電子膨脹閥檢測(cè)控制系統(tǒng)

摘要：介紹了一種電子膨脹閥檢測(cè)控制系統(tǒng)，由于采用了工控機(jī)+PLC+觸摸屏+組態(tài)軟件組裝方式并輔以二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，因而整個(gè)控制系統(tǒng)具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、檢測(cè)效率高、操作方便靈活、系統(tǒng)可擴(kuò)展性好、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。

引言

　　電子膨脹閥是按照預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)蒸發(fā)器供液量，因?qū)儆陔娮邮秸{(diào)節(jié)模式，故稱為電子膨脹閥。它適應(yīng)了制冷機(jī)電一體化的發(fā)展要求，具有熱力膨脹閥無(wú)法比擬的優(yōu)良特性，為制冷系統(tǒng)的智能化控制提供了條件，是一種很有發(fā)展前途的自控節(jié)能元件。電子膨脹閥作為節(jié)流元件，可滿足制冷劑流量變化的要求，從而最大程度地發(fā)揮變頻空調(diào)的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)制冷量。同時(shí)，電子膨脹閥具有流量調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)精確高、省電、制冷劑可以正反兩個(gè)方向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已用于高檔的變頻空調(diào)中，廣泛應(yīng)用于商用空調(diào)。由于生產(chǎn)質(zhì)量過(guò)程控制需求，需要對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)。本文介紹的電子膨脹閥檢測(cè)控制系統(tǒng)，具有如下的功能及特點(diǎn)：

　　(1)系統(tǒng)采用PLC、觸摸屏、微機(jī)組合并配以適用廣泛的FIX工控組態(tài)軟件加以二次開(kāi)發(fā)，使系統(tǒng)具有較高的可靠性和性價(jià)比。

　　(2)電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)的控制采用軟件環(huán)分器，實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制頻率、步數(shù)、開(kāi)關(guān)閥的自由控制。

　　(3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)閥步數(shù)、泄露流量、高壓流量、低壓流量，并記錄作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存。

　　(4)具有良好的人機(jī)界面和較高的自動(dòng)化程度，操作方便、使用可靠。

　　(5系統(tǒng)具有自診斷功能，出現(xiàn)故障后自動(dòng)報(bào)警。

1 系統(tǒng)分析

　　被控對(duì)象為用于空調(diào)的電子膨脹閥，為避免壓縮空氣由于流量增大壓力降低造成流量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，采用SMC高精度減壓閥。根據(jù)檢測(cè)要求，電子膨脹閥的開(kāi)關(guān)步數(shù)、高壓開(kāi)關(guān)、低壓開(kāi)關(guān)應(yīng)為可控。高壓流量、低壓流量應(yīng)為可測(cè)。為保存檢測(cè)結(jié)果，要求記錄檢測(cè)過(guò)程結(jié)果。

　　由于電子膨脹閥為四相八拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，所以采用軟件環(huán)分器可以得到良好的運(yùn)行效果。四相八拍脈沖時(shí)序?qū)φ毡硪?jiàn)表1。

　　氣體流量是影響電子膨脹閥的一個(gè)重要指標(biāo)，為排除其他干擾因素而影響測(cè)量精度，本文采用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。由于測(cè)量流量范圍大，本文采用分段測(cè)量即小流量流量計(jì)與大流量力量計(jì)。

2 系統(tǒng)組成

　　(1)為滿足0-400SLM精確測(cè)量，采用七星華創(chuàng)公司D07-9M量程為0-30SLM和AFC202量程為30-400SLM的質(zhì)量流量計(jì)，精度為2。測(cè)量輸出為4-20mA。

　　(2)為滿足大流量下，壓縮空氣壓力恒定，采用SMC公司IR400-03B的精密減壓。0.4級(jí)指針式精密壓力表滿足恒壓的顯示要求。

　　(3)實(shí)時(shí)控制選用西門子公司S7—200PLC系列的CPU—226，并配EM231模擬擴(kuò)展單元1個(gè)。PLC具有2點(diǎn)模入，40點(diǎn)開(kāi)關(guān)量可滿足系統(tǒng)檢測(cè)及控制要求。

　　(4)PLC開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電磁閥開(kāi)關(guān)，達(dá)到控制壓縮空氣通斷的目的。

　　(5)手動(dòng)操作采用臺(tái)達(dá)DOP57觸摸品屏，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作與實(shí)時(shí)監(jiān)控的操作。觸摸屏使用雙絞線屏蔽線纜連接485通訊端口，另一端連接到PLC的PORT1端口，通過(guò)觸摸屏完成手動(dòng)檢測(cè)過(guò)程。

　　(6)監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用研華公司IPC610工控機(jī)使用PC/PPI電纜連接微機(jī)COM2端口;PPI端連接到PLC的PORT0端口。實(shí)現(xiàn)串行通訊方式下的數(shù)據(jù)交換，通過(guò)上位機(jī)完成自動(dòng)檢測(cè)的全過(guò)程。

3 通訊協(xié)議

　　上位機(jī)與PLC的通訊協(xié)議根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的目的采用三層協(xié)議：

　　(1)物理層。上位機(jī)使用COM端口的RS-232并經(jīng)PC/PPI電纜轉(zhuǎn)換為RS-485與PLC連接，完成原始數(shù)據(jù)流的異步傳輸。

　　(2)鏈路層采用類似二進(jìn)制同步傳輸(BSC)協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式，包含幀頭、幀尾、站號(hào)、檢驗(yàn)、確認(rèn)等，實(shí)現(xiàn)以上位機(jī)為主控站，多PLC從站輪詢/選擇通訊方式下的高可靠性的數(shù)據(jù)鏈路。

　　(3)應(yīng)用層。應(yīng)用層的當(dāng)前數(shù)據(jù)有：

　　(a)當(dāng)前數(shù)據(jù)，即大流量、小流量、當(dāng)前步數(shù)、完成步數(shù)。

　　(b)設(shè)定數(shù)據(jù)，即設(shè)定步數(shù)，及開(kāi)關(guān)閥開(kāi)關(guān)量。

　　應(yīng)用層協(xié)議格式有：

　　(a)主機(jī)格式：

　　其中：CMD 命令字(一字節(jié))

　　=1 讀數(shù)據(jù) DATA=應(yīng)讀數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)

　　=2 寫位數(shù)據(jù) DATA=置位，復(fù)位標(biāo)志

　　=3 寫數(shù)據(jù) DATA=應(yīng)寫數(shù)據(jù)

　　ADDRESS 數(shù)據(jù)地址(二字節(jié))

　　DATA 數(shù)據(jù)(長(zhǎng)度不定)

　　(b)從機(jī)格式：

　　其中：

　　ADDRESS 數(shù)據(jù)地址(二字節(jié))

　　DATA 數(shù)據(jù)(長(zhǎng)度不定)

　　相應(yīng)的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)：上位機(jī)靠使用FIX5.5I/O驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境ITK(MS C/C++7.0)完成;PLC靠使用STEP7編程語(yǔ)言完成。觸摸屏使用Delta HMI Screen editor開(kāi)發(fā)完成。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可分為三大部分。

4.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

　　PLC的程序使用STEP 7語(yǔ)言編寫。為了方便程序設(shè)計(jì)和調(diào)試，采用模塊化程序設(shè)計(jì)和調(diào)試。共分為三大部分模塊：第一部分為初始化模塊，用于設(shè)置PLC的初始輸出狀態(tài)和功能控制字;第二部分為過(guò)程控制模塊，完成系統(tǒng)對(duì)控制及過(guò)程參數(shù)檢測(cè);第三部分為通訊模塊，是上位機(jī)命令的執(zhí)行和向上位機(jī)傳遞過(guò)程參數(shù)的程序。

　　數(shù)據(jù)采集用定時(shí)器中斷控制，參數(shù)通過(guò)模擬輸入A/D變換后采集。

　　控制程序主要有開(kāi)關(guān)電子膨脹閥、動(dòng)作控制和故障處理程序等，其中開(kāi)關(guān)電子膨脹閥的時(shí)序脈沖通過(guò)軟件環(huán)形分配器得到。

　　通訊程序模塊包括通訊口初始化、接收數(shù)據(jù)成幀及校驗(yàn)、字符中斷接收、發(fā)送數(shù)據(jù)成幀及校驗(yàn)、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。由于鏈路層使用了靜線等待、反饋重發(fā)、超時(shí)重發(fā)、差錯(cuò)校正和防死鎖等技術(shù)，使PLC的數(shù)據(jù)通訊可靠性非常高;針對(duì)PLC數(shù)據(jù)既有整數(shù)型、又有位數(shù)型(開(kāi)關(guān)量)的特點(diǎn)，在PLC關(guān)鍵數(shù)據(jù)更新時(shí)，應(yīng)用層程序采用了數(shù)據(jù)封鎖及復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，保證了數(shù)據(jù)的一致性，并避免了競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)通訊程序模塊的多次使用及測(cè)試證明，即使用在惡劣工況下，數(shù)據(jù)通訊過(guò)程亦非常穩(wěn)定。

4.2 監(jiān)控工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控工控機(jī)的操作系統(tǒng)選用WINDOWS　XP。為了達(dá)到操作方便的設(shè)計(jì)要求，并考慮到過(guò)程數(shù)據(jù)的處理要求及系統(tǒng)良好的擴(kuò)充性，我們選用Intellution公司FIX5.5組態(tài)軟件配合Microsoft 公司Office軟件并加以二次開(kāi)發(fā)，研制出具有系統(tǒng)菜單、參數(shù)設(shè)置、當(dāng)前值、歷史查詢、操作控制、報(bào)警信息等功能的人機(jī)界面。

　　PLC設(shè)備的I/O驅(qū)動(dòng)程序使用與FIX配套的ITK軟件開(kāi)發(fā)。為達(dá)到在WINDOWS　XP操作系統(tǒng)下運(yùn)行的目的，我們重新編寫了ITK的SIO驅(qū)動(dòng)程序模塊并與之連接。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該程序的可靠性。

4.3 觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)

　　觸摸屏使用Delta公司 Screen editor軟件二次開(kāi)發(fā)，研制出具有手動(dòng)控制操作、過(guò)程參數(shù)顯示等功能的人機(jī)界面。

5 結(jié)論

　　本文介紹的電子膨脹閥檢測(cè)控制系統(tǒng)，由于采用了工控機(jī)+PLC+觸摸屏+組態(tài)軟件組裝方式并輔以二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，因而整個(gè)控制系統(tǒng)具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、檢測(cè)效率高、操作方便靈活、系統(tǒng)可擴(kuò)展性好、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試和運(yùn)行證明，整機(jī)穩(wěn)定可靠，未發(fā)生任何故障，已通過(guò)使用單位驗(yàn)收并投入正常使用。

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