u r a b i l i t y t e s t i n g o f a c e r t a i n t y p e e l e c t r o ma g n e t i c v alv e， a n e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e d u r a b i l i t y t e s t s y s t e m b a s e d o n P L C w a s d e v e l o p e d ． No t o n l y s t r u c t u r e a n d p r i n c i p l e o f t h e t e s t s y s t e m ，b u t a l s o h a r d w a r e a n d s o f t wa r e d e s i g n o f t h e t e s t s y s t e m we r e i l l u s t r a t e d ．T h e r e a l l y a p p l i e d r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e s t s y s t e m c a n c o n t r o l t e s t p a r a me t e r s q u i c k l y a n d a c c u r a t e l y wi t h f e a t u r e s o f h i g h d e e e o f a u t o ma t i o n，g o o d r e l i a b i l i t y a n d e a s y t o o p e r a t e ． I t p r o v i d e s a h i g h - e f f e c t t e s t i n g a n d r e s e a r c h i n g p l a t f o r m f o r t h e d e v e l o p me n t o f h i g h p e r f o rm a n c e e l e c t r o ma g n e t i c V alv e s ． Ke y wo r d s P r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C ；E l e c t r o m a g n e t i c v alv e ；D u r a b i l i t y t e s t i n g 随着机、电一体化的发展，工业生产过程的复杂 性和 自动化程度对设备性能的要求越来越高。电磁阀 作为流体控制系统中最主要的元件之一 ，其动作时 间、可靠性 、寿命等指标对系统的工作性能及经济性 影响巨大，须通过试验对电磁阀产品相关指标进行准 确测定。电磁阀试验是电磁阀产品开发及改进过程中 用于检验产品性能和质量的有效手段，在各项试验中 需要根据试验要求对试验系统中各项参数进行实时、 精确控制。如何对试验系统中的各项被控参数进行 自 动化快速精确控制是成功开发电磁阀试验系统的关 键。 在各项相关实验中，电磁阀耐久试验主要用于评 估其工作可靠性及寿命 ，为进一步改进电磁阀设计、 提高其性能提供依据。由于电磁阀耐久试验周期长、 强度高，其试验系统须具有自动化程度高、可靠性好 的特点。基于可编程控制器 P L C ，作者设计了一 套高效能的电磁阀耐久试验系统，该系统能实现对电 磁阀驱动电压 ＼电流信号占空比等被控参数的快速精 确控制 ，具有 自动化程度高 、可靠性好和操作方便的 特点。 1 试验系统流路设计 为进行电磁阀耐久试验 ，根据试验用电磁阀的工 作条件及测试要求，建立系统流体回路如图 1 所示 测试流体为水，被测电磁阀数 目定为 5个 。 图 1 系统流路图 其工作原理为 水泵工作后，水箱内水被抽取进 管路，流经管路后最终在另一端口流回水箱，调节手 动阀2使其前端水压达到被测阀所需设定值，此后通 过 P L C控制使被测阀在额定驱动电信号作用下逐一 开关动作并连续循 环 水通过被测 阀后也流 回水 箱 ，直至达到设定动作次数才停止动作 ，实现耐久 性测试 。 系统中水泵选用具有较高输 出压力的高速叶片 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 6 作者简介徐承韬 1 9 7 7 一 ，男，硕士，讲师，主要研究方向为电力电子与电气传动及电磁技术应用。Ema i l x c t s n g 1 2 6 ． c o m。通信作者何利源，E～ ma i l h e l i y u a n l 1 0 1 6 3 ． c o n。 第 2期 徐承韬 等基于 P L C控制的电磁阀耐久试验系统设计 1 0 5 泵 ，以满足试验的压力要求 ；流路 中所有管件及手 动阀等均选用不锈钢材质，以保证耐压性能满足试验 要求 ，并保证长期测试中不致产生水锈等污染；为保 证流体的清洁度，不致对水泵及被测阀产生影响，管 路入 口端加装精密过滤器；被测阀与管路的连接采用 快换接头与工程塑料软管插接配合方式，耐压性能满 足要求 ，且便于安装和拆卸；水泵电机的控制及被测 电磁阀的驱动控制 由 P L C控制实现，为方便监控操 作 ，将 P L C与一计算机连接形成上下位机控制方式。 2 P L C硬件设计 2 ． 1 P L C选 型 P L C的输入信号包括水泵 电机起停控制信号、被 测电磁阀的起动停止控制信号、过载保护信号及液位 保护信号等。考虑到可以通过编程实现单按钮起停控 制及将相关保护信号串联输入，以减少输人点数、提 高经济性，可以判定 P L C开关量输入点数不能少于 3 个。试验系统内需 P L C控制的对象有水泵电机 1 个、被 测阀5 个，可确定 P L C开关量输出点数不能少于6 个。 因耐久试验中被测电磁阀须被长期连续驱动，故 要求控制用 P L C输出部件工作寿命要长 ，不适合采 用寿命较短的继电器输出型。而晶体管输出型可靠性 高，反应速度快，不受动作次数的限制，故选择晶体 管输出型。根据以上要求，综合性价比等因素考虑， 最终选用西门子 P L C产品中 7 - 2 0 0系列中的 C P U 2 2 2 晶体管输出型 ，该机型具有 8个开关量输入端子、 6 个开关量输出端子 ，程序存储器容量大小适合 ，完 全满足系统要求。 2 ． 2输入 输 出接 线 根据试验系统要求，设计 P L C输入及输出驱动 电路如图2所示。 ⋯ 一 ． 图2 P L C外部接线图 输入包括水泵电机起停控制按钮 S B 1 、被测电磁 阀起停控制按钮 S B 2及一路保护信号串联输入 为 液位开 关 的常 闭触 点 和热 继 电 器 的 常 闭 触 点 的 串 联 ，输 出驱动了 6个 固态继 电器 S S R ，其 中 1 个 S S R控制水泵电机，其他 5个 S S R控制被测电磁 阀。 通过 S S R间接控制负载，可以很好地保护 P L C 、提高 试验系统的可靠性。 在 P L C控制程序中编写了单按钮控制功能，实 现了对水泵 电机和被测 电磁 阀工作的单按钮起停控 制 ，即第一次 或第奇数次按下水泵电机起停控 制按钮时，P L C输出使水泵 电机起动并保持工作状 态 ，第二次 或第偶数次按下水泵 电机起停控制 按钮时，P L C输出使水泵 电机停止。同理，第一次 或第奇数次按下被测电磁 阀起停控制按钮 时， P L C输出使被测 电磁阀动作并保持连续循环工作状 态，第二次 或第偶数次 按下被测 电磁阀起停控 制按钮时，P L C输出使被测电磁阀停止动作。 控制水泵电机需要选择大容量的 S S R，控制被测 电磁 阀可选择较小容量 的 S S R，所 以须根据 电压 、电 流等参数选择合适的 S S R 。因电磁阀线圈属感性负 载，故在每个被测 电磁 阀线圈两端反并联一个二极 管，提供泄放回路进行保护。水泵电机主电路中串有 快速熔断器、热继电器，分别能够实现短路保护和过 载保护，还在水箱 中设置了液位开关，实现液位保 护，即当水箱中水量不足、液位下降到一定程度时， 使水泵电机停车避免损坏水泵 ，并同时使被测电磁阀 停止工作。另外 ，在试验系统结构设计中注意了电气 部分的防护问题 ，使该部分能够 防溅水、防积尘。 S S R的使用、多种保护措施 的设置及 P L C本身具有 的高稳定性 ，保证了试验系统具有较高的可靠性和安 全性 。 3 P L C软件设计 根据试验系统控制要求及运行特点，使用顺序控 制设计的编程方法及单按钮控制、计数器级联等编程 技巧，可以方便地编写出 P L C程序。该系统 P L C程 序可以分为初始化子程序和主程序两部分 ，初始化子 程序用来进行初始化操作及设置初始值，如电磁阀驱 动电压 ＼电流信号导通时间值、关断时间值、电磁阀 试验动作次数值等，主程序主要实现对电机的控制及 对电磁阀的控制。 对 电机的控制流程如图 3所示。初次 第奇数 次按下水泵 电机控制按钮 此 时为起 动功能 ， 如液位保护和过载保护功能没有动作，则电动机开 始工作，在工作过程中若液位保护或过载保护功能 动作 ，抑或电磁阀动作次数达到设定值或是又一次 1 0 6 机床与液压 第 4 l 卷 第偶数次按下水泵电机控制按钮 此时为停止 功能 ，则电动机停止工作 同时被测电磁 阀也停 止动作 。 图3 P L C对水泵电机的控制流程图 对电磁阀的控制流程如图4所示。 初态 按 下启 动按 钮 鏊 过 载 保 护 动 作 ／ ＼ ／ I N ’ 而 ] 阀1 关 闭并延 时 阀2 开启 并计 时 阀2 关闭并延时 阀5 开启并计时 阀5 关 闭并 延时 计 数器 值加 1 数达到设定值或按下≥ _ 一 兰 一 l N 图4 P L C对被测电磁阀的控制流程 初次 第奇数次按下被测 电磁 阀控制按钮 此时为起动功能 ，如液位保护和过载保护功能没 有动作 ，则阀 1 开启并计时 导通时间 ，计时到后 阀 1 关闭并延时 关 断时间 ，继而阀 2 、阀 3 、阀 4 、阀5逐一动作 ，所有被测阀均动作 1次后计数器 值加 1 ，之后连续循环 ，若液位保护或过载保护功能 动作，抑或电磁阀动作次数达到设定值或是又一次 第偶数次按下被测电磁阀控制按钮 此时为停止 功能 ，则所有电磁阀停止工作。 4 上位机设计 为便于监控 ，将 P L C与 P C机通过 P C ／ P P I 通讯 线缆相连构成上下位机控制方式，针对所选用的西 门子 P L C，使用组态软件 WI N C C及 O P C服务器软 件 P C A C C E S S设计完成上位机程序，实现实时的监 控，不仅可以通过工艺流程界面、动态数据显示画 面实时监视被测电磁 阀的工作情况、动作次数等信 息 ，而且还可以在参数设定界面设定或更改 电磁 阀 驱动电压 ＼电流信号导通时间、关断时间、电磁 阀 试验动作次数等初始值 ，甚至可以通过所编制的工 艺流程界面内的按钮控件直接控制水泵电机和被测 电磁阀的运行 ，替代实际的控制按钮。此外上位机 还具有信息 自动记录功能 ，如电磁阀试验动作次数 的自动存储记录 防止意外 断电时信息 的丢失 、 报警信息的自动记录等。这种上下位机控制方式使 该试验系统具有 良好 的人机界面，操作方便快捷 ， 自动化及可靠性程度更高。 5 结束语 该试验系统制成后 ，所进行的耐久试验动作次 数已达近千万次 ，整体工作性能良好。从实验的效 果来看 ，系统具有运行稳定可靠 、操作简单方便和 自动化程度高等特点 ，实验过程 中不需专人值守 ， 实现了预期设计 目的。今后 ，可以考虑在不改变系 统基本架构 的情 况下，将数字压力 表、数字流量 计、控制用 比例 电磁 阀等装置集成 到该实验系统 中，使该系统具有更多测试功能，并使 自动化程度 更高 、测试结果更准确，形成一个高性能 、综合性 的电磁 阀测试平 台 。 参考文献 【 1 】 廖常初． P L C编程及应用[ M] ． 3版． 北京 机械工业 出 版社 ， 2 0 0 8 ． 【 2 】张剑慈， 吴忠， 周兆忠， 等． 流量阀液压试验系统的测试 与应用[ J ] ． 机械研究与应用， 2 0 0 3 ， 1 6 1 5 0 5 1 ． 【 3 】章皓， 王先忧， 应立刚． 可编程控制器在配料 自动控制系 统中的应用[ J ] ． 机电工程， 2 0 0 2 ， 1 9 6 7 9 ． 【 4 】姜杨， 柳洪义， 田洪海， 等． 电磁阀测试系统综合控制系 统[ J ] ． 东北大学学报 自然科学报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 1 1 0 3 1 0 6 ． 【 5 】 刘璐， 朱一凡． 基于P L C与组态王的带式输送机控制系 统设计[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 0 ， 3 1 6 2 0 2 2 ．