摘 要

燃氣比例閥作為恒溫式快速燃氣熱水器和燃氣采暖熱水爐的關(guān)鍵部件之一，對兩用爐的工作噪聲、燃燒效率、燃燒熱負荷等參數(shù)都有著重要的影響。這就要求比例閥的各項參數(shù)及性能必須得到有效的保證。我們根據(jù)廣州精鼎和杭州保登等比例閥生產(chǎn)廠家的需求，設(shè)計開發(fā)了一套比例閥性能檢測系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要采用西門子PLC為控制核心，軟件系統(tǒng)采用基于Windows核心的虛擬儀器技術(shù)。使用情況表明，該系統(tǒng)為比例閥各項重要性能的檢測、分析提供了保障，對產(chǎn)品性能和品質(zhì)的控制起到了重要作用。

摘　要 燃氣比例閥作為恒溫式快速燃氣熱水器和燃氣采暖熱水爐的關(guān)鍵部件之一，對兩用爐的工作噪聲、燃燒效率、燃燒熱負荷等參數(shù)都有著重要的影響。這就要求比例閥的各項參數(shù)及性能必須得到有效的保證。我們根據(jù)廣州精鼎和杭州保登等比例閥生產(chǎn)廠家的需求，設(shè)計開發(fā)了一套比例閥性能檢測系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要采用西門子PLC為控制核心，軟件系統(tǒng)采用基于Windows核心的虛擬儀器技術(shù)。使用情況表明，該系統(tǒng)為比例閥各項重要性能的檢測、分析提供了保障，對產(chǎn)品性能和品質(zhì)的控制起到了重要作用。

關(guān)鍵詞 比例閥；檢測；多功能程控電源；性能檢測

 

1、引言

目前國內(nèi)使用的燃氣比例閥種類有：動永磁式燃氣比例閥、動線圈式燃氣比例閥、動鐵芯式燃氣比例閥等，不同種類的比例閥對電源類型的適應(yīng)性也不相同[1]。為了適應(yīng)不同類型的比例閥測試，我們專門設(shè)計了適應(yīng)多種波形輸出的程控電源。該測試系統(tǒng)可以對各種類型的比例閥進行穩(wěn)壓特性測試、比例特性測試。其中，穩(wěn)壓特性測試可以進行多個穩(wěn)壓點測試，每個穩(wěn)壓點可以采用定電流模式或者找電流模式；比例特性測試，可以在進行回差測試的同時檢測二次壓，為找電流測試的穩(wěn)壓特性測試做準備。雙工位交替的工作方式以及靈活的配置參數(shù)，讓該系統(tǒng)運行效率更高，能夠更好地適應(yīng)生產(chǎn)、品保、研發(fā)等不同崗位的多方面需求。

 

2、測試系統(tǒng)需求

通過和多個燃氣比例閥生產(chǎn)廠家溝通，獲取客戶在實際生產(chǎn)、設(shè)計、研發(fā)過程中的需求，進行系統(tǒng)的整理、分析。系統(tǒng)將燃氣比例閥性能測試劃分成兩個主要的部分：比例性能測試和穩(wěn)壓特性測試。

為了滿足生產(chǎn)、品保、研發(fā)等不同需求的應(yīng)用，我們將比例特性測試和穩(wěn)壓特性測試中的各參數(shù)進行細分。將兩個測試大項，細分成可選測試的小項目，不同的應(yīng)用場景下，用戶可以根據(jù)自己的需要進行選擇和設(shè)置。雙工位交替執(zhí)行、單工位循環(huán)執(zhí)行，兩種執(zhí)行方式可選既可以滿足生產(chǎn)節(jié)奏的需求，也可以滿足品保、研發(fā)對數(shù)據(jù)分析的需要。

 

3、測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件組成主要包括，程控電源、傳感器、執(zhí)行器件、PLC智能控制單元以及工控機。

在各項試驗中以工控機為核心，同時和PLC控制單元、程控電源進行數(shù)據(jù)交互；PLC采集端，采集各個傳感器的數(shù)據(jù)并通過串行通訊將數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機；PLC控制端，工控機發(fā)出控制命令，PLC通過協(xié)議解析控制信號，并對相應(yīng)的執(zhí)行器件實行有效的控制，實現(xiàn)相應(yīng)功能；電源采集端，程控電源通過串行通訊將電源目前的測試值及狀態(tài)實時反饋至工控機；電源控制端，工控機根據(jù)當(dāng)前各傳感器狀態(tài)及測試需求向程控電源發(fā)送控制命令，電源通過協(xié)議解析控制信號，執(zhí)行相應(yīng)功能。

 

4、測試系統(tǒng)電源設(shè)計

4.1 電源設(shè)計概述

我們根據(jù)燃氣熱水器比例閥行業(yè)要求，參照日本相關(guān)廠家的技術(shù)參數(shù)，結(jié)合國內(nèi)眾燃氣熱水器廠家和電子比例閥廠家的實際情況，設(shè)計制造了這款專用于電子比例閥測量的電源系統(tǒng)。

主機為恒流式電流源，相對于普通恒流源有以下幾個特點：

1）恒流精度高；

2）除了輸出直流外還輸出方波、正弦波疊加、全波等；

3）本機彩色觸摸屏控制；

4）可以通過串口，連接工控機進行精準測試；

5）體積小，重量輕，現(xiàn)場檢測。

本機分為主控部分、波形產(chǎn)生部分、恒流控制部分、通訊接口、人面界面和保護等幾個部分。

4.2 主控部分

 

主控部分主要采用ST公司的STM32F103系列的芯片。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核，系統(tǒng)時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，相當(dāng)于0.5mA/MHz。和8/16位設(shè)備相比，ARM Cortex-M3 32位RISC處理器提供了更高的代碼效率。STM32F103xx微控制器帶有一個嵌入式的ARM核，可以兼容所有的ARM工具和軟件，是32位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。

4.3 波形產(chǎn)生部分

采用高速16位AD，根據(jù)要求產(chǎn)生各種波形的基波，并經(jīng)過運算放大器進行精密放大，以達到推動后級恒流源的要求。其與主控芯片之間采用FPGA芯片進行電平轉(zhuǎn)換和連接，并采用高速磁隔離電路進行電氣隔離，以保證設(shè)備安全和準確度。

4.4 恒流控制部分

本機采用PWM專用芯片TL494制作開關(guān)型恒流電源。TL494包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于橋式單端正激雙管式，半、全橋式開關(guān)電源。TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，其振蕩頻率可以通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)。

輸出電容的脈沖其實是通過電容上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸壓器的時鐘信號為低電平時才會被通過，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。

控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，再一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間，約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地的時候，其最大輸出占空比為96%，而當(dāng)輸出端接參考電平的時候，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓，即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。

脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5V時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時間中下降為零。

兩個誤差放大器具有從vcc-0.3V到vcc-2.0V的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流中察覺的到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進行“或”運算，正是由于這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需要最小的輸出即能夠支配控制電路。

幾個繼電器是用于切換電流檔位的，運算放大器是對電流反饋進行放大并和輸入的基波信號進行差動，然后輸入到TL494的反饋端，從而保證本機輸出電流不隨負載變化而變化。TL494產(chǎn)生PWM信號，通過驅(qū)動變壓器，驅(qū)動MOS管對電流進行通斷控制，從而達到控制電流的目的。

4.5 通訊接口

 

本機有時需外接工控機進行精準測量，所以本機留有RS485接口用于通訊。考慮到通訊可靠和操作員的安全，本機通訊接口采用了光電隔離。通訊模塊電路布置如圖2。

4.6 人機界面

本機采用五寸彩色觸摸屏進行人機對話。該觸摸屏基于ASIC的HMI平臺架構(gòu)，歷經(jīng)十余年工業(yè)應(yīng)用考驗，質(zhì)量可靠；無操作系統(tǒng)，上電即運行，無系統(tǒng)冗余，運行速度始終如一；分辨率高，達到800ppi×480ppi；采用電阻式觸摸，在惡劣的工業(yè)環(huán)境下也能穩(wěn)定使用，不會產(chǎn)生錯誤動作。

4.7 系統(tǒng)保護

系統(tǒng)保護有過流保護，過載保護，過熱保護等。

 

5、測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 平臺概述

該測試系統(tǒng)軟件設(shè)計是在Windows系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)的，使用了大量的Windows開放接口，并和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了豐富的功能，增強了用戶體驗。它以ANSIC為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和測控專業(yè)工具有機結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)大大增加了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)、自動測量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)視系統(tǒng)提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

5.2 概要設(shè)計

本系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，按功能劃分測試模塊，按功能模塊分段設(shè)計、實現(xiàn)相應(yīng)功能。主要功能點包括比例特性測試功能、穩(wěn)壓特性測試功能、雙工位交替功能、產(chǎn)品信息管理功能、設(shè)備校準功能。各功能細述如下：

1）系統(tǒng)背景通訊及數(shù)據(jù)交互功能：實現(xiàn)PLC、工控機、程控電源間數(shù)據(jù)實時交互，數(shù)據(jù)資源在工控機集合、計算、顯示；

2）雙工位交替功能：系統(tǒng)根據(jù)選擇旋鈕的檔位，確定當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式，并在此模式的基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的比例特性測試和穩(wěn)壓特性測試。模式分為：單獨左工位、單獨右工位、左右工位交替。

3）產(chǎn)品信息管理功能：將產(chǎn)品各項參數(shù)輸入到參數(shù)設(shè)置界面中予以保存，可以通過新建產(chǎn)品庫的形式，保存多組產(chǎn)品的數(shù)據(jù)。在以后的測試過程中直接進行產(chǎn)品名稱選擇即可調(diào)用設(shè)定好的參數(shù)。

4）設(shè)備校準功能：該功能用于對設(shè)備中的傳感器進行校準和修正。

5）比例特性測試功能：用于測試燃氣比例閥的比例特性，同時為穩(wěn)壓特性找電流模式做準備。

6）穩(wěn)壓特性測試功能：用于測試燃氣比例閥的穩(wěn)壓性能。

5.3 詳細設(shè)計

1）背景通訊及數(shù)據(jù)交互功能

通過開辟獨立線程，在主進程外，實現(xiàn)固定時鐘頻率的數(shù)據(jù)刷新，同時建立工控機和PLC之間的通訊，從而獲取PLC采集的各項參數(shù)，以及向PLC發(fā)送執(zhí)行指令。建立工控機和程控電源之間的通訊，從而獲取電源的實時狀態(tài)和測試值，以及向程控電源發(fā)送指令，執(zhí)行相應(yīng)命令。

進程和單獨子線程之間執(zhí)行獨立數(shù)據(jù)共享。

2）雙工位交替功能

雙工位功能主要用于不同應(yīng)用場景的切換。在品?；蜓邪l(fā)部門使用時，基本以單工位循環(huán)執(zhí)行為主，且以數(shù)據(jù)分析和曲線分析為主要目的。

因此在這種情況下，通常會通過工位旋鈕鎖定在左工位或右工位單獨執(zhí)行。在生產(chǎn)線上，用于批量檢測時，更多的是講究效率。因此將工位旋鈕鎖定在雙工位運行檔，當(dāng)一個工位在檢測時，另一個工位進行工件安裝，能有效地縮短連續(xù)、批量檢測的時間，大大提高檢測效率。

在需要檢測兩種不同的閥時，可以兩個工位同時放上不同比例閥需要使用的夾具，這樣通過工位旋鈕的選擇，就可以直接選擇要檢測的類型、夾具等，也能提高日常使用中的效率。

3）產(chǎn)品管理功能

在架構(gòu)上使用產(chǎn)品庫管理方式。通過將所有參數(shù)分組保存，實現(xiàn)產(chǎn)品類型區(qū)分，當(dāng)參數(shù)設(shè)置完成后，保存為當(dāng)前的類型參數(shù)。當(dāng)產(chǎn)品更換時，無需修改或重復(fù)輸入?yún)?shù)，直接選擇調(diào)用產(chǎn)品庫中的數(shù)據(jù)即可。

4）設(shè)備校準功能

設(shè)備在使用了一段時間后，必然會出現(xiàn)傳感器的反饋值和實際值之間的偏差。因此在設(shè)備中，尤其對于燃氣比例閥這種對精度要求很高的器件檢測，更需要保證反饋值的準確性。

因此開發(fā)了針對線性和偏移的校準功能，該功能能夠?qū)Ξ?dāng)前燃氣比例閥檢測設(shè)備上所有的傳感器進行校準和修正，如圖3所示。

 

5）比例特性測試

根據(jù)用戶對比例特性檢測的需求，我們設(shè)計了比例特性測試相關(guān)的功能。借參數(shù)來說明設(shè)計流程，如圖4所示。

比例特性測試，在P1一次壓穩(wěn)定條件下，電流根據(jù)調(diào)節(jié)周期、調(diào)節(jié)步長參數(shù)先上升再下降，再上升。

在首次上升下降之間，于Imin+(Imax-Imin)×C處，取得產(chǎn)品的磁滯參數(shù)，與設(shè)定值比對判定是否合格。小于設(shè)定磁滯H值則合格，大于磁滯回差則不合格。

在二次上升時，電流上升至點火電流Q11處，同時測出此時點火回差二次壓的值，并與設(shè)定值做比對判定是否合格。小于設(shè)定值合格，反之不合格。

電源波形選擇：包括純直流、直流疊加交流、全波整流、直流脈沖。以此發(fā)送給程控電源信號，輸出不同的波形。

不合格后是否繼續(xù)測試：因為不同用戶的需求不同，有些用戶要求檢測不合格后，直接結(jié)束測試，而部分客戶需要在檢測不合格后繼續(xù)測試剩下的項目而不結(jié)束測試，因此在這里設(shè)計一個選擇項，供不同用戶選擇。選擇“是”，則在檢測到不合格后，會繼續(xù)檢測剩下的檢測項目；選擇“否”，則在檢測到不合格后，報警并結(jié)束測試。

6）穩(wěn)壓特性測試

穩(wěn)壓特性測試主要目的是測試燃氣比例閥在固定電流條件下，外界供氣壓力變化（P1一次壓變化）對性能的影響（測試比例閥是否能穩(wěn)住二次壓力P2）。

 

由于不同用戶對于測試穩(wěn)壓點的數(shù)量要求不同、給定電流值的方式不同、P1升壓后降壓起點不同等，考慮到適應(yīng)多類型用戶的需求，將這些可能發(fā)生變化的因素都設(shè)計成為參數(shù)供用戶配置。

是否定電流：如果選擇定電流測試，則使用事先設(shè)定好的參數(shù)進行穩(wěn)壓特性測試；如果選擇否，則在進行穩(wěn)壓特性測試時，電源輸出的電流采用在比例特性測試時（當(dāng)P2處于設(shè)定下限和上限之間時）采集到的電流值作為穩(wěn)壓特性測試的電流值。

以1#曲線為例，如果選擇定電流，則穩(wěn)壓特性測試時使用的電流值就是1#曲線電流這個參數(shù)；當(dāng)選擇否時，則在比例特性測試時，當(dāng)P2處于1#P2壓強下限和1#P2壓強上限，記錄下該點電流值，作為穩(wěn)壓特性測試時使用的電流值。

P1回程值：當(dāng)穩(wěn)壓特性測試完成P1升壓段后，從該點開始進入降壓段。

該系統(tǒng)設(shè)計可以最多一次性測試4個穩(wěn)壓點，也可以按需選擇。以1#曲線為例，如果勾選1#穩(wěn)壓特性曲線則執(zhí)行該參數(shù)設(shè)置的流程，反之直接跳過，不測試該穩(wěn)壓點。

 

6、結(jié)語

燃氣比例閥作為燃氣壁掛爐和恒溫式熱水器的重要配件，其質(zhì)量對于整機產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。為了能夠滿足行業(yè)內(nèi)不同用戶的多樣性需求，該系統(tǒng)從設(shè)計到完成經(jīng)歷了多次反復(fù)的更改、驗證，最終推出了一款能夠適應(yīng)行業(yè)內(nèi)大多數(shù)用戶需求的產(chǎn)品，同時可以兼顧不同用戶、不同部門的需求，實現(xiàn)了測試臺應(yīng)用多樣化的可能。

系統(tǒng)需求分析、設(shè)計研發(fā)、實驗驗證等都是系統(tǒng)開發(fā)實踐過程中不可或缺的部分。我們會在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)努力，多與行業(yè)內(nèi)的專家、客戶溝通，升級打造我們的產(chǎn)品，使其能以更好的性能、更高的穩(wěn)定性、更強的實用性呈現(xiàn)給我們的每一位用戶。

 

參考文獻

[1] 龐智勇, 姚占朋, 朱寧東. 驅(qū)動電源類型對動鐵芯式燃氣比例閥調(diào)節(jié)特性的影響[J].家用燃氣具,2012(2):39-43.