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、燃燒熱負荷等參數都有著重要的影響。這就要求比例閥的各項參數及性能必須得到有效的保證。我們根據廣州精鼎和杭州保登等比例閥生產廠家的需求，設計開發了一套比例閥性能檢測系統，硬件系統主要采用西門子PLC為控制核心，軟件系統采用基于Windows核心的虛擬儀器技術。使用情況表明，該系統為比例閥各項重要性能的檢測、分析提供了保障，對產品性能和品質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、燃燒熱負荷等參數都有著重要的影響。這就要求比例閥的各項參數及性能必須得到有效的保證。我們根據廣州精鼎和杭州保登等比例閥生產廠家的需求，設計開發了一套比例閥性能檢測系統，硬件系統主要采用西門子PLC為控制核心，軟件系統采用基于Windows核心的虛擬儀器技術。使用情況表明，該系統為比例閥各項重要性能的檢測、分析提供了保障，對產品性能和品質的控制起到了重要作用。

關鍵詞 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性也不相同[1]。為了適應不同類型的比例閥測試，我們專門設計了適應多種波形輸出的程控電源。該測試系統可以對各種類型的比例閥進行穩壓特性測試、比例特性測試。其中，穩壓特性測試可以進行多個穩壓點測試，每個穩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，讓該系統運行效率更高，能夠更好地適應生產、品保、研發等不同崗位的多方面需求。

 

2、測試系統需求

通過和多個燃氣比例閥生產廠家溝通，獲取客戶在實際生產、設計、研發過程中的需求，進行系統的整理、分析。系統將燃氣比例閥性能測試劃分成兩個主要的部分：比例性能測試和穩壓特性測試。

為了滿足生產、品保、研發等不同需求的應用，我們將比例特性測試和穩壓特性測試中的各參數進行細分。將兩個測試大項，細分成可選測試的小項目，不同的應用場景下，用戶可以根據自己的需要進行選擇和設置。雙工位交替執行、單工位循環執行，兩種執行方式可選既可以滿足生產節奏的需求，也可以滿足品保、研發對數據分析的需要。

 

3、測試系統硬件設計

本系統的硬件組成主要包括，程控電源、傳感器、執行器件、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、程控電源進行數據交互；PLC采集端，采集各個傳感器的數據并通過串行通訊將數據發送至工控機；PLC控制端，工控機發出控制命令，PLC通過協議解析控制信號，并對相應的執行器件實行有效的控制，實現相應功能；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實時反饋至工控機；電源控制端，工控機根據當前各傳感器狀態及測試需求向程控電源發送控制命令，電源通過協議解析控制信號，執行相應功能。

 

4、測試系統電源設計

4.1 電源設計概述

我們根據燃氣熱水器比例閥行業要求，參照日本相關廠家的技術參數，結合國內眾燃氣熱水器廠家和電子比例閥廠家的實際情況，設計制造了這款專用于電子比例閥測量的電源系統。

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，現場檢測。

本機分為主控部分、波形產生部分、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、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核，系統時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品，從閃存執行代碼，STM32功耗36mA，相當于0.5mA/MHz。和8/16位設備相比，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位產品用戶的最佳選擇。

4.3 波形產生部分

采用高速16位AD，根據要求產生各種波形的基波，并經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芯片進行電平轉換和連接，并采用高速磁隔離電路進行電氣隔離，以保證設備安全和準確度。

4.4 恒流控制部分

本機采用PWM專用芯片TL494制作開關型恒流電源。TL494包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于橋式單端正激雙管式，半、全橋式開關電源。TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調制電路，內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節。

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。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩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，一路送至死區時間比較器，再一路送往誤差放大器的輸入端。死區時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區時間，約等于鋸齒波周期的4%，當輸出端接地的時候，其最大輸出占空比為96%，而當輸出端接參考電平的時候，占空比為48%。當把死區時間控制輸入端接上固定的電壓，即能在輸出脈沖上產生附加的死區時間。

脈沖寬度調制比較器為誤差放大器調節輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5V時，輸出的脈沖寬度從被死區確定的最大導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，它與脈沖寬度調制器的反相輸入端進行“或”運算，正是由于這種電路結構，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產生PWM信號，通過驅動變壓器，驅動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，歷經十余年工業應用考驗，質量可靠；無操作系統，上電即運行，無系統冗余，運行速度始終如一；分辨率高，達到800ppi×480ppi；采用電阻式觸摸，在惡劣的工業環境下也能穩定使用，不會產生錯誤動作。

4.7 系統保護

系統保護有過流保護，過載保護，過熱保護等。

 

5、測試系統軟件設計

5.1 平臺概述

該測試系統軟件設計是在Windows系統環境下開發的，使用了大量的Windows開放接口，并和虛擬儀器技術相結合，實現了豐富的功能，增強了用戶體驗。它以ANSIC為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數據采集、分析和測控專業工具有機結合起來。它的集成化開發平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數大大增加了C語言的功能，為熟悉C語言的開發人員建立檢測系統、自動測量環境、數據采集系統、過程監視系統提供了一個理想的軟件開發環境。

5.2 概要設計

本系統根據用戶需求，按功能劃分測試模塊，按功能模塊分段設計、實現相應功能。主要功能點包括比例特性測試功能、穩壓特性測試功能、雙工位交替功能、產品信息管理功能、設備校準功能。各功能細述如下：

1）系統背景通訊及數據交互功能：實現PLC、工控機、程控電源間數據實時交互，數據資源在工控機集合、計算、顯示；

2）雙工位交替功能：系統根據選擇旋鈕的檔位，確定當前系統的工作模式，并在此模式的基礎上進行相應的比例特性測試和穩壓特性測試。模式分為：單獨左工位、單獨右工位、左右工位交替。

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

4）設備校準功能：該功能用于對設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，同時為穩壓特性找電流模式做準備。

6）穩壓特性測試功能：用于測試燃氣比例閥的穩壓性能。

5.3 詳細設計

1）背景通訊及數據交互功能

通過開辟獨立線程，在主進程外，實現固定時鐘頻率的數據刷新，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，以及向PLC發送執行指令。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和測試值，以及向程控電源發送指令，執行相應命令。

進程和單獨子線程之間執行獨立數據共享。

2）雙工位交替功能

雙工位功能主要用于不同應用場景的切換。在品保或研發部門使用時，基本以單工位循環執行為主，且以數據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行。在生產線上，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、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）產品管理功能

在架構上使用產品庫管理方式。通過將所有參數分組保存，實現產品類型區分，當參數設置完成后，保存為當前的類型參數。當產品更換時，無需修改或重復輸入參數，直接選擇調用產品庫中的數據即可。

4）設備校準功能

設備在使用了一段時間后，必然會出現傳感器的反饋值和實際值之間的偏差。因此在設備中，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。

因此開發了針對線性和偏移的校準功能，該功能能夠對當前燃氣比例閥檢測設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

根據用戶對比例特性檢測的需求，我們設計了比例特性測試相關的功能。借參數來說明設計流程，如圖4所示。

比例特性測試，在P1一次壓穩定條件下，電流根據調節周期、調節步長參數先上升再下降，再上升。

在首次上升下降之間，于Imin+(Imax-Imin)×C處，取得產品的磁滯參數，與設定值比對判定是否合格。小于設定磁滯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，并與設定值做比對判定是否合格。小于設定值合格，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。以此發送給程控電源信號，輸出不同的波形。

不合格后是否繼續測試：因為不同用戶的需求不同，有些用戶要求檢測不合格后，直接結束測試，而部分客戶需要在檢測不合格后繼續測試剩下的項目而不結束測試，因此在這里設計一個選擇項，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，報警并結束測試。

6）穩壓特性測試

穩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住二次壓力P2）。

 

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

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

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

P1回程值：當穩壓特性測試完成P1升壓段后，從該點開始進入降壓段。

該系統設計可以最多一次性測試4個穩壓點，也可以按需選擇。以1#曲線為例，如果勾選1#穩壓特性曲線則執行該參數設置的流程，反之直接跳過，不測試該穩壓點。

 

6、結語

燃氣比例閥作為燃氣壁掛爐和恒溫式熱水器的重要配件，其質量對于整機產品的質量至關重要。為了能夠滿足行業內不同用戶的多樣性需求，該系統從設計到完成經歷了多次反復的更改、驗證，最終推出了一款能夠適應行業內大多數用戶需求的產品，同時可以兼顧不同用戶、不同部門的需求，實現了測試臺應用多樣化的可能。

系統需求分析、設計研發、實驗驗證等都是系統開發實踐過程中不可或缺的部分。我們會在此基礎上，繼續努力，多與行業內的專家、客戶溝通，升級打造我們的產品，使其能以更好的性能、更高的穩定性、更強的實用性呈現給我們的每一位用戶。

 

參考文獻

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