基于綜合設計法的電磁閥檢測系統
摘 要：從電磁閥檢測系統的廣義質量出發，基于綜合設計法對系統進行了優化設計。對系統進行了功能優化設計；針對系統的可靠性和壽命進行了動態優化設計；系統壓力控制部分采用智能控制策略進行了智能優化設計；基于LabVIEW和AMESim對系統的工作過程和控制過程進行了可視優化設計。通過實踐證明了系統具有響應快，精度高，運行平穩等優點。
關鍵詞：綜合設計法；電磁閥；智能檢測系統；廣義質量
中圖分類號：TH 165
Testing System of Solenoid Valve Based on Synthesis Design Method
Jiang Yang Liu Hongyi
Northeastern University，Shenyang，110004
Abstract: In order to improve generalized mass of solenoid valve testing system, the optimization design of the system was carried based on synthesis design method. The function optimization design to the system were carried on; and dynamic optimization design was done in view of the reliability and life; and intellectualization optimization design to the pressure control of system was carried on using intelligent control strategy; and visualization optimization design to the work process and controlled process of system was carried by applying LabVIEW and AMESim. The system has been proved to be fast response, high precision and good stability.
Key words: integrated design method; solenoid valve; testing system; generalized mass
0 引言
現代(dai)機(ji)械綜合(he)設(she)計(ji)法是一種面(mian)向產品(pin)廣義質量(liang)，以顧客需(xu)求為(wei)(wei)驅動，以獲(huo)得優(you)良(liang)功能與性能為(wei)(wei)目標(biao)，以現代(dai)機(ji)械設(she)計(ji)等(deng)多學科(ke)(ke)為(wei)(wei)基礎，以產品(pin)功能優(you)化(hua)設(she)計(ji)、動態優(you)化(hua)設(she)計(ji)、智能優(you)化(hua)設(she)計(ji)、可視優(you)化(hua)設(she)計(ji)為(wei)(wei)手段的(de)一種多學科(ke)(ke)融(rong)合(he)交叉的(de)全功能和(he)全性能優(you)化(hua)的(de)設(she)計(ji)理(li)論(lun)與方法。[1-3]
本(ben)電磁閥檢測系(xi)統屬于典型的(de)機電液一(yi)體(ti)化(hua)系(xi)統，具有多介質、管路復雜、強耦合、非線性(xing)時變等特點，因此在設計上(shang)應綜合考慮(lv)系(xi)統功能實現與(yu)其性(xing)能的(de)完善。
1 系統(tong)功能優化設計
本系(xi)統是充分結(jie)合(he)某廠電磁閥(fa)實際(ji)情況對其(qi)原有(you)實驗臺架進行優化設計的。其(qi)主要(yao)功(gong)能(neng)是按(an)要(yao)求(qiu)來完成電磁閥(fa)產品的各項性能(neng)檢(jian)測實驗，其(qi)中實驗臺架部(bu)分是(shi)整(zheng)個檢測系統的基礎，其(qi)整(zheng)體結構(gou)如圖1所示。
1.進水管(guan)；2.支路(lu)開關閥3.進油閥；4.夾緊油缸；5.左夾具頭；6.被測電磁閥(fa)；7.臺架；8.右夾具頭；9.流量傳(chuan)感器；10.電動調節閥；11.出水管(guan)；12.升降機構(gou)；13.回油(you)閥；14.滑(hua)道
圖(tu)1系(xi)統實驗(yan)臺(tai)架(jia)結構示意圖
改進后的臺架(jia)包括(kuo)升降機構(gou)和(he)夾緊機構(gou)兩個主(zhu)要部分及一些輔助機構(gou)，可(ke)(ke)以自(zi)動控制被測電(dian)磁閥產品在水(shui)平(ping)和(he)豎直方向的自(zi)由移動，并同時可(ke)(ke)以完(wan)成夾緊工作，提高(gao)了整個系統的自(zi)動化水(shui)平(ping)。
2系統動態優化設(she)計
本系(xi)統(tong)(tong)動(dong)態優化設計主要是針對(dui)其可(ke)靠性和壽命來進行的。由于系(xi)統(tong)(tong)中(zhong)元器件(jian)較(jiao)多，管路(lu)復雜(za)，系(xi)統(tong)(tong)任何部位出現問題(ti)，都會導致(zhi)實驗無(wu)法進行，為保證管路(lu)中(zhong)各開關閥能夠可(ke)靠開閉以及管路(lu)無(wu)泄漏(lou)，需要對(dui)系(xi)統(tong)(tong)進行定期自檢，其具體流程(cheng)如圖2所示(shi)。
圖2系統自檢實(shi)驗流程圖
對(dui)于系統各閥按(an)照介(jie)質(zhi)流動順序進行檢(jian)測(ce)(ce)，在檢(jian)測(ce)(ce)過程中根據壓(ya)力值不(bu)同對(dui)各閥采用分(fen)級檢(jian)測(ce)(ce)的方(fang)案(an)，這種(zhong)“由前到后，由大到小”的檢(jian)測(ce)(ce)方(fang)法在保證了測(ce)(ce)試精度的同時獲得了較大的測(ce)(ce)試量程，更科學合(he)理。
通過定期(qi)進行系(xi)統自檢實驗(yan)，可以保證系(xi)統的(de)工作穩定性，同(tong)時延(yan)長系(xi)統的(de)使用(yong)壽命(ming)，節省成本。
3 系統(tong)智能優化設(she)計
本系(xi)統的主要功(gong)能(neng)是(shi)實現(xian)(xian)電磁(ci)閥(fa)產品(pin)的自(zi)動檢(jian)測，為(wei)實現(xian)(xian)檢(jian)測功(gong)能(neng)的同時(shi)保證實驗過程的自(zi)動控制(zhi)，對其控制(zhi)設計分為(wei)兩部(bu)分：一部(bu)分是(shi)PLC順序控制，保證開(kai)關閥等元(yuan)器件(jian)的自動(dong)開(kai)閉；一(yi)部分(fen)是變頻器、蓄能器及電動(dong)調節閥等元(yuan)器件(jian)對系統壓力進行的智能控制，來保證實驗結論的準確性。
采用OMRON的CJ1M型PLC完(wan)成(cheng)對整個系(xi)統(tong)的(de)順序控(kong)(kong)制(zhi)，包含了(le)電(dian)磁閥檢測系(xi)統(tong)的(de)全部開(kai)關量和(he)模擬量，用于系(xi)統(tong)的(de)自動控(kong)(kong)制(zhi)；而壓力控(kong)(kong)制(zhi)作為(wei)本檢測系(xi)統(tong)的(de)一項關鍵技術，其(qi)控(kong)(kong)制(zhi)原(yuan)理如圖3所示(shi)。
圖3 檢測系統壓力控制圖(tu)
其(qi)控(kong)制過程為(wei)：安裝在實驗臺(tai)上的壓力傳感器(qi)實時的檢測(ce)壓力，經采集卡輸送到工(gong)控(kong)機；工(gong)控(kong)機根(gen)據預先確(que)定的智(zhi)能控(kong)制策略對(dui)數據進行處理，并(bing)將處理的結果(guo)通過OPC通訊傳送(song)給PLC；PLC對傳送過(guo)(guo)來的信(xin)號(hao)進(jin)(jin)行(xing)解讀(du)之后會把對應的控(kong)制信(xin)號(hao)發送給液壓(ya)泵(beng)和電動調(diao)節閥以及各個開關閥。本系(xi)統對目標(biao)壓(ya)力值進(jin)(jin)行(xing)了精確(que)控(kong)制，從而保證(zheng)了整個檢(jian)測(ce)過(guo)(guo)程快(kuai)速、準確(que)、平穩進(jin)(jin)行(xing)。
4 系(xi)統可視(shi)優化設計
本系統可(ke)視優化設計(ji)主要用于完(wan)成其工作過(guo)(guo)程和(he)控制過(guo)(guo)程的優化設計(ji)。
4.1 系統工作過程可視優化(hua)設計
給操(cao)(cao)作(zuo)者(zhe)提供便利、多信(xin)息的操(cao)(cao)作(zuo)界(jie)面對(dui)于本系統來說是十分(fen)重要，因此(ci)系統操(cao)(cao)作(zuo)界(jie)面在實驗過程中應直接與操(cao)(cao)作(zuo)者(zhe)接觸，并向(xiang)操(cao)(cao)作(zuo)者(zhe)反映實驗中的必要信(xin)息。本系統應用LabVIEW對系統操(cao)作界面進行設計，如(ru)圖4所示(shi)。[4-5]
圖(tu) 4 系統操作界面
界(jie)面主要包(bao)括(kuo)三(san)個實驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)區(qu)(qu)：自(zi)檢(jian)實驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)區(qu)(qu)、出廠實驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)區(qu)(qu)、新產品(pin)開(kai)發參(can)數測量實驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)區(qu)(qu)，每個實驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)對應著各自(zi)的(de)實驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)結論，及時向(xiang)操作(zuo)者(zhe)提供實驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)結論，便于對被測閥及時采取相應的(de)措施。本界(jie)面還(huan)包(bao)括(kuo)“設置(zhi)參(can)數”、“打印(yin)”、“報(bao)警”等功(gong)能，更(geng)利于操作(zuo)者(zhe)操作(zuo)，也(ye)更(geng)人性化。
4.2 系統(tong)控制過程(cheng)可視(shi)優(you)化設計
采用(yong)AMESim液壓(ya)仿真軟(ruan)件(jian)對(dui)(dui)系(xi)統(tong)進行(xing)建(jian)模(mo)仿真，并對(dui)(dui)管路中的(de)壓(ya)力(li)(li)和(he)流量進行(xing)分(fen)析(xi)，觀察實驗(yan)過程中壓(ya)力(li)(li)隨(sui)時間的(de)變化情況，對(dui)(dui)系(xi)統(tong)進行(xing)整體分(fen)析(xi)和(he)評估，從而達(da)到(dao)優化系(xi)統(tong)、縮(suo)短設計周(zhou)期的(de)目(mu)的(de)。[6-7]
對電磁(ci)閥(fa)動作(zuo)實驗過程中的壓力和流量進行建模(mo)仿真(zhen)、分析，首先設置仿真(zhen)時(shi)間為(wei)25s，采(cai)樣(yang)周期為0.01s，要求被測閥在2.5MPa的壓(ya)力下進行實驗。開環系(xi)統模型如圖5所示，仿真后，得出(chu)被(bei)測(ce)閥的流量和壓力變化曲線分別如圖6和7所示。
圖(tu)5 AMESim建立的開環系統模型
圖(tu)6 被測閥流量變化曲線
圖(tu)7 被測閥壓力變(bian)化曲線
1—被測(ce)閥前(qian)的壓力曲線；2—被(bei)測(ce)閥后的壓力曲線
從圖(tu)6和(he)7中(zhong)可(ke)以看出，在(zai)動作實驗(yan)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，首先是管路通介質排空氣過(guo)(guo)程(cheng)，此時系統流量和壓力(li)值逐(zhu)漸(jian)穩定；然(ran)后(hou)關(guan)閉被測閥(fa)，通過(guo)(guo)泵進行沖壓；當被測閥(fa)前壓力(li)達到設定值2.5MPa時，打開被測(ce)閥，隨著介質(zhi)流(liu)過(guo)被測(ce)閥，閥前壓力(li)逐(zhu)漸減小，同(tong)時流(liu)量值(zhi)減小為0，完成(cheng)一次(ci)動(dong)作實驗。
需要穩壓(ya)和壓(ya)力精確控制的實(shi)驗，必須建立閉環(huan)模型。以密封(feng)實(shi)驗為例，建立系統閉環(huan)模型如圖8所示(shi)。經過仿真，得出實驗過程(cheng)中(zhong)的壓(ya)力(li)和流(liu)量變化曲線分別如(ru)圖(tu)9和10所示(shi)。
圖8 閉環系統模型
圖9 被測閥壓力變化曲線(xian)
1—被測閥(fa)前的壓力(li)曲線(xian)；2—被測閥后的壓力曲線 
圖10 被測閥流量(liang)變化曲(qu)線
從圖(tu)9中(zhong)可以(yi)看(kan)到(dao)實(shi)驗壓力(li)經歷了三個(ge)階段的變化：
（1）上升階段
本階(jie)段是管(guan)路充滿介質(zhi)及壓力(li)上升的過(guo)程，將(jiang)采集壓力(li)與給(gei)定(ding)壓力(li)比(bi)較，將(jiang)差值(zhi)比(bi)例放大(da)后驅動電動機，改變泵輸出，使壓力(li)最(zui)后達到2.5MPa。
（2）穩定階段
本階段壓力穩(wen)在2.5MPa大約1min，這(zhe)是(shi)密封實驗的關鍵階段，系統等待現場操作(zuo)人員的返回信號。
（3）下(xia)降階段(duan)
實驗(yan)完畢，打開被測(ce)電磁閥，放水(shui)，壓力為0時(shi)即可卸閥(fa)。
可(ke)見，可(ke)視優(you)化仿(fang)真過程中的壓力和流(liu)量的變化情況與實際十分相(xiang)似，基本上對于(yu)實驗過程進(jin)行了(le)很好的模擬，而(er)且檢測速度(du)快，精度(du)高。通過仿(fang)真可(ke)以(yi)避免編程過程中錯誤的發生(sheng)，使系(xi)統更完善、更快速。
5結論
本文采用綜合設(she)計(ji)(ji)法從功能(neng)優化(hua)設(she)計(ji)(ji)、動(dong)態優化(hua)設(she)計(ji)(ji)、智(zhi)能(neng)優化(hua)設(she)計(ji)(ji)和可視優化(hua)設(she)計(ji)(ji)幾方面設(she)計(ji)(ji)了(le)一(yi)套自動(dong)化(hua)程度高、性(xing)能(neng)好、實(shi)用性(xing)強、節(jie)能(neng)環保、擴展性(xing)好的電磁閥檢測系(xi)統。該系(xi)統改變了(le)原有實(shi)驗設(she)備(bei)手動(dong)檢測效率(lv)低、測量不準確等缺點(dian)，為企業帶來了(le)顯著的經濟效益且具(ju)有廣泛的應用空(kong)間(jian)。
