電子膨脹閥檢測控制系統(tǒng)

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

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)了制冷機電一體化的發(fā)展要求，具有熱力膨脹閥無法比擬的優(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，提高系統(tǒng)制冷量。同時，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方向流動等優(yōu)點，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)量過程控制需求，需要對其進行性能檢測。本文介紹的電子膨脹閥檢測控制系統(tǒng)，具有如下的功能及特點：

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

　　(2)電子膨脹閥的步進電機的控制采用軟件環(huán)分器，實現(xiàn)對其控制頻率、步數(shù)、開關(guān)閥的自由控制。

　　(3)實時監(jiān)測開關(guān)閥步數(shù)、泄露流量、高壓流量、低壓流量，并記錄作為監(jiān)測數(shù)據(jù)保存。

　　(4)具有良好的人機界面和較高的自動化程度，操作方便、使用可靠。

　　(5系統(tǒng)具有自診斷功能，出現(xiàn)故障后自動報警。

1 系統(tǒng)分析

　　被控對象為用于空調(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)不準確，采用SMC高精度減壓閥。根據(jù)檢測要求，電子膨脹閥的開關(guān)步數(shù)、高壓開關(guān)、低壓開關(guān)應(yīng)為可控。高壓流量、低壓流量應(yīng)為可測。為保存檢測結(jié)果，要求記錄檢測過程結(jié)果。

　　由于電子膨脹閥為四相八拍步進電動機，所以采用軟件環(huán)分器可以得到良好的運行效果。四相八拍脈沖時序?qū)φ毡硪姳?。

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

2 系統(tǒng)組成

　　(1)為滿足0-400SLM精確測量，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，精度為2。測量輸出為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級指針式精密壓力表滿足恒壓的顯示要求。

　　(3)實時控制選用西門子公司S7—200PLC系列的CPU—226，并配EM231模擬擴展單元1個。PLC具有2點模入，40點開關(guān)量可滿足系統(tǒng)檢測及控制要求。

　　(4)PLC開關(guān)量輸出驅(qū)動電磁閥開關(guān)，達到控制壓縮空氣通斷的目的。

　　(5)手動操作采用臺達DOP57觸摸品屏，可實現(xiàn)手動操作與實時監(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，通過觸摸屏完成手動檢測過程。

　　(6)監(jiān)控計算機采用研華公司IPC610工控機使用PC/PPI電纜連接微機COM2端口;PPI端連接到PLC的PORT0端口。實現(xiàn)串行通訊方式下的數(shù)據(jù)交換，通過上位機完成自動檢測的全過程。

3 通訊協(xié)議

　　上位機與PLC的通訊協(xié)議根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用及簡化設(shè)計的目的采用三層協(xié)議：

　　(1)物理層。上位機使用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、檢驗、確認等，實現(xiàn)以上位機為主控站，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)用層的當前數(shù)據(jù)有：

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

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

　　應(yīng)用層協(xié)議格式有：

　　(a)主機格式：

　　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)(長度不定)

　　(b)從機格式：

　　其中：

　　ADDRESS 數(shù)據(jù)地址(二字節(jié))

　　DATA 數(shù)據(jù)(長度不定)

　　相應(yīng)的通訊協(xié)議實現(xiàn)：上位機靠使用FIX5.5I/O驅(qū)動程序開發(fā)環(huán)境ITK(MS C/C++7.0)完成;PLC靠使用STEP7編程語言完成。觸摸屏使用Delta HMI Screen editor開發(fā)完成。

4 軟件設(shè)計

　　整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計可分為三大部分。

4.1 PLC軟件設(shè)計

　　PLC的程序使用STEP 7語言編寫。為了方便程序設(shè)計和調(diào)試，采用模塊化程序設(shè)計和調(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;第二部分為過程控制模塊，完成系統(tǒng)對控制及過程參數(shù)檢測;第三部分為通訊模塊，是上位機命令的執(zhí)行和向上位機傳遞過程參數(shù)的程序。

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

　　控制程序主要有開關(guān)電子膨脹閥、動作控制和故障處理程序等，其中開關(guān)電子膨脹閥的時序脈沖通過軟件環(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、字符中斷接收、發(fā)送數(shù)據(jù)成幀及校驗、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)、超時重發(fā)、差錯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PLC數(shù)據(jù)既有整數(shù)型、又有位數(shù)型(開關(guān)量)的特點，在PLC關(guān)鍵數(shù)據(jù)更新時，應(yīng)用層程序采用了數(shù)據(jù)封鎖及復(fù)雜的邏輯運算，保證了數(shù)據(jù)的一致性，并避免了競爭冒險現(xiàn)象的出現(xiàn)。經(jīng)過通訊程序模塊的多次使用及測試證明，即使用在惡劣工況下，數(shù)據(jù)通訊過程亦非常穩(wěn)定。

4.2 監(jiān)控工控機軟件設(shè)計

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

　　PLC設(shè)備的I/O驅(qū)動程序使用與FIX配套的ITK軟件開發(fā)。為達到在WINDOWS　XP操作系統(tǒng)下運行的目的，我們重新編寫了ITK的SIO驅(qū)動程序模塊并與之連接。經(jīng)過長期運行測試，驗證了該程序的可靠性。

4.3 觸摸屏的軟件設(shè)計

　　觸摸屏使用Delta公司 Screen editor軟件二次開發(fā)，研制出具有手動控制操作、過程參數(shù)顯示等功能的人機界面。

5 結(jié)論

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

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