基于PLC控制的双蓄能器结构脉冲压力试验系统设计.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第4 2卷 第 2 O期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Oc t ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 0 ． 0 3 2 基于 P L C控制的双蓄能器结构脉冲压力试验系统设计 童朱珏 ，王晓岭 ，吴明光 浙江省质量检测科 学研究院，浙江杭 州 3 1 0 0 1 3 摘要针对热水器容器脉冲压力检测的需求，提出基于 P L C控制的双蓄能器结构脉冲压力检测系统。对检测系统原 理、结构和软硬件设计进行详细阐述的同时，给出了相应的检测流程。系统具有能耗低、可靠性高，检测结果一致性好、 准确度高的特点。 关键词可编程控制器 P L C ；双蓄能器；脉冲压力试验；热水器容器 中图分类号T H1 3 7 ． 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 01 0 5 3 De s i g n o f a n I mpu l s e Pr e s s ur e Te s t S y s t e m I n c l ud i ng Do ub l e Ac c umul a t o r s Ba s e d o n PLC T O N G Z h u j u e ， WA N G X i a o l i n g ， WU Mi n g g u a n g Z h e j i a n g I n s t i t u t e o f Q u a l i t y I n s p e c t i o n S c i e n c e ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e i mp u l s e p r e s s u r e t e s t o f w a t e r h e a t e r c o n t a i n e r ，a n i mp u l s e p r e s s u r e t e s t s y s t e m i n c l u d i n g d o u b l e a c c u mu l a t o r s b a s e d o n P L C w a s p u t f o r w a r d ．No t o n l y p r i n c i p l e a n d s t r u c t u r 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 s y s t e m we r e i l l u s t r a t e d ．A t t h e s a me t i me ，t h e t e s t p r o c e s s wa s g i v e n ．T h e s y s t e m h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w e n e r g y c o n s u mp t i o n ，h i g h r e l i a b i l i t y ，g o o d c o n s i s t e n c y o f t e s t r e s u l t s ，a n d h i g h a c c u r a c y ． Ke y w o r d s P r o g r a m ma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C ； D o u b l e a c c u m u l a t o r s ； I m p u l s e p r e s s u r e t e s t ； Wa t e r h e a t e r c o n t a i n e r 我国电热水器的年销量约 1 3 0 0万台。为规范电 热水器行业有序健康发展、保护使用者的人身安全 ， 国家和行业主管部门先后引进、制定和颁布了一系列 的技术规范和标准 G B ／ T 2 0 2 8 9 - 2 0 0 6 储水式电热水 器 、I E C 6 0 3 7 9 热 水 器 性 能 试 验 方 法 、Q B ／ T 4 1 0 1 - 2 0 1 0 储水式电热水器内胆 。时至今 日，除脉 冲压力检测项 目外 ，储水式电热水器其他检测指标的 装置和方法已相当成熟有效。储水式电热水器容器内 胆脉冲压力检测的国标技术要点如下 试验压力 额定压力 的 1 5 ％ 一 1 0 0 5 ％ ，可 调范 围 0～1 M P a ； 冲击计数范 围 0 9 9 9 9 9 9次 ； 工作 电压 A C 2 2 0 V； 工作温度 0～ 5 0℃ ； 工作湿度 1 O ％ 一 9 0 ％R H； 冲击频率 f 0 2 5～ 6 0／ m i n ； 工 作周 期 每 1 0 0 0 0次 冲击 后停 止 1 0 m i n ，目 测容器无明显变形，再继续下一个工作周期 ，冲击总 次数≥8 0 0 0 0 。 显然，脉 冲压 力检测 的技 术难点 是可调 压力 额定压力的 1 5 ％ ～ 1 0 0．4 - 5 ％水源的高冲击频 率指标 。 由于电机 、水泵具有 固有 的转动惯量 ，因此 想要通过 改变变频 电机水泵转 速达到水源压力快速变 化是根本无法达到 的。目前，采用的是 “ 高压变频 水泵 管路切换”解决方案 ，即在脉冲压力检测全 程 ，变频器 控 制 的变频 电机 和 水泵 始终 处 于高 速状 态；通过相应管路上阀的启闭实现管路切换 ，从而达 到管路压力加压、高压保压 、减压、低压保压的变化 过程。“ 高压变频水泵 管路切换”虽可行，但缺陷 甚多 ，有待 改进 1 脉冲压力检测 系统的能耗大。在整个试验 过程 中，变频电机水泵始终处于高速状态，鉴于加压 过程 只 占冲击主循环时间片 的一小部分 ，电能 的绝大 部分 白白浪费。 2 “ 回压”和 “ 水击现象”对脉冲压力检测 系统寿命有负面影响。 “ 高压变频水泵 管路切换 ” 解决 方案 中，变频 电机水泵输出端需承受高低压循环 的脉 冲压 力 ，输 出 端 出 现 的 “ 回 压 ” 将 缩 短 水 泵 c 压力检测系统的寿命。另一方面，阀和多管路的 切换形成液压撞击产生水击 Wa t e r H a m m e r ， “ 水 击现象”对检测系统的器件、管路和连结件均会带 来损 伤 。 3 管路切换因管路数 目有限，检测系统可供 检测的范围也将受限。 4 冲击 主循 环 周期 内加压 、高压 保 压 、卸 压 和低压保压 过程 的定 性 时 间不利 于 检测结 果 的一 致 收稿 日期2 0 1 3 0 81 3 作者简介童朱珏 1 9 8 l 一 ，男 ，学士 ，高级工程师，研究方向为电气产品检测技术。E ma i l z j t o n g 1 6 3 ． c o rn。 1 0 6 机床与液压 第 4 2卷 性 。 针对储水式电热水器内胆的现有脉冲压力检测系 统和方法的缺陷，作者提出基于 P L C控制的双蓄能 器结构的脉冲压力检测系统和检测方法。 1 脉冲压力检测系统的结构和原理 脉冲压力检测系统的结构如图 1 所示。 l 一水箱2 一溢流阀2 3 一溢流阍1 4 一变频电机水泵5 一止回阀 6 ． _ 电磁阀1 卜 电磁阀2 8 - 一电液比例阀9 _ 一电磁阀3 1 0 - --被测热水器内胆 l l 一压力传感器 2 l 2 一保压蓄能器 l 3 一压力传感器 1 t 4 一加压蓄能器 图 1 检测系统的结构图 工作原理为试验系统由变频电机水泵提供管路 所需水压能量；加压蓄能器协同变频电机水泵提供检 测加压过程中的能量 ，并吸收高／ 低压保压、卸压过 程中的管路能量；保压蓄能器主要维持检测高／ 低压 保压过程中被检热水器内胆的压力。根据压力传感器 2检测的管路压力值和 目标压力值的差 ，采用 P I D控 制方法，通过 P L C控制电液 比例阀的开度 ，达到被 测热水器 内胆试 验所 需压 力 上 限值 。系统 通过 P L C 控制 3个电磁阀 电磁阀位置如图 1 所示的开闭 实现检测全流程的加压、高压保压、卸压和低压保压 的变化过程。系统设置 2 个溢流阀来确保系统压力保 护 ，防止系统工作时压力过高或出现故障产生的高压 危险。溢流阀2是一个附加遥控口串接溢流电磁铁的 溢流阀；根据压力传感器 1测到的管路压力值，P L C 可以控制溢流阀2的开合，确保管路压力运行在正常 工况。溢流阀 1 是一个手动设置阀值的溢流阀，用于 确保管路压力的安全性。 检测系统的主要工作过程可分为加压、高压保 压、卸压、低压保压 4个过程。令检测压力值为 P 。 ， 溢流阀2动作压力阀值 P ，冲击频率 为 6 0 L ／ m i n 即冲击周期 为 1 s ，加压 、高压保压、卸压和低压 保压4个过程的时间分别为 t ， 、t 2 、t ， 和 t 。 加压过程 。变 频 电机水 泵运 行 ，关 闭 电磁 阀 3 、 开启电磁阀 1 和电磁阀2 ，根据压力传感器 2测得管 路压力模拟量 A 与试验压力值 P 。的偏差 P 。 一 A ， P I D控制电液比例阀的开度，使 A ， 2 p 。 。 高压保压过程 。变频电机水泵运行 ，关闭电磁阀 1 ，根据偏差 P 。 一 A I 2 ，P I D控制电液比例阀的开度， 保压蓄能器向储水式电热水器p h N - 输出能量，使热水 器内胆测试 端 压 力维 持在 试 验 压力 值 ，即 A I 2 P 。 。 变频电机水泵向加压蓄能器输出能量，直至 t t 0 ． 5T o 。 卸压过程 。变频 电机水泵运行 ，关闭 电磁 阀 2和 电液 比例阀 、开启 电磁 阀 3 ，当 A ， 2 0 ． 1 5 p 。 时关 闭 电磁阀 3 ，变频电机水泵 向加压蓄能器输出能量。 低压保压过程。变频电机水泵运行 ，开启电磁阀 2和电液比例阀，根据偏差 0 ． 1 5 p 。 一 A ， 2 ，P I D控制电 液比例阀的开度，保压蓄能器向储水式电热水器内胆 输出能量，变频电机水泵向加压蓄能器输出能量 ，直 至 t 3 t 40 ． 5 T o 。 2 脉冲压力检测系统的设计 2 ． 1 控制装置的硬件设计 试验装置硬件控制采用 P L C控制。系统 P L C有 两个输入量都是模拟量A ， 和 ， 2 ，来自压力传感器 1 和压力传感器 2 ；两个模拟输出量 A O 。 和 A O ，分别 控制变频 电机水泵和电液 比例阀；4个开关量输出 D O 、D O D O ， 、D O ，分别用于控制系统中的3个 电磁 阀和 1 个 溢流 阀。鉴 于系 统 的输 入输 出量有 限 ， 故采用 P L C C P U模块 自带开入开出和模入模出接 口 模块 直接 控 制 ，选 择 西 门 子 s 7 - 2 0 0的 P L C 2 2 4 X P D C ／ D C ／ D C 。P L C的供电需要将交流 2 2 0 V的市 网 电压变到2 4 V的直流电，因此采用开关电源 N E S - 7 5 - 2 4给 P L C供电。另外，该系统采用触摸屏 M T 8 0 7 O i H 来完成系统的试验参数设置，并用通信线实现触摸屏 与 P L C自带的通信模块之间的通信。当然 ，也可采 用计算机与 P L C通信，实现上、下位机的控制系统。 图 2所示为 P L C结构图 。 市 开入开出模块 I 模入模出模块 触摸 屏 P L C s 7 ．2 0 0 C P U模块 2 2 4 X P D C I D C I D C f I j盱啊 电 源模 块 E s ． 7 5 2 4 l 通 信模 块 ． ’ 图 2 P L C结 构 图 电气主电路主要 由空气 开关 、熔 断器 、电源指示 灯、接触器、电源开关、急停开关等组成，主要功能 保证 2 2 0 V电源供电的安全性和可靠性，同时熔断器 等可以对后续电路过流等情况起到一定的保护作用。 2 ． 2 脉冲压力检测 系统的软件设计 根据试验系统的控制要求及运行特点 ，使用顺序 控制设计的编程方法及计数器级联等编程技巧可以方 便写出 P L C程序。该 系统 P L C程序 可 以分 为初 始化 程序和主程序两部分，初始化程序用来进行初始化操 作和设置初始值，如试验压力 P 。 缺省值 1 M P a ， 脉冲压力检测的冲击主循环总次数 Ⅳ 缺省值 8 0 0 0 0 次 ，冲击主循环频率f o 缺省值 6 0 0 ／ m i n 即冲 击主循环周期 T o 缺省值 1 s ，工作周期 T 缺省值 第 2 0期 童朱珏 等 基于 P L C 控制的双蓄能器结构脉冲压力试验系统设计 1 0 7 1 0 0 0 0次冲击主循环时间为 1 0 0 0 0 s ，工作周期 的 间隔时间 缺省值 1 0 m i n ，冲击主循环周期 内的 加压过程时间 t ， 、高压保压过程时间 t 、卸压过程 时间 t ， 、低压保 压过程 时间 t 缺 省值 0 ． 1 5 T o ≤ t l ≤ 0． 2T o 、 t l t 2 0． 5T o 、 t 3≤ 0 ． 2T o 、 t 3 t 4 0 ． 5 。 系统 P L C主程 序 流程 可分 为试 验 运 行流 程 和压 力保 护流程两个部分 。P L C的压力保护流程 如 图 3所 示。变频电机水泵启动后供压管路就会承受压力 ，压 力传感器 1 测量 管路压力，并将模拟量 A ， 发送 给 P L C，如果 A I ， ≥p ，则 P L C通 过 开关 输 出量 打 开溢 流阀 2 ，降低管路压力 ，直到 A I P ，关 闭溢流阀 2 。循环这样的过程，直到计数器达到设定值或按下 停止按钮 ，试验结束 。 初 态 二二工二 系统初始值设定 二二]二二二 启动变频电机水泵 打 开溢 流 阀 2 计数器达到设定值 或按下停止按钮 ＼／ Y 结束 。 图3 P L C的压力保护流程图 P L C的试验运行 流程 如图 4所示 。在进行 完试验 准备过程进入实质脉冲试验阶段后，通过压力传感器 测量试验 管路压力 ，发送模拟量 J_4 ， 信号至 P L C ； P L C根据 A ， 2 和试验压力值 P 。 及 0 ． 1 5 P 。的差值，采 用 P I D控制方法 ，分别控制电磁阀 1 、2 、3 ，实现管 路压力变化。在每经过一次加压、高压保压、卸压、 低压保压的过程后计数器加 1 ，当计数器到达 1 0 0 0 0 的整数倍时，进入 1 0 m i n高压保压程序，由检验员 对被测 热水器 内胆进行检验 。如果 出现 内胆渗漏 、变 形的情况，则按下停止按钮结束试验；如果无任何渗 漏、变形的情况，且计数器没有达到试验要求的设定 值 ，则执行新的工作周期 ；当计数器达到试验要求设 定值时，试验完成终止试验。 系统初始值设定 启动变题电机水泵， 关 闭电磁阀 3 ．开寤 电磁 阀1 、2 、电液比例阀 关闭电磁阀3 ，开启 电磁 阀1 、2 ， t l 计时 精 皇 辜 关闭电磁阀l ，f 2 计 目 节电流比例阀。 保{ 关 闭电磁 阔2 和 电液 比例 阕，开启电磁阀3 ，‘ 卅 时 根据0 。 1 5 p 厶，开 启 电液 比例阀； , O - b ， f 3 计时停 开 启 电磁 阀2 和 电液 比例 困，关 闭电磁阀3 ， 调节 电 液 比例 阀， 保持 AI 2 0 ． 1 p o ，t 3 t 4 0 ． 5 T e 计时停止 计数器加1 计数器次数握 否 满 足1 00 0 0 ＼ 整数 1 - - ．j l Y l夭闭电礅网 3 ，开眉 I l 电磁阀1 、 2 ， 肼 时f ’ 根据p 口 屯，开启 电液 比例 阚 ；A I 2 p 0 ，l 延 时 l 关闭再祗 阐l ，诵 l I 节电液比例阀，保 1． 1托4 L 0 ， 埏 时 I N 图 4 P L C的试验运行流程 图 3结论 采用加压蓄能器和保压蓄能器的双蓄能器结构实 现管路能量传递，从而产生管路压力变化，完成脉冲 压力试验。此方法与传统的 “ 高压变频水泵 管路 切换 ” 的方法相 比较 ，有 以下优点 1 变频 电机水泵的输 出端安装 充气式 蓄能器 ， 卸压、高／ 低压保压过程时蓄能器吸收变频电机水泵 输出的能量 ，加压过程时蓄能器和变频电机水泵共同 输出能量；既降低了检测系统的能耗，又消除了变频 电机水泵输出端的 “ 回压” 。 2 采用模拟量 比例阀 P I D调节电热水器内胆 注入的水量 ，不仅缓解了 “ 水击现象” 的危害，而 且延拓了检测系统可供检测的范围。 3 量化冲击主循 环周期内加 压、高压保压、 卸压和低压保压过程 的时间 ，有助于提升脉 冲压力检 测系统检测结果的一致性。 下转第 1 1 9页 第 2 0期 王鹏飞 等液压式挖掘机单杆操作系统的设计 1 1 9 数据计算 计算角度和控制中间值，并对数据 进行软件滤波处理。 主程序完成全局变量的初始化后 ，连接子程序以 保证控制 系统 正常运行 。铲斗角度控制程序 和动臂控 制程序分别完成相应的任务。铲斗角度控制流程如图 3所示 。 图3 铲斗角度控制流程图 另外，由于挖掘机工作环境恶劣，受外界干扰较 多，比如振动、噪声、温度和湿度变化等，这些因素 会导致采集到的数据的精度和可靠度得不到保证，所 以为该系统设计了辅助程序滤波模块，主要采用了程 序判断滤波、去极值平均滤波和一阶惯性滤波的方 式 。 4抗干扰设计 该系统采用接 地 、屏蔽和程序抗干扰等抗 干扰措 施，一方面将电子设备的外壳接地 ，另外在空间中插 入一块金属 隔板 ，这样 就可 以形成一个屏 蔽体 ，有效 地控制一个区域的电场和磁场向另外一个区域传播。 在程序抗 干扰方 面 ，采取 了设 置运 行监 视 系统 、 指令冗余技术以及软件陷阱技术等措施。看门狗定时 器能够实现软件的定时复位 ，当程序运行不正常、看 门狗定时器计数溢出时 ，系统 自动复位 ，这样就可以 避免在强干扰情况下微控制器死机。指令冗余可以使 “ 乱飞 ”程序 纳入正轨 ，因此 ，对于 程序 中的重要 指 令的关键位置采用指令冗余技术，能够使系统错误动 作减 少。而当 “ 乱 飞”程 序进入 到未使 用的空 间时 ， 冗余指令便无法使程序纳入正轨，此时，设定软件陷 阱，有效拦截 “ 乱飞”程序，并将其引导到一个指 定位置 。 5 结 论 以液压式挖掘机为研究对象 ，以简化液压式挖掘 机的操作为 目的，对系统的组成进行了分析 ，完成了 系统的硬件和软件设计。该操作系统综合应用了液压 技术、传感器技术以及计算机技术 ，简化了液压控制 机构 ，对减轻驾驶员劳动强度有积极 的作用 ；提高 了 作业效率 ，也在一定程度上减少 了驾驶员操作技术差 异导致的不良影响，为简化液压式挖掘机的操作提供 了一种新的可能性。 参考文献 [ 1 ]张宏 ， 张箭． 国内外小型挖掘机发展漫谈 [ J ] ． 建筑机械 化 ， 2 0 0 6 9 1 01 3 ． [ 2 ]吉林工大． 液压与压力传动 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 1 9 8 8 ． [ 3 ]张铁． 液压挖掘机结构、 原理及使用[ M] ． 东营 石油大 学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ]高晓蓉． 传感器技术[ M] ． 成都 西南交通大学出版社， 2 0 03． ． [ 5 ]何希才， 刘洪梅． 传感器应用接 口电路 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 6 ]陈晓琳． 小型液压挖掘机单杆操作系统的研究[ D] ． 西 安 西北农林科技 大学 ， 2 0 0 8 ． [ 7 ]胡汉才． 单片机原理及系统设计[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 0 2 ． [ 8 ]O T I H e n r y W． 电子 系统 中噪声 的抑制与衰减 技术 [ M] ． 王培清 ， 李迪 ， 译． 2版． 北京 电子工业 出版社， 2 00 3． 上接第 1 0 7页 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 ]蔡亦钢， 流体传输管道动力学[ M] ． 杭州 浙江大学出版 社 ， 1 9 9 0 ． [ 4 ]盛敬超 ， 液压流体力学 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 5 ]王东浩， 曲君乐， 祁国梁， 等． 热水器 内胆压力试验装置 [ J ] ． 家电科技， 2 0 0 7 1 1 4 4 ． [ 6 ]全国家用电器标准化技术委员会． G B ／ T 2 0 2 8 9 - 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