液壓比例電磁閥測試平臺電控系統(tǒng)的設計

劉 杰，江衛(wèi)華，李書元

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430073）

液壓比例電磁閥測試平臺電控系統(tǒng)的設計

劉 杰，江衛(wèi)華，李書元

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430073）

針對液壓比例電磁閥耐壓特性、密封特性和穩(wěn)態(tài)壓力特性等性能指標的高精度檢測，該文自主設計了一種自動化水平很高的電磁閥性能檢測平臺。其核心是以PLC控制器和觸摸屏組合，將動力單元、油路集成塊、測試閥安裝閥板等各個元件作為控制對象，采用輸入輸出模塊通道，構成一個開放式結構的監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量預處理、傳感器線性化處理及非線性補償、標度變換、越限報警處理、數(shù)字控制器工程實現(xiàn)等功能，滿足對比例電磁閥檢測的控制要求。文中詳述了測試平臺電控系統(tǒng)的構成，工作原理和各部分功能的實現(xiàn)。

比例電磁閥；檢測；控制對象；數(shù)字控制器

電液比例電磁閥作為電液換擋閥的先導控制元件，其控制精度、響應速度和線性度的高低以及輸出油壓是否穩(wěn)定會直接影響功率級閥芯的動態(tài)性能，進而影響對油壓的控制，對換擋閥的品質(zhì)有重要的影響。換擋閥經(jīng)歷了從高速開關電磁閥到電液比例電磁閥的發(fā)展過程[1]。高速響應開關電磁閥結構簡單、價格便宜、抗污染能力強，但由于其控制原理是通過脈寬調(diào)制信號不斷打開和關閉球閥輸出脈沖油壓，控制頻率有限，而且由于控制方式屬于離散控制而非連續(xù)控制，有離散型和非線性的特點，給精確控制帶來難度。由于高速響應開關電磁閥的缺點，比例電磁閥開始在換擋控制回路中得到應用，比例電磁閥由于它的耐壓特性、密封特性和穩(wěn)態(tài)壓力特性等性能[2]，必將在石化行業(yè)、電力部門、冶金部門、化工行業(yè)和城市建設等使用閥門大戶中增強對比例電磁閥產(chǎn)品的需求。因此，對比例電磁閥的檢測就顯得尤為重要。長期以來電磁閥的性能檢測的方法是采用簡易的人工檢測，這種檢測臺對檢測人員要求高，操作人員的強度非常大，速度也比較慢，尤其在檢測精度方面，效果不是很令人滿意。研發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權的高自動化水平電磁閥性能檢測臺，對提高生產(chǎn)力和自動化程度具有重要的意義。

1 比例電磁閥特性試驗臺原理及系統(tǒng)組成

液壓比例閥測試臺主要包括動力單元、油路集成塊、測試閥安裝閥板、電控系統(tǒng)等，其中，動力單元、油路集成塊、測試閥安裝閥板等各個元件為控制對象，電控系統(tǒng)由PLC和觸摸屏構成，實現(xiàn)對被控對象的控制和檢測，系統(tǒng)裝配示意如圖1所示。

圖1 裝配示意Fig.1 Shows the assembly diagram

1.1 監(jiān)督控制系統(tǒng)設計

在液壓電控系統(tǒng)中，工業(yè)控制器PLC必須經(jīng)過輸入輸出接口和過程通道與被控對象相連。輸入輸出接口是控制器與外部設備交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口，系統(tǒng)運行過程中，信息的交換是頻繁發(fā)生的[3]。過程通道是在控制器和被控對象之間設置的信息傳送和轉換的連接通道，它包括模擬輸入量通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道。被控對象的各種參數(shù)通過模擬量輸入通道或數(shù)字量輸入通道送到控制器PLC中，控制器經(jīng)過計算和處理后的結果通過模擬量輸出通道或數(shù)字量輸出通道送到被控對象，從而實現(xiàn)對被控對象的控制。觸摸屏與PLC控制器連接采用串口模式，使用標準的資料交換接口，系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能的軟件SCADA以間接方式通過DDE和OPC內(nèi)部資料交換中心和硬件設備通信。通信線路使用RS-422A全雙工工作方式，RS-422A優(yōu)點是采用平衡驅動和差分接收方式，從根本上消除信號地線。這種驅動器相當于2個單端驅動器，它們的輸入是同一個信號，而一驅動器的輸出正好與另一個反相[4]。當干擾信號作為共模信號出現(xiàn)時，接收器則接收差分輸入電壓。只要接收器具有足夠的抗共模電壓工作范圍，它就能識別這2種信號而正確接收傳送信息。采用RS-422A實現(xiàn)2點之間遠程通信時，需要2對平衡差分電路形成全雙工傳輸電路。

電控系統(tǒng)以基于“觸摸屏+PLC控制器”為核心，采用輸入輸出模塊通道構成一個開放式結構的監(jiān)督控制系統(tǒng)。觸摸屏上位機主要用作處理非實時控制，實現(xiàn)原始工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型或其它方法，自動地改變以直接數(shù)字控制方式工作的PLC控制器中的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況，同時作為各被控對象運動狀態(tài)顯示的人機界面[5]。PLC控制器完成測量數(shù)據(jù)預處理、流量傳感器和壓力傳感器線性化處理和非線性補償、標度變換方法、越限報警處理、數(shù)字控制器的工程實現(xiàn)等功能。其組成的監(jiān)督控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)督控制系統(tǒng)結構Fig.2 Structures of monitor control system

1.2 數(shù)字控制器的工程實現(xiàn)

本設計是對基于PLC控制的比例電磁閥特性試驗臺進行設計，數(shù)字控制器的工程實現(xiàn)中，應包括給定值和被控量處理、偏差處理、控制算法的實現(xiàn)、控制量處理及自動/手動切換技術6個環(huán)節(jié)，其示意如圖3所示。

圖3 數(shù)字控制器工程實現(xiàn)示意Fig.3 Digital controller project implementation schematic

對于試驗臺的計算機控制系統(tǒng)，可采用手動操作器作為計算機的后備操作。當切換開關處于自動位置時，控制量MV通過D/A輸出，此時系統(tǒng)處于正常的計算機控制方式，稱為自動狀態(tài)（HA狀態(tài)）；反之，若切向手動位置，則計算機不再承擔控制任務，由運行人員通過手動操作器輸出0～10 mADC或4～20 mADC信號，對執(zhí)行機構進行遠方操作，這稱為手動狀態(tài)（HM狀態(tài)）[6]。為了實現(xiàn)從手動到自動的無平衡操作無擾動切換，在手動狀態(tài)下，盡管并不進行算法計算，但應使給定值（CSV）跟蹤被控量（CPV），同時也要把歷史數(shù)據(jù)，如前一時刻采樣值e（k-1）清零，同時，還要使控制器前一時刻輸出值u（k-1）跟蹤手動控制量。這樣，一旦切向自動而控制器前一時刻輸出值u（k-1）又等于切換瞬間的手動控制量，這就保證了控制器輸出控制量的連續(xù)性。當從自動切向手動時，只要計算機應用程序工作正常，就能自動保證無擾動切換[7]。當從輸出保持狀態(tài)或安全輸出狀態(tài)切向正常的自動工作狀態(tài)時，同樣需要進行無擾動切換，為此可采取類似的措施。當然，這一切需要有相應的硬件電路配合。

采用上述數(shù)字控制器，不僅可以組成單回路控制系統(tǒng)，而且可以組成串級、前饋、純滯后補償（Smith）等復雜控制系統(tǒng)[10]，對于后面2種系統(tǒng)還應增加補償器運算模塊。利用該控制模塊和各種功能運算模塊的組合，可以組成各種控制系統(tǒng)來滿足比例電磁閥控制的要求。

2 液壓比例電磁閥特性測試控制流程

按工藝要求，由觸摸屏對工藝曲線進行實時插補計算，給出信號，同時啟動加壓泵，經(jīng)過PLC的接收然后運算輸出，輸出模擬量信號，通過放大器輸送到比例電磁閥，比例電磁閥接收數(shù)字控制器輸出值的大小來控制它的開合度，而電磁閥的開度的變化會引起流量的改變，從而壓力也會改變。再由壓力傳感器檢測到的壓力信號和流量傳感器檢測到流量信號，經(jīng)過A/D轉換后，由數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)字濾波程序和標度變換程序處理后再傳送給PLC，再由PLC經(jīng)過數(shù)字控制器處理后送給被控對象和觸摸屏[9]。按照液壓比例電磁閥的耐壓特性、密封特性和穩(wěn)態(tài)壓力特性要求，各性能指標測試方法如下：

耐壓特性試驗將被試閥安裝到測試臺之后，擦干周圍油液，保證被試閥閥體和安裝閥板干凈無油跡。測試臺出廠已將額定壓力調(diào)至3 MPa（若想提高壓力，可先關閉球閥15.1、15.2，將溢流閥8的保護帽拆下，調(diào)節(jié)螺柱，順時針為升高，逆時針為降低，調(diào)整完畢后，擰緊保護帽，打開球閥15.2），保持壓力5 min，觀察被試閥是否漏油。

密封性試驗將測試閥板的回油管拆掉，在其出口處放置量杯測量泄漏量。給換擋閥提供24 V電壓完全開啟保持5 min，觀察泄漏量并記錄數(shù)據(jù)。然后將被試閥斷電保持5 min，觀察泄漏量。

穩(wěn)態(tài)壓力特性試驗將模擬負載壓力的溢流閥14調(diào)節(jié)至1.5 MPa（出廠已設定，改變可將球閥15.1打開，球閥15.2、15.3關閉，然后調(diào)節(jié)溢流閥14，順時針為增大，逆時針為減?。o被試閥提供不同的電信號，在每個輸入的信號值下，穩(wěn)定1 min，采集被試閥的出口壓力。在給被試閥信號時，建議逐漸升高，然后逐漸降低，可測量出被試閥的壓力曲線。

3 PLC多模式軟件設計

液壓比例電磁閥測試平臺電控系統(tǒng)核心控制器是西門子S7-300系列PLC，其相應編程軟件是西門子的STEP7 V5.5[8]。

整個測試平臺電控系統(tǒng)設有4種操作模式：正常模式、測試模式、故障模式及調(diào)試模式。正常模式時，在每一大步執(zhí)行完畢后或在大步執(zhí)行過程中按下暫停按鈕后的一小步執(zhí)行完畢后，程序可以切換到測試模式；測試模式時，在每一小步操作完成后，在每一大步前一小步操作執(zhí)行完畢后，可以切換到正常操作模式。

正常模式將測試平臺裝置若干小的動作步驟合成一個大的步驟，每個大步采用自動控制，大步之間采用手動控制。電控系統(tǒng)一般情況下采用正常模式。

測試模式測試平臺裝置每一小步動作都由手動進行操作，即全手動。每完成一個基本動作，系統(tǒng)鎖定，防止誤操作。測試模式又分為2種不同方式：一種是按正常模式動作順序進行小步動作；另一種是自由控制每個機構的動作，此模式屬于操作人員測試用。

故障模式每一小步動作都由手動控制，其區(qū)別是沒有動作流程分步走功能，并且不防誤操作。在系統(tǒng)發(fā)生故障，例如測試平臺4個位置檢測行程開關中有1個沒有發(fā)訊，此時程序判斷系統(tǒng)故障，而現(xiàn)實情況又必須測試平臺動作，在人為判斷不會發(fā)生事故的情況下，故障模式允許進行下一步操作，此模式屬于檢修人員進行檢修和排故。

調(diào)試模式對整個測試平臺液壓系統(tǒng)中的每個執(zhí)行元器件都可獨立進行操作，以方便對系統(tǒng)進行檢修和維護。該操作模式只能生產(chǎn)廠家使用，使用時必須輸入密碼確認。

測試平臺電控系統(tǒng)PLC程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程Fig.4 Working flow chart

本設計利用EB800 V4軟件來繪制界面并實時顯示所測得的數(shù)據(jù)，讓檢測人員可以清楚地看到數(shù)據(jù)出現(xiàn)的問題，并且繪制出壓力曲線，從而有利于分析，如圖5、圖6所示。

圖5 觸摸屏主界面Fig.5 Touchscreen main screen

圖6 檢測界面Fig.6 Test interface

4 結語

本系統(tǒng)操作簡單、使用維護方便、性能可靠。采用數(shù)字技術控制方式，提高了液壓比例電磁閥質(zhì)量檢測精度；改善了勞動條件，不用人工手動操作，消除了人為因素；易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品質(zhì)量分析；采用表格、圖形、曲線顯示直觀，并有打印輸出功能。

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Design of Electronic Control System for Hydraulic Proportional Solenoid Valve Test

LIU Jie，JIANG Wei-hua，LI Shu-yuan

For hydraulic proportional solenoid valve pressure，sealing properties and steady pressure characteristic performance indexes such as high precision detection，independent design a high level of automation solenoid valve performance testing platform.Its core based on PLC controller and touch screen，power units，hydraulic integrated block，test valve installation disc，and other components as control object，the input and output module，a supervisory computer control system，an open structure to realize data preprocessing，sensor linearization and nonlinear compensation，scale transform，the limit alarm function processing engineering，digital controller，control of the proportional solenoid valve testing requirements.The article details the test platform of electronic control system，work principle and the realization of the function of each part.

proportional electromagnetic；detection；control object；digital controller

TB47

A

1001-9944（2017）08-0017-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.005

2017-03-06；

2017-06-19

劉杰（1992—），女，在讀碩士研究生，研究方向為控制理論與控制工程。