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(xian)代機械綜合設(she)計(ji)法是一種面(mian)向產(chan)品廣(guang)義質量，以顧客需求為(wei)驅(qu)動，以獲得優良功能(neng)與(yu)性能(neng)為(wei)目標，以現(xian)代機械設(she)計(ji)等多學科為(wei)基礎，以產(chan)品功能(neng)優化設(she)計(ji)、動態(tai)優化設(she)計(ji)、智能(neng)優化設(she)計(ji)、可視優化設(she)計(ji)為(wei)手段的一種多學科融合交叉的全功能(neng)和全性能(neng)優化的設(she)計(ji)理(li)論與(yu)方法。[1-3]
本(ben)電(dian)磁(ci)閥檢測系(xi)統屬于(yu)典(dian)型(xing)的機電(dian)液(ye)一體(ti)化(hua)系(xi)統，具有多介質、管路復雜、強耦(ou)合、非線性時變等特點，因此在設計上應綜合考慮系(xi)統功能實現(xian)與(yu)其性能的完善。
1 系統功能優(you)化設計
本系統是充分結合某廠電(dian)磁(ci)閥實際情(qing)況對其(qi)原有實驗臺架進行優化設計的。其(qi)主要功能是按要求來完成電(dian)磁(ci)閥產品的各項性(xing)能檢測實驗，其中實驗(yan)臺架部分是整(zheng)個(ge)檢測(ce)系(xi)統的基礎(chu)，其整(zheng)體結構如圖1所示。
1.進水管；2.支(zhi)路開關(guan)閥3.進油(you)閥(fa)；4.夾緊油缸；5.左夾具頭；6.被測電(dian)磁閥；7.臺架；8.右夾具(ju)頭；9.流(liu)量傳感器；10.電(dian)動(dong)調節閥(fa)；11.出水管；12.升降(jiang)機構；13.回(hui)油(you)閥；14.滑道
圖1系統實驗臺架結構示意圖
改進后的(de)臺架包括升降機構和夾(jia)緊機構兩個主要部分及一(yi)些(xie)輔(fu)助機構，可以自(zi)動(dong)控(kong)制被測(ce)電磁閥產(chan)品在水平和豎直(zhi)方向的(de)(de)自(zi)由移動(dong)，并同時可以完(wan)成夾(jia)緊工作，提高(gao)了整個系統的(de)(de)自(zi)動(dong)化水平。
2系統(tong)動(dong)態優化設計
本系統動態(tai)優化設計主要(yao)是針對其可靠(kao)性和壽命來進(jin)行(xing)的。由于系統中元器件(jian)較多，管路復雜，系統任何部位出現問題，都會導(dao)致(zhi)實驗(yan)無法進(jin)行(xing)，為保(bao)證管路中各(ge)開(kai)關(guan)閥能夠可靠(kao)開(kai)閉以及(ji)管路無泄(xie)漏，需要(yao)對系統進(jin)行(xing)定期自檢，其具體(ti)流(liu)程如圖2所示。
圖2系統自檢實驗(yan)流程圖
對于系(xi)統各閥按照介質流動順(shun)序進行檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)，在檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)過程(cheng)中根(gen)據壓力(li)值不同對各閥采用分級檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)的(de)方案(an)，這種“由前(qian)到后，由大到小”的(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)方法(fa)在保證了測(ce)(ce)試精度的(de)同時獲得(de)了較大的(de)測(ce)(ce)試量程(cheng)，更(geng)科學(xue)合理。
通(tong)過定期(qi)進行系統(tong)自檢(jian)實驗，可以保證系統(tong)的(de)工作(zuo)穩定性(xing)，同時延長系統(tong)的(de)使用壽命，節省成本。
3 系統智能優化設計
本系統的主要功能是(shi)實現電磁閥產品(pin)的自(zi)動檢測，為實現檢測功能的同時保證實驗(yan)過程的自(zi)動控制，對其(qi)控制設計分為兩部分：一部分是(shi)PLC順序控制，保證開關閥(fa)等(deng)元器(qi)件的自動開閉；一部(bu)分是(shi)變頻(pin)器(qi)、蓄能(neng)器(qi)及電(dian)動調節(jie)閥(fa)等(deng)元器(qi)件對系統壓(ya)力進行(xing)的智能(neng)控制，來保證實驗結論的準確性(xing)。
采用(yong)OMRON的CJ1M型(xing)PLC完成對(dui)整個系(xi)(xi)統(tong)的順序(xu)控制，包(bao)含了電磁閥檢測系(xi)(xi)統(tong)的全部開關(guan)量(liang)和(he)模擬量(liang)，用于系(xi)(xi)統(tong)的自(zi)動(dong)控制；而壓力控制作為(wei)本檢測系(xi)(xi)統(tong)的一項關(guan)鍵技術，其控制原理如圖3所示。
圖3 檢測系(xi)統壓力(li)控制(zhi)圖(tu)
其控(kong)制過程為：安裝在實驗臺上(shang)的壓力(li)(li)傳感器實時(shi)的檢測壓力(li)(li)，經采(cai)集卡輸(shu)送到工控(kong)機(ji)(ji)；工控(kong)機(ji)(ji)根據預先確定的智(zhi)能控(kong)制策略對數據進行處(chu)理，并將處(chu)理的結果通過OPC通訊(xun)傳(chuan)送給PLC；PLC對傳(chuan)送過(guo)(guo)來的信號進(jin)行(xing)(xing)解讀之后會把對應(ying)的控制信號發送給液壓泵和電(dian)動調節閥以及(ji)各(ge)個開關閥。本系統(tong)對目標壓力值進(jin)行(xing)(xing)了(le)(le)精確控制，從而保證了(le)(le)整(zheng)個檢測過(guo)(guo)程快速、準(zhun)確、平穩進(jin)行(xing)(xing)。
4 系統(tong)可(ke)視優化設計
本系統可視優化設(she)計(ji)主要用于完成其(qi)工作過(guo)程和(he)控制(zhi)過(guo)程的優化設(she)計(ji)。
4.1 系統工作(zuo)過程可視優化設(she)計(ji)
給操作者提供便利(li)、多信息的操作界面對于本系統(tong)(tong)來說是十分(fen)重要，因(yin)此(ci)系統(tong)(tong)操作界面在實驗過程(cheng)中應直接與(yu)操作者接觸(chu)，并向(xiang)操作者反(fan)映實驗中的必(bi)要信息。本系統(tong)(tong)應用LabVIEW對系統操作界(jie)面進行設計(ji)，如圖(tu)4所示。[4-5]
圖 4 系統操作(zuo)界面(mian)
界面(mian)主要包括三個實(shi)(shi)(shi)驗(yan)區：自檢實(shi)(shi)(shi)驗(yan)區、出廠(chang)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)區、新產品開發參(can)數測量實(shi)(shi)(shi)驗(yan)區，每(mei)個實(shi)(shi)(shi)驗(yan)對應著各(ge)自的(de)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)結論，及(ji)時向(xiang)操作者(zhe)(zhe)提(ti)供實(shi)(shi)(shi)驗(yan)結論，便于(yu)對被測閥及(ji)時采取相(xiang)應的(de)措施。本界面(mian)還包括“設(she)置參(can)數”、“打印”、“報警”等功能(neng)，更利于(yu)操作者(zhe)(zhe)操作，也更人性化。
4.2 系統控制過程可視(shi)優(you)化設計(ji)
采用AMESim液壓仿真(zhen)軟(ruan)件(jian)對系統進(jin)行(xing)(xing)建模(mo)仿真(zhen)，并對管路中的壓力和流量(liang)進(jin)行(xing)(xing)分析，觀察實驗過程中壓力隨(sui)時間的變化(hua)情況，對系統進(jin)行(xing)(xing)整體分析和評估，從而(er)達到優化(hua)系統、縮短設計周期的目的。[6-7]
對電磁閥(fa)動作實驗過程中的(de)壓力和流量(liang)進(jin)行建模仿(fang)真、分析，首先(xian)設置仿(fang)真時(shi)間為25s，采(cai)樣周期為(wei)0.01s，要(yao)求被(bei)測閥在2.5MPa的壓(ya)力(li)下進行實(shi)驗。開環系統模(mo)型如圖5所示，仿(fang)真(zhen)后，得出被測(ce)閥的流量和壓(ya)力變(bian)化(hua)曲(qu)線分別如(ru)圖6和7所示。
圖5 AMESim建(jian)立的開環系統模型
圖(tu)6 被測閥流(liu)量變化曲線
圖7 被測閥壓力(li)變化曲線
1—被測閥前的壓力曲(qu)線；2—被測閥后的壓力曲(qu)線(xian)
從圖(tu)6和(he)7中可以看出(chu)，在動(dong)作實(shi)驗過程(cheng)中，首先是管(guan)路通介質排(pai)空氣過程(cheng)，此(ci)時系統(tong)流量和壓力值(zhi)逐漸(jian)穩定；然后關閉被測閥，通過泵進行沖壓；當被測閥前壓力達到設定值(zhi)2.5MPa時(shi)，打開被(bei)測閥(fa)(fa)，隨著(zhu)介質流過被(bei)測閥(fa)(fa)，閥(fa)(fa)前壓力(li)逐漸減小，同時(shi)流量值減小為0，完成(cheng)一次動作實驗。
需要(yao)穩(wen)壓(ya)和壓(ya)力(li)精(jing)確控(kong)制的實(shi)驗(yan)，必須建(jian)立閉環模(mo)型。以密封實(shi)驗(yan)為例，建(jian)立系統閉環模(mo)型如圖(tu)8所示。經過(guo)仿真，得出實驗(yan)過(guo)程中(zhong)的壓力和流量變化曲線分別如圖9和10所示。
圖(tu)8 閉環系統模(mo)型(xing)
圖(tu)9 被測閥壓力變化曲線
1—被(bei)測閥前的(de)壓(ya)力曲線；2—被測閥(fa)后的壓力曲線 
圖10 被測閥流量變化曲線(xian)
從(cong)圖9中(zhong)可以看(kan)到實驗壓力(li)經(jing)歷了三(san)個階段的變化：
（1）上升階段
本階段(duan)是管路充滿介質及壓力(li)上升的過程，將(jiang)采集壓力(li)與給定壓力(li)比(bi)(bi)較，將(jiang)差值比(bi)(bi)例放大后(hou)驅動電(dian)動機，改變泵輸出，使壓力(li)最后(hou)達到2.5MPa。
（2）穩定階(jie)段
本階(jie)段壓力(li)穩(wen)在(zai)2.5MPa大約1min，這是密(mi)封實驗的(de)關鍵階段，系(xi)統等待(dai)現場操作人員的(de)返回信(xin)號。
（3）下降階段
實驗完畢，打開被測電磁閥，放水，壓力為0時即可卸閥。
可見，可視優(you)化(hua)仿(fang)真(zhen)過程(cheng)中(zhong)(zhong)的壓力和流量的變化(hua)情況與實際(ji)十分相似，基本上對于實驗過程(cheng)進行了(le)很(hen)好(hao)的模擬，而(er)且檢(jian)測速度(du)快(kuai)，精度(du)高。通(tong)過仿(fang)真(zhen)可以避免編(bian)程(cheng)過程(cheng)中(zhong)(zhong)錯誤的發(fa)生，使系統更完善、更快(kuai)速。
5結論
本文采用(yong)(yong)綜合(he)設計(ji)法從功能(neng)(neng)優(you)(you)(you)化設計(ji)、動態優(you)(you)(you)化設計(ji)、智(zhi)能(neng)(neng)優(you)(you)(you)化設計(ji)和(he)可視優(you)(you)(you)化設計(ji)幾(ji)方面(mian)設計(ji)了一套自動化程(cheng)度高、性能(neng)(neng)好(hao)、實(shi)用(yong)(yong)性強、節能(neng)(neng)環(huan)保(bao)、擴展性好(hao)的(de)(de)電磁閥(fa)檢測系(xi)統。該(gai)系(xi)統改變了原(yuan)有實(shi)驗(yan)設備手動檢測效率低、測量(liang)不準確等缺點，為企業(ye)帶(dai)來了顯著的(de)(de)經濟效益且具有廣泛的(de)(de)應用(yong)(yong)空間。
