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(yin)言(yan)
現代(dai)機(ji)(ji)械綜(zong)合設(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)法是(shi)一種面向產(chan)品(pin)廣義(yi)質量，以顧客需(xu)求為(wei)驅(qu)動，以獲得優(you)(you)(you)良(liang)功(gong)能(neng)與性能(neng)為(wei)目標，以現代(dai)機(ji)(ji)械設(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)等多學科(ke)為(wei)基礎，以產(chan)品(pin)功(gong)能(neng)優(you)(you)(you)化(hua)設(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)、動態優(you)(you)(you)化(hua)設(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)、智能(neng)優(you)(you)(you)化(hua)設(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)、可視(shi)優(you)(you)(you)化(hua)設(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)為(wei)手段的(de)一種多學科(ke)融合交(jiao)叉的(de)全功(gong)能(neng)和全性能(neng)優(you)(you)(you)化(hua)的(de)設(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)理論與方(fang)法。[1-3]
本電(dian)磁(ci)閥檢測系統屬于典型的(de)機電(dian)液一(yi)體化(hua)系統，具有多介質、管路(lu)復雜、強耦合、非(fei)線(xian)性時變等特點(dian)，因此在設(she)計上應綜合考慮(lv)系統功能實現與(yu)其性能的(de)完(wan)善。
1 系統功能優化設計
本系統(tong)是充(chong)分結合某廠電磁閥(fa)實際情況對(dui)其原有實驗臺架(jia)進行優化設計的。其主要功能是(shi)按要求來完成電磁閥(fa)產品的各項性(xing)能檢測實驗，其(qi)中實驗臺(tai)架部分(fen)是整個檢測(ce)系(xi)統的基礎，其(qi)整體結(jie)構如圖1所示(shi)。
1.進水(shui)管(guan)；2.支路開關閥3.進油閥；4.夾緊油缸；5.左夾(jia)具頭；6.被測電(dian)磁閥；7.臺架；8.右夾具頭；9.流量傳感(gan)器；10.電動調(diao)節閥；11.出水管；12.升降機(ji)構(gou)；13.回(hui)油閥；14.滑道
圖1系統(tong)實驗臺架結構示意圖
改進后的臺架(jia)包括升降機(ji)(ji)構和(he)夾緊機(ji)(ji)構兩個(ge)主(zhu)要部分(fen)及一些輔(fu)助機(ji)(ji)構，可(ke)(ke)以自動(dong)控(kong)制(zhi)被(bei)測(ce)電磁閥產品(pin)在水(shui)平和(he)豎直方向的(de)自由移(yi)動(dong)，并(bing)同時可(ke)(ke)以完成夾緊工作(zuo)，提高了整個(ge)系統的(de)自動(dong)化(hua)水(shui)平。
2系統(tong)動態(tai)優化設計
本系(xi)(xi)統動態優化設計主要是針(zhen)對其可靠性(xing)和壽(shou)命來(lai)進(jin)行的。由(you)于系(xi)(xi)統中(zhong)(zhong)元器件較(jiao)多，管(guan)路復雜，系(xi)(xi)統任何部位出現(xian)問(wen)題，都會導致實驗無法(fa)進(jin)行，為保證管(guan)路中(zhong)(zhong)各開關閥(fa)能夠可靠開閉以及管(guan)路無泄漏，需(xu)要對系(xi)(xi)統進(jin)行定期自(zi)檢，其具體流程如圖2所示。
圖2系統自檢實驗(yan)流程圖
對(dui)于系(xi)統(tong)各閥(fa)按(an)照介質(zhi)流動順序進行檢(jian)(jian)測(ce)，在(zai)檢(jian)(jian)測(ce)過程中(zhong)根據壓力(li)值不同對(dui)各閥(fa)采用分(fen)級檢(jian)(jian)測(ce)的(de)方(fang)案，這(zhe)種(zhong)“由前到(dao)后，由大到(dao)小”的(de)檢(jian)(jian)測(ce)方(fang)法在(zai)保證了(le)測(ce)試精(jing)度的(de)同時獲(huo)得了(le)較大的(de)測(ce)試量程，更科學合理。
通過定期進行系(xi)統(tong)(tong)自檢實(shi)驗，可以保證(zheng)系(xi)統(tong)(tong)的工作(zuo)穩定性(xing)，同時延長系(xi)統(tong)(tong)的使用壽命，節省成本。
3 系統智能優化設(she)計
本系統的主要(yao)功(gong)能是(shi)實現(xian)(xian)電(dian)磁閥產(chan)品(pin)的自動(dong)檢測，為實現(xian)(xian)檢測功(gong)能的同(tong)時保證(zheng)實驗過(guo)程的自動(dong)控(kong)制，對(dui)其控(kong)制設計分(fen)為兩部分(fen)：一部分(fen)是(shi)PLC順(shun)序控(kong)制(zhi)，保證開關閥等(deng)元(yuan)器(qi)件(jian)的自動開閉(bi)；一(yi)部分是變(bian)頻器(qi)、蓄能器(qi)及電動調節閥等(deng)元(yuan)器(qi)件(jian)對(dui)系統壓(ya)力進行(xing)的智能控(kong)制(zhi)，來保證實驗(yan)結論的準確性。
采用(yong)OMRON的CJ1M型(xing)PLC完成(cheng)對整個系(xi)統(tong)(tong)的(de)順序(xu)控(kong)制，包(bao)含了電磁(ci)閥檢測系(xi)統(tong)(tong)的(de)全部開關量和模擬量，用于系(xi)統(tong)(tong)的(de)自(zi)動控(kong)制；而壓力控(kong)制作(zuo)為本檢測系(xi)統(tong)(tong)的(de)一(yi)項關鍵技術，其控(kong)制原理如圖(tu)3所示。
圖3 檢測(ce)系統壓力控制圖
其控(kong)制過程為：安裝在(zai)實(shi)驗臺上的壓力(li)傳感器實(shi)時的檢測壓力(li)，經(jing)采集(ji)卡(ka)輸送到工(gong)控(kong)機；工(gong)控(kong)機根據預先確定的智(zhi)能控(kong)制策略對數據進行處理(li)，并將(jiang)處理(li)的結果通(tong)過OPC通訊傳(chuan)送給PLC；PLC對傳送(song)(song)過(guo)來的(de)信號進(jin)行解(jie)讀之后會把對應的(de)控制(zhi)信號發送(song)(song)給液壓泵和電動調節閥(fa)(fa)以及各(ge)個開關(guan)閥(fa)(fa)。本系統對目標壓力值進(jin)行了精確控制(zhi)，從而(er)保證了整(zheng)個檢測過(guo)程快速、準(zhun)確、平穩(wen)進(jin)行。
4 系(xi)統可(ke)視優化設計
本(ben)系統可視優化(hua)設計主要用于完成其(qi)工作過(guo)程和控制過(guo)程的優化(hua)設計。
4.1 系統工作過程可視優(you)化設計
給操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)者(zhe)提供便利、多(duo)信息(xi)的操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)界面(mian)對于本(ben)系(xi)統來說是十分重要，因此(ci)系(xi)統操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)界面(mian)在實驗(yan)過程中應(ying)直接(jie)與(yu)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)者(zhe)接(jie)觸，并向操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)者(zhe)反映(ying)實驗(yan)中的必要信息(xi)。本(ben)系(xi)統應(ying)用LabVIEW對系(xi)統(tong)操作界面進行設計，如圖4所示。[4-5]
圖(tu) 4 系統操作界面(mian)
界面主要包括三個實驗區：自檢(jian)實驗區、出廠實驗區、新(xin)產品開(kai)發參數(shu)測(ce)量實驗區，每個實驗對應(ying)著各自的(de)(de)實驗結論，及時(shi)向操(cao)作(zuo)者(zhe)提供實驗結論，便于(yu)對被測(ce)閥及時(shi)采取相應(ying)的(de)(de)措施。本界面還(huan)包括“設(she)置參數(shu)”、“打印”、“報警”等功能，更(geng)利(li)于(yu)操(cao)作(zuo)者(zhe)操(cao)作(zuo)，也更(geng)人性化。
4.2 系統控制過程可視優(you)化設計
采用AMESim液壓仿(fang)(fang)真軟件對系(xi)統進行建模仿(fang)(fang)真，并對管路中(zhong)的壓力(li)和流量進行分析，觀(guan)察實驗過程中(zhong)壓力(li)隨時間的變化情況(kuang)，對系(xi)統進行整體分析和評估，從(cong)而達到(dao)優化系(xi)統、縮短設(she)計周期的目的。[6-7]
對(dui)電磁閥動作實(shi)驗過(guo)程中的壓力(li)和流量進行建模仿(fang)真(zhen)(zhen)、分析，首(shou)先設(she)置仿(fang)真(zhen)(zhen)時間(jian)為25s，采樣周期為0.01s，要求(qiu)被(bei)測閥在(zai)2.5MPa的壓力下進行實驗。開環系統模(mo)型(xing)如圖5所(suo)示，仿(fang)真后，得出被測閥的流量和(he)壓力變化曲線分(fen)別如圖6和(he)7所(suo)示。
圖5 AMESim建立的(de)開環系統模型
圖6 被測閥流量變(bian)化曲線(xian)
圖7 被測閥(fa)壓力(li)變化曲線
1—被測閥前的壓力曲(qu)線；2—被測閥后的(de)壓力曲線
從圖6和(he)7中可以看出，在動(dong)作實(shi)驗過程中，首先是(shi)管路通介質排空(kong)氣(qi)過程，此時系統流量和壓(ya)力值(zhi)逐(zhu)漸穩定；然后關閉被(bei)測(ce)閥，通過泵進行沖壓(ya)；當被(bei)測(ce)閥前壓(ya)力達到設定值(zhi)2.5MPa時，打開(kai)被測(ce)閥(fa)，隨著介質流過被測(ce)閥(fa)，閥(fa)前壓力逐漸減小(xiao)(xiao)，同時流量值減小(xiao)(xiao)為0，完成一次動作(zuo)實驗。
需要穩壓(ya)和壓(ya)力精確控制的實驗，必須(xu)建立閉環模型。以密封實驗為例，建立系統閉環模型如圖8所示。經過仿真(zhen)，得出實驗(yan)過程中(zhong)的壓(ya)力和流量變化曲線(xian)分(fen)別如圖9和10所(suo)示。
圖(tu)8 閉環系統模型
圖9 被(bei)測閥壓力變(bian)化曲線
1—被測閥前(qian)的壓力(li)曲(qu)線；2—被測閥(fa)后的(de)壓力曲線(xian) 
圖(tu)10 被(bei)測閥流量變化曲線
從圖9中可以(yi)看(kan)到實(shi)驗(yan)壓(ya)力經歷了三個階段的變化：
（1）上升階段(duan)
本階段是(shi)管路充滿介(jie)質及壓力上升的過程，將(jiang)采集壓力與給定(ding)壓力比較，將(jiang)差值比例放大后驅動電動機，改(gai)變泵輸出，使壓力最后達到2.5MPa。
（2）穩定(ding)階段
本階段壓(ya)力穩(wen)在(zai)2.5MPa大約1min，這是密封(feng)實驗(yan)的關鍵階(jie)段(duan)，系統等(deng)待現場操(cao)作人員(yuan)的返回信號。
（3）下降階(jie)段
實驗完畢，打開被測電磁閥，放(fang)水，壓力(li)為0時即可卸閥。
可見(jian)，可視優(you)化仿(fang)真(zhen)過程中的(de)壓力和流量(liang)的(de)變化情況(kuang)與(yu)實際十分相(xiang)似，基本上對于(yu)實驗過程進(jin)行了很(hen)好的(de)模(mo)擬，而(er)且(qie)檢測速度快，精度高。通過仿(fang)真(zhen)可以(yi)避免編(bian)程過程中錯誤(wu)的(de)發(fa)生，使系統(tong)更(geng)完善、更(geng)快速。
5結論
本文采(cai)用(yong)綜(zong)合設(she)(she)計(ji)法從功能優化設(she)(she)計(ji)、動態優化設(she)(she)計(ji)、智能優化設(she)(she)計(ji)和(he)可視優化設(she)(she)計(ji)幾方面設(she)(she)計(ji)了一套自動化程度高、性能好(hao)、實用(yong)性強(qiang)、節能環保、擴展性好(hao)的電(dian)磁閥(fa)檢測系統。該系統改變了原有(you)實驗設(she)(she)備手動檢測效(xiao)率(lv)低(di)、測量(liang)不準確等(deng)缺點，為企業帶來了顯著的經濟效(xiao)益且具(ju)有(you)廣(guang)泛的應(ying)用(yong)空間。
