基于LabVIEW的控制閥性能測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪凱斌，尚群立，李鵬飛，倪佳琪

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023)

基于LabVIEW的控制閥性能測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪凱斌，尚群立，李鵬飛，倪佳琪

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023)

控制閥在工業(yè)控制領(lǐng)域扮演十分重要的角色，但目前國內(nèi)對(duì)控制閥性能測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)的研究十分薄弱，并且常規(guī)的儀器儀表很難精確測(cè)試控制閥的性能；針對(duì)這種情況，基于NI compactRIO硬件、各類傳感器以及LabVIEW軟件開發(fā)設(shè)計(jì)了一套控制閥性能測(cè)試評(píng)估系統(tǒng),該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)、采集處理數(shù)據(jù)，能夠把閥門性能測(cè)試過程中的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存與分析處理，實(shí)現(xiàn)了控制閥的在線測(cè)試和功能評(píng)估，并且可將控制閥各項(xiàng)性能指標(biāo)評(píng)估結(jié)果匯集于一張類似體檢單的報(bào)表顯示，給閥門廠商的出廠測(cè)試、維修檢測(cè)以及日常維護(hù)提供參考依據(jù)；采用該系統(tǒng)對(duì)某公司的直通氣開式薄膜調(diào)節(jié)閥S9044進(jìn)行了性能測(cè)試評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠全面、精確地測(cè)試出調(diào)節(jié)閥的各項(xiàng)性能指標(biāo)，且系統(tǒng)軟件交互界面良好、擴(kuò)展性強(qiáng)、精度高。

控制閥；性能評(píng)估；LabVIEW；性能測(cè)試

0 引言

控制閥是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的終端執(zhí)行部件，經(jīng)常工作在高溫/低溫、高壓工況條件下，或經(jīng)常與腐蝕、強(qiáng)沖刷等工藝介質(zhì)直接接觸，并且其機(jī)械部分運(yùn)動(dòng)頻繁，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力損壞或產(chǎn)生磨損，從而最容易發(fā)生故障或性能下降[1]。因此，需要對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行定期保養(yǎng)和檢修，但是通常的檢修方法是對(duì)所有的閥進(jìn)行解體檢查更換損耗部件，但這種方式把性能良好的閥也進(jìn)行了解體，耗費(fèi)了大量不必要的時(shí)間。故能夠開發(fā)一套診斷設(shè)備去評(píng)估調(diào)節(jié)閥的性能，進(jìn)行選擇性維修，具有重要的意義。近年來，全球不少控制閥生產(chǎn)廠商已經(jīng)對(duì)控制閥的維護(hù)做出了很多研究，并且已經(jīng)研發(fā)出了一系列的控制閥診斷軟件和具有自診斷功能的智能定位器[2]。例如：EMRSON-Fisher公司的FIELDVUE系列診斷軟件，能夠利用斜坡信號(hào)測(cè)試控制閥性能，利用階躍響應(yīng)測(cè)試分析控制閥超調(diào)量、遲滯性、死區(qū)時(shí)間等，并且可以檢測(cè)到控制閥的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，用紅/黃/綠進(jìn)行故障報(bào)警。Masoneilan公司的Valvue診斷軟件，通過數(shù)字定位器收集壓力傳感器的數(shù)據(jù)，來判斷該閥門是否出現(xiàn)磨損，以及判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程是否遇阻。以上介紹的無疑是當(dāng)今較為先進(jìn)的控制閥性能測(cè)試與評(píng)估系統(tǒng)，是理論發(fā)展和實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合的產(chǎn)物，是國內(nèi)相應(yīng)的設(shè)備廠家模仿學(xué)習(xí)的標(biāo)榜[3]。

國內(nèi)的工業(yè)水平較國外還有很大差距，加上國外對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的保密和壟斷，使得國內(nèi)的閥門性能評(píng)估和故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展舉步維艱，國內(nèi)的各大公司也陸續(xù)在控制閥性能評(píng)估和故障診斷系統(tǒng)中相應(yīng)的貢獻(xiàn)[3-5]。該文研究開發(fā)了一套控制閥性能評(píng)估系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可以將控制閥性能指標(biāo)以一張類似體檢單的報(bào)表打印出來，給閥門生產(chǎn)廠家的出廠測(cè)試、閥門維修廠家的維修檢測(cè)和控制閥使用客戶的日常維護(hù)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)描述

在測(cè)試控制閥之前需要對(duì)控制閥構(gòu)建一個(gè)模擬的工況下的環(huán)境，使控制閥測(cè)試所得的結(jié)果與工廠運(yùn)行時(shí)的狀況一致，需要設(shè)計(jì)流體管道使流體能夠流經(jīng)控制閥，并能夠控制閥前后的壓差。

在整個(gè)診斷測(cè)試過程中，不僅要對(duì)控制閥本身進(jìn)行測(cè)試，還需要對(duì)相關(guān)附件的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，因此還需要構(gòu)建流體流通環(huán)境的管道、儲(chǔ)水罐和水泵等，具體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖，如下圖1所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要包括水路管道，氣路管道，電路管道，并且可模仿工業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)的常規(guī)工況，可模擬故障以及溫度變化等環(huán)境。

2 性能評(píng)估系統(tǒng)組成

2.1 性能評(píng)估系統(tǒng)總體描述

控制閥性能測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)裝置由被測(cè)控制閥、傳感器部分、NI采集模塊部分、智能定位器閥位變送模塊部分、智能定位器信號(hào)發(fā)送部分和基于LabVIEW軟件的上位機(jī)程序部分組成。它主要針對(duì)控制閥的氣室、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥體以及智能定位器組成的控制系統(tǒng)，通過不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)定位器施加特定的激勵(lì)信號(hào)，并且在關(guān)鍵部位嵌入相應(yīng)的傳感器，采集閥位、氣室氣壓、氣源氣壓、應(yīng)變力等關(guān)鍵參數(shù)信息，通過以太網(wǎng)的形式發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析得出整個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，主要為動(dòng)作載荷性能參數(shù)、定位控制性能參數(shù)和流量調(diào)節(jié)性能參數(shù)。

2.2 性能評(píng)估系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件主要由傳感器部分，數(shù)據(jù)采集部分、上位機(jī)部分和工業(yè)自動(dòng)化儀表組成，系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度高低與所使用的傳感器精度以及傳感器與被測(cè)量物件的接觸情況密切相關(guān)。傳感器部分包括閥位變送傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和應(yīng)變傳感器；數(shù)據(jù)采集部分包括模擬輸入信號(hào)模塊NI9203、模擬輸出信號(hào)模塊NI9265、NI CopmactRIO 9024機(jī)箱和24 V供電模塊。工業(yè)自動(dòng)化儀表包括壓力變送器、壓差變送器和流量計(jì)。上位機(jī)部分主要為開發(fā)的LabVIEW軟件。此軟件主要實(shí)現(xiàn)發(fā)送指令，接收采集數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、顯示等功能。性能評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 性能評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 性能評(píng)估系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件需求分析

控制閥在出廠、維修和維護(hù)過程中需要對(duì)控制閥進(jìn)行一次全面的檢測(cè)，該檢測(cè)包含了控制閥各個(gè)部位的性能參數(shù)包括了執(zhí)行機(jī)構(gòu)、定位器、閥體這3個(gè)部分。根據(jù)國際和美國儀器協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的性能測(cè)試方法，主要進(jìn)行四大類測(cè)試，分別為動(dòng)作載荷性能測(cè)試、診斷預(yù)測(cè)試、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試和介質(zhì)流量測(cè)試。在這些檢測(cè)過程中，需要對(duì)控制閥施加激勵(lì)信號(hào)，其中包括斜坡、階躍、正弦信號(hào)以及它們的組合信號(hào)。因此診斷軟件要去設(shè)計(jì)合適的激勵(lì)信號(hào)來滿足測(cè)試的要求。

該軟件不僅需要輸出控制信號(hào)，還需要對(duì)閥門測(cè)試過程中的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)采集以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在性能評(píng)估系統(tǒng)中需要采集氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的氣室氣壓、應(yīng)變片壓力、閥位信號(hào)、氣源氣壓以及發(fā)送的控制信號(hào)，并且需要將控制閥的各項(xiàng)信號(hào)顯示在屏幕上，供閥門設(shè)計(jì)人員、維護(hù)人員進(jìn)行分析。

該軟件還需要對(duì)閥門測(cè)試過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得到閥門的各項(xiàng)性能指標(biāo)，從而使技術(shù)人員分析判斷該閥是否符合出廠要求，并且還需要把各項(xiàng)性能指標(biāo)顯示在屏幕上，以便設(shè)計(jì)人員、維護(hù)人員查看。

最終需要把測(cè)試數(shù)據(jù)保存下來，并且生成相對(duì)應(yīng)的測(cè)試報(bào)告，以便日后維護(hù)使用。

3.2 整體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于LabVIEW的軟件開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)根據(jù)不同的測(cè)量要求，選擇不同的測(cè)量信號(hào)，利用壓力傳感器和NI模塊采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)的形式傳送到計(jì)算機(jī)的LabVIEW中，經(jīng)過分析和處理，最終得到控制閥性能評(píng)估報(bào)表。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要功能模塊為測(cè)試信號(hào)生成、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)采集、報(bào)表生成、閥門信息參數(shù)等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 性能評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

在測(cè)試完成后，需要對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以及生成相應(yīng)的性能報(bào)表，以便工程人員查看，該軟件使用TDMS文件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。TDMS文件是一種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具有文件小，存儲(chǔ)速度快的特點(diǎn)，可以滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求。利用TDMS歷史文件重新導(dǎo)入該系統(tǒng)中，則可以顯示該調(diào)節(jié)閥的性能參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)[6-7]。TDMS歷史查詢程序設(shè)計(jì)如圖4所示。該TDMS文件可通過歷史查詢模塊，重新獲取測(cè)試的數(shù)據(jù)，采集通道的數(shù)據(jù)可使用波形圖來顯示在歷史曲線之中。該程序可讀取多個(gè)TDMS文件,可將多個(gè)不同的測(cè)試情況顯示在在同一波形圖之中，方便測(cè)試員進(jìn)行觀察，找出不同之處和問題所在，并且可根據(jù)需要將兩個(gè)采集通道的數(shù)組進(jìn)行XY軸對(duì)比。

圖4 TDMS歷史查詢程序框圖

性能報(bào)表的輸出格式為word文檔，該文檔中包括所有測(cè)試項(xiàng)目的信息、性能指標(biāo)以及關(guān)鍵的歷史數(shù)據(jù)。測(cè)試報(bào)表程序設(shè)計(jì)如圖5所示。該程序使用的是LabVIEW中自帶報(bào)表生成工具，報(bào)表的輸出數(shù)據(jù)格式為字符串類型，該報(bào)表中可以顯示生成該測(cè)試報(bào)告的日期與時(shí)間，以便測(cè)試人員進(jìn)行追溯，且可添加波形圖至報(bào)表中，以作為日后技術(shù)人員的參考。當(dāng)需要測(cè)試報(bào)表時(shí)，只需點(diǎn)亮生成報(bào)表的指示燈和指定保存路徑，在完成閥門測(cè)試的各個(gè)項(xiàng)目后，將自動(dòng)生成完整的測(cè)試報(bào)告。

圖5 測(cè)試報(bào)告生成程序框圖

4 控制閥性能測(cè)試與評(píng)估

4.1 測(cè)試與評(píng)估方法

對(duì)于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的測(cè)試主要針對(duì)的是定位控制性能與動(dòng)作載荷性能，主要包括上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、彈簧彈力、閥座的密封力以及流體介質(zhì)所產(chǎn)生的力等。調(diào)節(jié)閥的測(cè)試與評(píng)估主要目的是確定該調(diào)節(jié)閥是否與其設(shè)計(jì)要求相符以及在其使用過程中其性能退化的情況。通常，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的測(cè)試主要為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種。

靜態(tài)測(cè)試：所謂靜態(tài)測(cè)試， 是指測(cè)量閥門的信息特征參數(shù)而設(shè)計(jì)的一種最簡單的測(cè)試方法，它在管道中沒有流體和壓差的情況下進(jìn)行，因此無法表征閥門在介質(zhì)流動(dòng)的情況下對(duì)其閥芯所造成不平衡力的情況。它需要閥門診斷設(shè)備與閥門傳感器共同使用對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄并分析。它可以檢測(cè)出閥門在使用中的損耗和機(jī)械故障。

動(dòng)態(tài)測(cè)試：動(dòng)態(tài)測(cè)試相比靜態(tài)測(cè)試較為復(fù)雜， 它是模擬閥門在實(shí)際運(yùn)行過程中管道內(nèi)有流體流動(dòng)且閥體前后存在壓差時(shí)的狀態(tài)信息。它主要是為了測(cè)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)在克服流體對(duì)閥的反作用力時(shí)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的推力情況。因此它除了需要記錄靜態(tài)測(cè)試所需要記錄的數(shù)據(jù)之外，還需要記錄閥前后壓差，管道內(nèi)流體流量等。它比靜態(tài)測(cè)試需要更多的傳感器一起配合使用。

4.2 測(cè)試與評(píng)估步驟

控制閥的性能與評(píng)估主要針對(duì)的是定位控制性能測(cè)試與評(píng)估與動(dòng)作載荷性能與評(píng)估，主要目的是獲取控制閥的各項(xiàng)性能指標(biāo)，以便技術(shù)人員判定此控制閥是否設(shè)計(jì)合格，以及是否可以出廠。

其步驟可總結(jié)如下：

1)選取測(cè)試類型和測(cè)試信號(hào)，測(cè)試類型為定位控制性能和動(dòng)作載荷性能，測(cè)試信號(hào)主要有階躍響應(yīng)測(cè)試、響應(yīng)時(shí)間測(cè)試、動(dòng)態(tài)響應(yīng)診斷測(cè)試等，測(cè)試信號(hào)可通過信號(hào)預(yù)覽查看；

2)按下發(fā)送控制信號(hào)按鍵，波形圖將實(shí)時(shí)顯示閥位、氣室氣壓、氣源氣壓、控制信號(hào)的響應(yīng)曲線；

3)性能指標(biāo)提取，將根據(jù)測(cè)試類型自動(dòng)提取出性能指標(biāo)；

4)根據(jù)國標(biāo)GB/T22137.1-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估；

5)自動(dòng)生成報(bào)表，將按照指定的路徑保存報(bào)表。

4.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與評(píng)估

控制閥性能評(píng)估系統(tǒng)對(duì)某公司的氣動(dòng)薄膜直通氣開式調(diào)節(jié)閥S9044進(jìn)行測(cè)試。調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 S9044調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)參數(shù)表

系統(tǒng)對(duì)S9044氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行定位控制性能測(cè)試、動(dòng)作載荷性能測(cè)試，通過實(shí)時(shí)地顯示各個(gè)變送器的數(shù)據(jù)可以評(píng)估該調(diào)節(jié)閥的性能。定位控制性能測(cè)試結(jié)果如表2所示，該性能測(cè)試采集控制信號(hào)與閥位信號(hào)來驗(yàn)證調(diào)節(jié)閥控制性能是否穩(wěn)定、快速和準(zhǔn)確。性能參數(shù)指標(biāo)主要有延遲時(shí)間，上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量等，根據(jù)調(diào)節(jié)閥標(biāo)準(zhǔn)值，其定位控制效果合格。

表2 定位控制性能測(cè)試結(jié)果表

動(dòng)作載荷性能測(cè)試結(jié)果如表3所示，此測(cè)試是通過采集氣室氣壓、氣源氣壓、閥位信號(hào)和應(yīng)變力來進(jìn)行性能分析，從而獲得動(dòng)摩擦力、彈簧剛度、行程、靜摩擦力等性能參數(shù)。該測(cè)試所得到的性能參數(shù)，均符合標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 動(dòng)作載荷性能測(cè)試結(jié)果表

5 結(jié)論

控制閥性能評(píng)估系統(tǒng)可以將控制閥性能指標(biāo)以一張類似體檢單的報(bào)表打印出來，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制閥的在線測(cè)試和性能評(píng)估，并且能夠全面、精確的測(cè)試出控制閥的性能指標(biāo)，具有良好的軟件交互界面、擴(kuò)展性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，給閥門生產(chǎn)廠家的出廠測(cè)試、閥門維修廠家的維修檢測(cè)和控制閥使用客戶的日常維護(hù)提供參考依據(jù)。

[1] 明賜東.控制閥應(yīng)用1000問[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

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Development of Performance Test and Evaluation System of Control Valve

Wang Kaibing, Shang Qunli, Li Pengfei, Ni Jiaqi

(College of Information Engineering, Zhejiang Industry University, Hangzhou 310023, China)

The control valve is very important in the field of industrial control. however the research on the control valve performance testing and evaluation system is very weak at present. It is very difficult to measure the performance of the control valve accurately by conventional instruments. In view of this situation, this paper has developed a control valve performance test and evaluation system based on NI CompactRIO hardware, various sensors and LabVIEW software, the system can test and evaluate the function of control valves on-line, and can collect the results of the performance evaluation of the control valve in a real-time display similar to the medical report, providing a reference to the valve manufacturer's factory testing, maintenance testing and routine maintenance. Using this system, the performance test and evaluation of a company's direct air open film regulator S9044 were carried out. Experimental results show that the system can fully and accurately test the performance indicators of the control valve, at the same time, the system has a good interactive interface, strong expansibility, and high precision.

control valve; performance evaluation; LabVIEW; performance test

2016-12-15；

2017-02-13。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61174108)。

汪凱斌(1992-)，男，浙江嘉興人，碩士研究生，主要從事控制閥定位控制算法方向的研究。

尚群立(1964-)，男，陜西咸陽人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事調(diào)節(jié)閥所在系統(tǒng)的理論與應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2017)07-0313-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.078

TP274

A