基於PLC的電磁閥響應時間測試系統設計論文

隨着自動化技術的普及，氣動和液壓技術得到廣泛應用，用來調整氣液體方向及流量的電磁閥的使用量也飛速擴大。電磁閥的質量好壞很大程度上決定使用它的自動化設備的性能和可靠性，所以對電磁閥的檢測也就非常重要。本文以具體的工程實踐爲例，就設計電磁閥響應時間測試系統做簡單分析。

1 系統功能需求

本系統需要檢測的電磁閥用於控制壓縮天然氣管路通斷。客戶提出規定如下：電磁閥開通響應時間爲，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到 0.5x 的壓力所需時間;電磁閥關斷響應時間爲，從電磁閥線圈斷電到氣路輸出端檢測到壓力下降至 0.05x 以下所需時間;爲保證測試可靠性，要求連續測試 50 次通、斷響應時間，取算術平均值和最大值，測出的最小值剔除且不用於計算平均值，若測出的最大值大於規定的合格上限，則認爲是不合格;氣路開通時間規定不大於 5 ms，關斷時間規定不大於 9 ms。

2 硬件及開發平臺選擇

根據現場電磁環境較惡劣、工廠設備現狀及維護人員情況等，選擇適合於工業環境、可靠性高、抗干擾能力強、性價比高的小型 PLC作爲系統開發平臺，並且選擇輸出速度快的晶體管型;選擇工業觸摸屏爲人機交互介面，同時可以執行數據記錄和處理任務。因電磁閥線圈驅動電流較大，PLC 不能直接驅動，考慮中間設計放大電路或使用成品固態繼電器，重點確定中間環節的延時時間，一是必須穩定，二是必須小於 1 ms。PLC 的 A/D 轉換模組轉換時間較長，且受 PLC 掃描工作方式控制，完成一次氣壓值檢測所需時間太長，遠大於產品合格上限，所以使用氣壓傳感器和 AD 模組不可行。透過反覆比選和實際測試，選擇上海天賀自動化儀表有限公司的.高速壓力開關 PSW-M，量程範圍爲 0～400 MPa(壓力閾值可在 0.2 kPa～400 MPa 之間由廠家設定)，精度爲±1%FS，響應時間爲1 ms，輸出信號爲PNP晶體管輸出、常開或常閉可選、Vout=Vpower-1。此壓力開關的響應時間爲一個確定的值，爲得到更準確的電磁閥響應時間，可在最後採用“去皮”計算減去該值。壓力閾值可以設定，當氣壓達到設定值時將快速輸出開關量信號，這樣可以直接輸入到 PLC，減少了模數轉換環節。

3 程序算法

PLC 爲循環掃描工作方式，一般小型 PLC一次掃描時間超過 10 ms，且這個時間並不是固定的，沒法修正測試值。因此程序算法的設計將是這個系統成敗的關鍵。測量程序如圖 1 所示，連續執行 50 次，數據處理要求按客戶規定執行，採用該算法可以迴避 PLC 掃描週期較長且不固定的問題，同時利用立即重新載入指令將相關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 掃描結束後再通電，線圈通電的同時開始計時，如圖 2所示(以三菱 FX2N 爲例)。

除算法設計外，一些細節問題也需要考慮。可將 PLC 輸入信號濾波時間設定儘量小，以減少對測試值的影響，雖然會降低系統抗干擾的性能，但可透過多次測試去除最小值、取平均值等方法來解決。對於 PLC中的一些其他程序，若執行佔用時間會影響測試，可以用跳轉指令來暫時避開它不執行。

每次測試值修正公式爲：測試值=D10-PLC 輸入信號濾波時間-輸出放大電路響應時間-PLC 輸出延遲時間-壓力開關響應時間-程序延遲時間。其中：輸入信號濾波時間可最小設定爲 0，程序延遲時間、PLC 輸出延遲時間、輸出放大電路響應時間均爲微秒級，可忽略不計;壓力開關響應時間小於等於 1 ms。所以修正公式可簡化爲：測試值=(D10-1)ms。

4 結論

本文所述電磁閥響應時間測試系統設計，透過實驗室反覆測試和客戶近一年實際使用，證實該系統設計是成功的、程序算法有效可靠。特別是程序算法具有較強可移植性，可在類似的 PLC 應用領域使用，可以有效解決 PLC 循環掃描工作方式和系統實時性要求高的矛盾。