基于PLC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110142)

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(PLC)，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PLC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PLC控制实现，为方便监控操作，将PLC与一计算机连接形成上下位机控制方式。

2 PLC 硬件设计

2.1 PLC 选型

PLC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，以减少输入点数、提高经济性，可以判定PLC 开关量输入点数不能少于3个。试验系统内需PLC控制的对象有水泵电机1个、被测阀5个，可确定PLC 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PLC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PLC 产品中S7-200系列中的CPU222(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PLC 输入及输出驱动电路如图2所示。

图2 PLC 外部接线图

输入包括水泵电机起停控制按钮SB1、被测电磁阀起停控制按钮SB2 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(SSR)，其中1个SSR控制水泵电机，其他5个SSR控制被测电磁阀。通过SSR 间接控制负载，可以很好地保护PLC、提高试验系统的可靠性。

在PLC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，PLC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，PLC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，PLC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，PLC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SSR，控制被测电磁阀可选择较小容量的SSR，所以须根据电压、电流等参数选择合适的SSR。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。SSR的使用、多种保护措施的设置及PLC 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 PLC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PLC程序。该系统PLC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(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 PLC 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。

图4 PLC 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PLC与PC 机通过PC/PPI 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PLC，使用组态软件WINCC 及OPC 服务器软件PC ACCESS 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。

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