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基于PLC的電磁閥響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
隨著自動(dòng)化技術(shù)的普及，氣動(dòng)和液壓技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，用來調(diào)整氣液體方向及流量的電磁閥的使用量也飛速擴(kuò)大。電磁閥的質(zhì)量好壞很大程度上決定使用它的自動(dòng)化設(shè)備的性能和可靠性，所以對(duì)電磁閥的檢測(cè)也就非常重要。本文以具體的工程實(shí)踐為例，就設(shè)計(jì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)做簡單分析。
1 系統(tǒng)功能需求
本系統(tǒng)需要檢測(cè)的電磁閥用于控制壓縮天然氣管路通斷。客戶提出規(guī)定如下：電磁閥開通響應(yīng)時(shí)間為，在某一輸入壓力 x 下電磁閥線圈通電到在氣路輸出端檢測(cè)到 0.5x 的壓力所需時(shí)間;電磁閥關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間為，從電磁閥線圈斷電到氣路輸出端檢測(cè)到壓力下降至 0.05x 以下所需時(shí)間;為保證測(cè)試可靠性，要求連續(xù)測(cè)試 50 次通、斷響應(yīng)時(shí)間，取算術(shù)平均值和最大值，測(cè)出的最小值剔除且不用于計(jì)算平均值，若測(cè)出的最大值大于規(guī)定的合格上限，則認(rèn)為是不合格;氣路開通時(shí)間規(guī)定不大于 5 ms，關(guān)斷時(shí)間規(guī)定不大于 9 ms。
2 硬件及開發(fā)平臺(tái)選擇
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境較惡劣、工廠設(shè)備現(xiàn)狀及維護(hù)人員情況等，選擇適合于工業(yè)環(huán)境、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的小型 PLC作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，并且選擇輸出速度快的晶體管型;選擇工業(yè)觸摸屏為人機(jī)交互界面，同時(shí)可以執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄和處理任務(wù)。因電磁閥線圈驅(qū)動(dòng)電流較大，PLC 不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮中間設(shè)計(jì)放大電路或使用成品固態(tài)繼電器，重點(diǎn)確定中間環(huán)節(jié)的延時(shí)時(shí)間，一是必須穩(wěn)定，二是必須小于 1 ms。PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，且受 PLC 掃描工作方式控制，完成一次氣壓值檢測(cè)所需時(shí)間太長，遠(yuǎn)大于產(chǎn)品合格上限，所以使用氣壓傳感器和 AD 模塊不可行。通過反復(fù)比選和實(shí)際測(cè)試，選擇上海天賀自動(dòng)化儀表有限公司的高速壓力開關(guān) PSW-M，量程范圍為 0～400 MPa(壓力閾值可在 0.2 kPa～400 MPa 之間由廠家設(shè)定)，精度為±1%FS，響應(yīng)時(shí)間為1 ms，輸出信號(hào)為PNP晶體管輸出、常開或常閉可選、Vout=Vpower-1。此壓力開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間為一個(gè)確定的值，為得到更準(zhǔn)確的電磁閥響應(yīng)時(shí)間，可在最后采用“去皮”計(jì)算減去該值。壓力閾值可以設(shè)定，當(dāng)氣壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)將快速輸出開關(guān)量信號(hào)，這樣可以直接輸入到 PLC，減少了模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。
3 程序算法
PLC 為循環(huán)掃描工作方式，一般小型 PLC一次掃描時(shí)間超過 10 ms，且這個(gè)時(shí)間并不是固定的，沒法修正測(cè)試值。因此程序算法的設(shè)計(jì)將是這個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。測(cè)量程序如圖 1 所示，連續(xù)執(zhí)行 50 次，數(shù)據(jù)處理要求按客戶規(guī)定執(zhí)行，采用該算法可以回避 PLC 掃描周期較長且不固定的問題，同時(shí)利用立即刷新指令將相關(guān)程序控制立即輸出到 PLC 外部端子上，使電磁閥線圈立即通電，而不是等到 PLC 掃描結(jié)束后再通電，線圈通電的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，如圖 2所示(以三菱 FX2N 為例)。
除算法設(shè)計(jì)外，一些細(xì)節(jié)問題也需要考慮�？蓪� PLC 輸入信號(hào)濾波時(shí)間設(shè)定盡量小，以減少對(duì)測(cè)試值的影響，雖然會(huì)降低系統(tǒng)抗干擾的性能，但可通過多次測(cè)試去除最小值、取平均值等方法來解決。對(duì)于 PLC中的一些其他程序，若運(yùn)行占用時(shí)間會(huì)影響測(cè)試，可以用跳轉(zhuǎn)指令來暫時(shí)避開它不執(zhí)行。
每次測(cè)試值修正公式為：測(cè)試值=D10-PLC 輸入信號(hào)濾波時(shí)間-輸出放大電路響應(yīng)時(shí)間-PLC 輸出延遲時(shí)間-壓力開關(guān)響應(yīng)時(shí)間-程序延遲時(shí)間。其中：輸入信號(hào)濾波時(shí)間可最小設(shè)置為 0，程序延遲時(shí)間、PLC 輸出延遲時(shí)間、輸出放大電路響應(yīng)時(shí)間均為微秒級(jí)，可忽略不計(jì);壓力開關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于等于 1 ms。所以修正公式可簡化為：測(cè)試值=(D10-1)ms。
4 結(jié)論
本文所述電磁閥響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)室反復(fù)測(cè)試和客戶近一年實(shí)際使用，證實(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的、程序算法有效可靠。特別是程序算法具有較強(qiáng)可移植性，可在類似的 PLC 應(yīng)用領(lǐng)域使用，可以有效解決 PLC 循環(huán)掃描工作方式和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高的矛盾。
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