郝振興,岳哲,楊瑞,王基月,朱永剛,趙豪杰

(1.鄭州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南鄭州 450064; 2.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院,河南焦作 454003)

0 前言

在航空、航天、汽車及航海等領(lǐng)域，需求高性能的電磁閥，尤其在飛機(jī)、航天器之中，電磁閥的作用至關(guān)重要。電磁閥的優(yōu)劣將直接影響航空航天設(shè)備的正常運(yùn)行，若其性能較差，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，在航空、航天、航海等領(lǐng)域，對(duì)電磁閥進(jìn)行綜合測(cè)試具有重要的意義。國內(nèi)常規(guī)的電磁閥特性測(cè)控系統(tǒng)精度低、效率低、負(fù)荷強(qiáng)度大，而國外的電磁閥檢測(cè)儀器比較先進(jìn)，能夠完成對(duì)電磁閥高效率、高精度的智能測(cè)試，但是國外的檢測(cè)儀器后期維護(hù)困難、供應(yīng)周期長且價(jià)格較貴。因此，設(shè)計(jì)高智能化、高效率及國產(chǎn)化的電磁閥特性測(cè)控系統(tǒng)迫在眉睫。

為解決上述問題，本文作者利用LabVIEW軟件、工控機(jī)和多功能數(shù)據(jù)采集板卡等元器件設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)，提高其智能化水平，同時(shí)也提高實(shí)驗(yàn)員的工作效率。該系統(tǒng)具備閥門流阻、響應(yīng)時(shí)間及脈沖測(cè)試試驗(yàn)等功能。采用LabVIEW軟件編寫算法程序，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間的精準(zhǔn)檢測(cè)和用于閥門脈沖控制的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)波等，該系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作方便。

1 電磁閥液路系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及主要技術(shù)參數(shù)要求

根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)電磁閥液路試驗(yàn)系統(tǒng)，其原理如圖1所示。其工作原理：在確認(rèn)制水量符合試驗(yàn)要求后，打開水泵電機(jī)組(水泵電機(jī)組采用ABB ACS510 變頻器進(jìn)行控制)，調(diào)節(jié)溢流閥使被試件進(jìn)口壓力符合試驗(yàn)要求；然后，打開針閥2.1使流體流經(jīng)被試件電磁閥，調(diào)節(jié)電磁閥出口處的微型手動(dòng)針閥2.2的開度，以達(dá)到試驗(yàn)所需的流量，即可通過測(cè)控系統(tǒng)對(duì)被試件電磁閥進(jìn)行流阻測(cè)試、流量監(jiān)測(cè)、響應(yīng)時(shí)間測(cè)量以及脈沖試驗(yàn)等。其液壓源實(shí)物如圖2所示。電磁閥液路試驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)要求：

圖1 電磁閥液路試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 液壓源實(shí)物

(1)被試件入口壓力為0～7 MPa；

(2)被試件流阻由被試件前壓減后壓得出；

(3)試驗(yàn)介質(zhì)為去離子純凈水；

(4)流量為0～8.33 g/s(30 kg/h)；

(5)設(shè)備中所有可能接觸介質(zhì)的零部件均應(yīng)具備良好的防銹蝕能力；所有可能接觸介質(zhì)的零部件以304不銹鋼為主。

2 電磁閥測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)硬件由供配電模塊、數(shù)據(jù)采集與控制模塊及輔助電路組成。數(shù)據(jù)采集與控制模塊中的測(cè)控軟件作為人機(jī)交互界面，操作者通過測(cè)控軟件監(jiān)控整個(gè)試驗(yàn)流程。測(cè)控系統(tǒng)組成及原理如圖3所示。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)組成及原理

(1)供配電模塊。供配電模塊是為液路試驗(yàn)系統(tǒng)提供所需的各種安全、可靠、穩(wěn)定純凈的電源，包括PXI機(jī)箱所需的220 V交流電源、傳感器所需的DC24 V直流電源、被試件(電磁閥)所需的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，供配電模塊配有各種過載及短路保護(hù)裝置，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；

(2)數(shù)據(jù)采集與控制模塊。數(shù)據(jù)采集與控制模塊選用PXI-9108型工業(yè)機(jī)箱、PXI-3364總線多功能數(shù)據(jù)采集板卡及PXI-3305數(shù)字量I/O板卡作為設(shè)備控制的核心。與機(jī)箱配備的有PXI-3050控制器，該控制器的顯示及計(jì)算等性能優(yōu)良，能夠很好地滿足測(cè)控系統(tǒng)的需要。PXI-3364板卡是一款基于PXI總線的高精度測(cè)量及大容量存儲(chǔ)產(chǎn)品，PXI總線可滿足同步與數(shù)據(jù)采集的要求，其核心為一片18位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，單通道最高可達(dá)1.25 MS/s的采樣速率，完全能夠滿足試驗(yàn)對(duì)高速數(shù)據(jù)采集的要求。PXI-3305屬于一種數(shù)字量采集控制板卡，DO(數(shù)字輸出)通道的最大輸出頻率為10 kHz,完全能滿足對(duì)被試件閥門進(jìn)行邏輯時(shí)序控制的要求。系統(tǒng)中的壓力信號(hào)、流量信號(hào)、電磁閥電流信號(hào)等通過多功能數(shù)據(jù)采集板卡的AI(模擬量輸入)端口進(jìn)行采集處理并在上位機(jī)的軟件中顯示，然后根據(jù)測(cè)控軟件中預(yù)置的邏輯控制要求，由PXI數(shù)字量I/O卡的DO(數(shù)字量輸出)端口控制電磁閥的動(dòng)作，從而完成整個(gè)試驗(yàn)。工控機(jī)含USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口、串口等，可進(jìn)行遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)；

(3)輔助電路。測(cè)控系統(tǒng)輔助電路包含開關(guān)、控制線路盒、接插件等，主要用于對(duì)相關(guān)元器件的操作、信號(hào)調(diào)理等輔助工作。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

選用NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)、圖形化語言LabVIEW作為該測(cè)控軟件的編寫語言。

LabVIEW可應(yīng)用于Windows操作系統(tǒng)的PC平臺(tái)及基于IOS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的PC平臺(tái)，提供的控件和真實(shí)的元器件外觀十分逼真，并且還支持控件的個(gè)人自制，使人機(jī)界面創(chuàng)建更加方便。LabVIEW內(nèi)部含有一整套函數(shù)庫，可用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)等，使軟件開發(fā)者的編程時(shí)間明顯減少。在制作測(cè)試報(bào)告和數(shù)據(jù)報(bào)表方面，軟件開發(fā)者可通過LabVIEW平臺(tái)自由定制報(bào)告和報(bào)表的樣式，且可將它生成doc、txt、xls等格式進(jìn)行保存，以方便用戶后續(xù)調(diào)用。測(cè)控軟件選用LabVIEW，具有開發(fā)速度快、界面形象直觀、功能多等特點(diǎn)。

軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

(1)測(cè)控軟件可以形象直觀地顯示系統(tǒng)各部分壓力值、流量值、電磁閥電流值或壓力-時(shí)間曲線、流量-時(shí)間曲線、電流-時(shí)間曲線，實(shí)時(shí)對(duì)試驗(yàn)過程中電磁閥的工作狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控；

(2)能夠?qū)﹄姶砰y的響應(yīng)時(shí)間、流阻進(jìn)行測(cè)試；

(3)可對(duì)電磁閥進(jìn)行脈沖試驗(yàn)；

(4)存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

測(cè)控系統(tǒng)軟件界面如圖4所示，閥門脈沖控制程序框圖如圖5所示，游標(biāo)自動(dòng)測(cè)量程序如圖6所示。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)軟件界面

圖5 閥門脈沖控制程序

圖6 游標(biāo)自動(dòng)測(cè)量程序

3 設(shè)計(jì)中需注意的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

(1)被試件電磁閥出口處調(diào)節(jié)流量的針閥須選用高性能、高穩(wěn)定性的針閥，此設(shè)計(jì)中選用進(jìn)口針閥，該針閥可以相對(duì)較快地調(diào)至試驗(yàn)所需的流量。因?yàn)樵囼?yàn)所需流量很小(最大流量不超過8 g/s)，性能差的針閥不容易調(diào)至所需流量，所以針閥的優(yōu)劣會(huì)大大影響試驗(yàn)效率；

(2)兩個(gè)壓力變送器的布局須距被試件電磁閥越近越好，這樣測(cè)得的流阻、關(guān)響應(yīng)時(shí)間及脈沖更精確；

(3)壓力變送器的選型也很關(guān)鍵，須選用高頻動(dòng)態(tài)壓力變送器(流體壓力變化頻率比較快)，此次設(shè)計(jì)中選用的壓力變送器為20 kHz的高頻動(dòng)態(tài)壓力變送器；

(4)各接地點(diǎn)需良好接地，傳感器信號(hào)線采取差分接法以獲得更好的抗干擾性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,差分接法不易受外界其他信號(hào)的干擾；

(5)多次對(duì)高速數(shù)據(jù)采集(50 000 Hz采樣頻率)等算法進(jìn)行優(yōu)化，該算法在一定程度上大大提高了試驗(yàn)效率。

4 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

將被試件電磁閥安裝在液路系統(tǒng)的工裝上，并對(duì)它進(jìn)行性能檢測(cè)試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)滿足使用技術(shù)要求，并能準(zhǔn)確地測(cè)試閥門的流阻、響應(yīng)時(shí)間、壓力脈沖以及對(duì)被試件電磁閥的時(shí)序控制等。將閥門入口壓力及出口流量調(diào)至試驗(yàn)所需值，然后動(dòng)作電磁閥測(cè)得相應(yīng)工況下流阻值為1.005 MPa，滿足其對(duì)應(yīng)工況下的不小于規(guī)定值0.4 MPa的技術(shù)要求，其對(duì)應(yīng)流阻試驗(yàn)曲線如圖7所示。

圖7 閥門流阻曲線

采用電流曲線法測(cè)得電磁閥在受載時(shí)的開響應(yīng)時(shí)間為1.12 ms，采用電流曲線和出口壓力曲線聯(lián)合的方法測(cè)得關(guān)響應(yīng)時(shí)間為1.88 ms(由于被試件電磁閥前安有節(jié)能控制線路盒，電磁閥在斷電時(shí)電流曲線無拐點(diǎn))，響應(yīng)時(shí)間滿足不大于規(guī)定值3 ms的技術(shù)要求。圖8、圖9所示為其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線。

圖8 開響應(yīng)時(shí)間

圖9 關(guān)響應(yīng)時(shí)間

將流體介質(zhì)的壓力、流量調(diào)至試驗(yàn)所需值，然后對(duì)電磁閥進(jìn)行低至毫秒級(jí)的時(shí)序邏輯控制，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得被試電磁閥在進(jìn)行毫秒級(jí)的動(dòng)作時(shí)進(jìn)出口都有壓力脈沖輸出，滿足3 ms出口有壓力脈沖的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，并且無脈沖丟失。其對(duì)應(yīng)脈沖曲線如圖10所示。

圖10 脈沖曲線

5 結(jié)論

本文作者主要介紹了電磁閥特性測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用G語言LabVIEW作為測(cè)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁閥的流阻、毫秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間及脈沖等的檢測(cè)和控制。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)很好地滿足了使用技術(shù)要求，尤其在響應(yīng)時(shí)間及脈沖的檢測(cè)方面，響應(yīng)時(shí)間小于3 ms的電磁閥能被快速高效地檢測(cè)出來，并且在電磁閥進(jìn)行毫秒級(jí)邏輯時(shí)序動(dòng)作時(shí)無脈沖丟失，滿足3 ms出口有壓力脈沖的技術(shù)指標(biāo)。該測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在一定程度上提高了國產(chǎn)電磁閥特性測(cè)控系統(tǒng)的智能化水平，同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)員的工作效率。