基于PLC的电磁阀响应时间测试系统设计论文

随着自动化技术的普及，气动和液压技术得到广泛应用，用来调整气液体方向及流量的电磁阀的使用量也飞速扩大。电磁阀的质量好坏很大程度上决定使用它的自动化设备的性能和可靠性，所以对电磁阀的检测也就非常重要。本文以具体的工程实践为例，就设计电磁阀响应时间测试系统做简单分析。

1 系统功能需求

本系统需要检测的电磁阀用于控制压缩天然气管路通断。客户提出规定如下：电磁阀开通响应时间为，在某一输入压力 x 下电磁阀线圈通电到在气路输出端检测到 0.5x 的压力所需时间;电磁阀关断响应时间为，从电磁阀线圈断电到气路输出端检测到压力下降至 0.05x 以下所需时间;为保证测试可靠性，要求连续测试 50 次通、断响应时间，取算术平均值和最大值，测出的最小值剔除且不用于计算平均值，若测出的最大值大于规定的合格上限，则认为是不合格;气路开通时间规定不大于 5 ms，关断时间规定不大于 9 ms。

2 硬件及开发平台选择

根据现场电磁环境较恶劣、工厂设备现状及维护人员情况等，选择适合于工业环境、可靠性高、抗干扰能力强、性价比高的小型 PLC作为系统开发平台，并且选择输出速度快的晶体管型;选择工业触摸屏为人机交互界面，同时可以执行数据记录和处理任务。因电磁阀线圈驱动电流较大，PLC 不能直接驱动，考虑中间设计放大电路或使用成品固态继电器，重点确定中间环节的延时时间，一是必须稳定，二是必须小于 1 ms。PLC 的 A/D 转换模块转换时间较长，且受 PLC 扫描工作方式控制，完成一次气压值检测所需时间太长，远大于产品合格上限，所以使用气压传感器和 AD 模块不可行。通过反复比选和实际测试，选择上海天贺自动化仪表有限公司的高速压力开关 PSW-M，量程范围为 0～400 MPa(压力阈值可在 0.2 kPa～400 MPa 之间由厂家设定)，精度为±1%FS，响应时间为1 ms，输出信号为PNP晶体管输出、常开或常闭可选、Vout=Vpower-1。此压力开关的响应时间为一个确定的值，为得到更准确的电磁阀响应时间，可在最后采用“去皮”计算减去该值。压力阈值可以设定，当气压达到设定值时将快速输出开关量信号，这样可以直接输入到 PLC，减少了模数转换环节。

3 程序算法

PLC 为循环扫描工作方式，一般小型 PLC一次扫描时间超过 10 ms，且这个时间并不是固定的，没法修正测试值。因此程序算法的设计将是这个系统成败的关键。测量程序如图 1 所示，连续执行 50 次，数据处理要求按客户规定执行，采用该算法可以回避 PLC 扫描周期较长且不固定的问题，同时利用立即刷新指令将相关程序控制立即输出到 PLC 外部端子上，使电磁阀线圈立即通电，而不是等到 PLC 扫描结束后再通电，线圈通电的同时开始计时，如图 2所示(以三菱 FX2N 为例)。

除算法设计外，一些细节问题也需要考虑。可将 PLC 输入信号滤波时间设定尽量小，以减少对测试值的影响，虽然会降低系统抗干扰的性能，但可通过多次测试去除最小值、取平均值等方法来解决。对于 PLC中的一些其他程序，若运行占用时间会影响测试，可以用跳转指令来暂时避开它不执行。

每次测试值修正公式为：测试值=D10-PLC 输入信号滤波时间-输出放大电路响应时间-PLC 输出延迟时间-压力开关响应时间-程序延迟时间。其中：输入信号滤波时间可最小设置为 0，程序延迟时间、PLC 输出延迟时间、输出放大电路响应时间均为微秒级，可忽略不计;压力开关响应时间小于等于 1 ms。所以修正公式可简化为：测试值=(D10-1)ms。

4 结论

本文所述电磁阀响应时间测试系统设计，通过实验室反复测试和客户近一年实际使用，证实该系统设计是成功的、程序算法有效可靠。特别是程序算法具有较强可移植性，可在类似的 PLC 应用领域使用，可以有效解决 PLC 循环扫描工作方式和系统实时性要求高的矛盾。

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