基于PLC 控制的双蓄能器结构脉冲压力试验系统设计

童朱珏，王晓岭，吴明光

(浙江省质量检测科学研究院，浙江杭州 310013)

我国电热水器的年销量约1 300 万台。为规范电热水器行业有序健康发展、保护使用者的人身安全，国家和行业主管部门先后引进、制定和颁布了一系列的技术规范和标准:GB/T20289-2006 《储水式电热水器》、IEC60379 《热水器性能试验方法》、QB/T 4101-2010 《储水式电热水器内胆》。时至今日，除脉冲压力检测项目外，储水式电热水器其他检测指标的装置和方法已相当成熟有效。储水式电热水器容器内胆脉冲压力检测的国标技术要点如下:

试验压力:额定压力的15%～ (100 ±5)%，可调范围0～1 MPa;

冲击计数范围:0～999 999 次;

工作电压:AC 220 V;

工作温度:0～+50℃;

工作湿度:10%～90%RH;

冲击频率(f0):25～60 次/min;

工作周期:每10 000 次冲击后停止10 min，目测容器无明显变形，再继续下一个工作周期，冲击总次数≥80 000。

显然，脉冲压力检测的技术难点是可调压力(额定压力的15%～ (100 ±5)%)水源的高冲击频率指标。由于电机、水泵具有固有的转动惯量，因此想要通过改变变频电机水泵转速达到水源压力快速变化是根本无法达到的。目前，采用的是“高压变频水泵+管路切换”解决方案，即在脉冲压力检测全程，变频器控制的变频电机和水泵始终处于高速状态;通过相应管路上阀的启闭实现管路切换，从而达到管路压力加压、高压保压、减压、低压保压的变化过程。“高压变频水泵+管路切换”虽可行，但缺陷甚多，有待改进:

(1)脉冲压力检测系统的能耗大。在整个试验过程中，变频电机水泵始终处于高速状态，鉴于加压过程只占冲击主循环时间片的一小部分，电能的绝大部分白白浪费。

(2)“回压”和“水击现象”对脉冲压力检测系统寿命有负面影响。“高压变频水泵+管路切换”解决方案中，变频电机水泵输出端需承受高低压循环的脉冲压力，输出端出现的“回压”将缩短水泵(压力检测系统)的寿命。另一方面，阀和多管路的切换形成液压撞击产生水击(Water Hammer)，“水击现象”对检测系统的器件、管路和连结件均会带来损伤。

(3)管路切换因管路数目有限，检测系统可供检测的范围也将受限。

(4)冲击主循环周期内加压、高压保压、卸压和低压保压过程的定性时间不利于检测结果的一致性。

针对储水式电热水器内胆的现有脉冲压力检测系统和方法的缺陷，作者提出基于PLC 控制的双蓄能器结构的脉冲压力检测系统和检测方法。

1 脉冲压力检测系统的结构和原理

脉冲压力检测系统的结构如图1 所示。

图1 检测系统的结构图

工作原理为:试验系统由变频电机水泵提供管路所需水压能量;加压蓄能器协同变频电机水泵提供检测加压过程中的能量，并吸收高/低压保压、卸压过程中的管路能量;保压蓄能器主要维持检测高/低压保压过程中被检热水器内胆的压力。根据压力传感器2 检测的管路压力值和目标压力值的差，采用PID 控制方法，通过PLC 控制电液比例阀的开度，达到被测热水器内胆试验所需压力上限值。系统通过PLC控制3 个电磁阀(电磁阀位置如图1 所示)的开闭实现检测全流程的加压、高压保压、卸压和低压保压的变化过程。系统设置2 个溢流阀来确保系统压力保护，防止系统工作时压力过高或出现故障产生的高压危险。溢流阀2 是一个附加遥控口串接溢流电磁铁的溢流阀;根据压力传感器1 测到的管路压力值，PLC可以控制溢流阀2 的开合，确保管路压力运行在正常工况。溢流阀1 是一个手动设置阀值的溢流阀，用于确保管路压力的安全性。

检测系统的主要工作过程可分为加压、高压保压、卸压、低压保压4 个过程。令检测压力值为p0，溢流阀2 动作压力阀值p2，冲击频率f0为60 次/min即冲击周期T0为1 s，加压、高压保压、卸压和低压保压4 个过程的时间分别为t1、t2、t3和t4。

加压过程。变频电机水泵运行，关闭电磁阀3、开启电磁阀1 和电磁阀2，根据压力传感器2 测得管路压力模拟量AI2与试验压力值p0的偏差p0-AI2，PID 控制电液比例阀的开度，使AI2=p0。

高压保压过程。变频电机水泵运行，关闭电磁阀1，根据偏差p0-AI2，PID 控制电液比例阀的开度，保压蓄能器向储水式电热水器内胆输出能量，使热水器内胆测试端压力维持在试验压力值，即AI2=p0。变频电机水泵向加压蓄能器输出能量，直至t1+t2=0.5T0。

卸压过程。变频电机水泵运行，关闭电磁阀2 和电液比例阀、开启电磁阀3，当AI2=0.15p0时关闭电磁阀3，变频电机水泵向加压蓄能器输出能量。

低压保压过程。变频电机水泵运行，开启电磁阀2 和电液比例阀，根据偏差0.15p0-AI2，PID 控制电液比例阀的开度，保压蓄能器向储水式电热水器内胆输出能量，变频电机水泵向加压蓄能器输出能量，直至t3+t4=0.5T0。

2 脉冲压力检测系统的设计

2.1 控制装置的硬件设计

试验装置硬件控制采用PLC 控制。系统PLC 有两个输入量都是模拟量AI1和AI2，来自压力传感器1和压力传感器2;两个模拟输出量AO1和AO2，分别控制变频电机水泵和电液比例阀;4 个开关量输出DO1、DO2、DO3、DO4，分别用于控制系统中的3 个电磁阀和1 个溢流阀。鉴于系统的输入输出量有限，故采用PLC CPU 模块自带开入开出和模入模出接口模块直接控制，选择西门子S7-200 的PLC (224XP DC/DC/DC)。PLC 的供电需要将交流220 V 的市网电压变到24 V 的直流电，因此采用开关电源NES-75-24 给PLC 供电。另外，该系统采用触摸屏MT8070iH来完成系统的试验参数设置，并用通信线实现触摸屏与PLC 自带的通信模块之间的通信。当然，也可采用计算机与PLC 通信，实现上、下位机的控制系统。图2 所示为PLC 结构图。

图2 PLC 结构图

电气主电路主要由空气开关、熔断器、电源指示灯、接触器、电源开关、急停开关等组成，主要功能保证220 V 电源供电的安全性和可靠性，同时熔断器等可以对后续电路过流等情况起到一定的保护作用。

2.2 脉冲压力检测系统的软件设计

根据试验系统的控制要求及运行特点，使用顺序控制设计的编程方法及计数器级联等编程技巧可以方便写出PLC 程序。该系统PLC 程序可以分为初始化程序和主程序两部分，初始化程序用来进行初始化操作和设置初始值，如试验压力p0(缺省值1 MPa)，脉冲压力检测的冲击主循环总次数N (缺省值80 000次)，冲击主循环频率f0(缺省值60 次/min)即冲击主循环周期T0(缺省值1 s)，工作周期T (缺省值10 000 次冲击主循环时间为10 000 s)，工作周期的间隔时间(缺省值10 min)，冲击主循环周期内的加压过程时间t1、高压保压过程时间t2、卸压过程时间t3、低压保压过程时间t4(缺省值0.15T0≤t1≤0.2T0、t1+t2=0.5T0、t3≤0.2T0、t3+t4=0.5T0)。

系统PLC 主程序流程可分为试验运行流程和压力保护流程两个部分。PLC 的压力保护流程如图3 所示。变频电机水泵启动后供压管路就会承受压力，压力传感器1 测量管路压力，并将模拟量AI1发送给PLC，如果AI1≥p2，则PLC 通过开关输出量打开溢流阀2，降低管路压力，直到AI1＜p2，关闭溢流阀2。循环这样的过程，直到计数器达到设定值或按下停止按钮，试验结束。

图3 PLC 的压力保护流程图

PLC 的试验运行流程如图4 所示。在进行完试验准备过程进入实质脉冲试验阶段后，通过压力传感器测量试验管路压力，发送模拟量AI2信号至PLC;PLC 根据AI2和试验压力值p0及0.15 p0的差值，采用PID 控制方法，分别控制电磁阀1、2、3，实现管路压力变化。在每经过一次加压、高压保压、卸压、低压保压的过程后计数器加1，当计数器到达10 000的整数倍时，进入10 min 高压保压程序，由检验员对被测热水器内胆进行检验。如果出现内胆渗漏、变形的情况，则按下停止按钮结束试验;如果无任何渗漏、变形的情况，且计数器没有达到试验要求的设定值，则执行新的工作周期;当计数器达到试验要求设定值时，试验完成终止试验。

图4 PLC 的试验运行流程图

3 结论

采用加压蓄能器和保压蓄能器的双蓄能器结构实现管路能量传递，从而产生管路压力变化，完成脉冲压力试验。此方法与传统的“高压变频水泵+管路切换”的方法相比较，有以下优点:

(1)变频电机水泵的输出端安装充气式蓄能器，卸压、高/低压保压过程时蓄能器吸收变频电机水泵输出的能量，加压过程时蓄能器和变频电机水泵共同输出能量;既降低了检测系统的能耗，又消除了变频电机水泵输出端的“回压”。

(2)采用模拟量比例阀PID 调节电热水器内胆注入的水量，不仅缓解了“水击现象”的危害，而且延拓了检测系统可供检测的范围。

(3)量化冲击主循环周期内加压、高压保压、卸压和低压保压过程的时间，有助于提升脉冲压力检测系统检测结果的一致性。

［1］廖常初，PLC 编程及应用［M］.3 版.北京:机械工业出版社，2008.

［2］张剑慈，吴忠，周兆忠，等.流量阀液压试验系统的测试与应用［J］.机械研究与应用，2003，16(1):50 -51.

［3］蔡亦钢，流体传输管道动力学［M］.杭州:浙江大学出版社，1990.

［4］盛敬超，液压流体力学［M］.北京:机械工业出版社，1992.

［5］王东浩，曲君乐，祁国梁，等.热水器内胆压力试验装置［J］.家电科技，2007(11):44.

［6］全国家用电器标准化技术委员会.GB/T20289-2006 储水式电热水器［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［7］全国家用电器标准化技术委员会.QB/T 4101-2010 储水式电热水器内胆［S］.北京:中国标准出版社，2010.