空氣調(diào)壓閥運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章 萌，張小松

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安 710100)

0 引言

空氣調(diào)壓閥系統(tǒng)是某吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)提供模擬來流的關(guān)鍵系統(tǒng)，由4臺(tái)不同口徑和流量的調(diào)壓閥組成，它以液壓系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)源，通過液壓缸活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)閥桿的上下運(yùn)動(dòng)，改變閥門的開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥后空氣壓力和流量的閉環(huán)調(diào)節(jié)，為來流模擬設(shè)備提供空氣介質(zhì)。作為機(jī)、電、液強(qiáng)耦合系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)是調(diào)壓閥的中樞，液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接決定調(diào)壓閥的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)壓閥的工作狀態(tài)也直接或間接地通過液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)反映出來。

此外，為提高調(diào)壓閥調(diào)節(jié)的快速性和準(zhǔn)確性，在其啟動(dòng)前，還需要向閥后的管路中預(yù)充填一定壓力的空氣，預(yù)充填壓力這一運(yùn)行啟動(dòng)的工藝參數(shù)，也直接決定著調(diào)壓閥建壓的動(dòng)態(tài)特性和來流模擬設(shè)備的安全。曾經(jīng)由于某臺(tái)調(diào)壓閥的內(nèi)漏，使其閥后空氣管路壓力快速升高，超出預(yù)充填壓力，導(dǎo)致其運(yùn)行狀態(tài)難以精確受控并影響試驗(yàn)臺(tái)的安全。為此，為了預(yù)防閥門內(nèi)漏對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)的影響，需要通過一定的控制措施來精確控制預(yù)充填壓力參數(shù)。

調(diào)壓閥的液壓和工藝運(yùn)行參數(shù)不但能實(shí)時(shí)反映出其運(yùn)行的環(huán)境狀態(tài)，還對(duì)其啟動(dòng)運(yùn)行特性起著決定性作用。因此，有必要對(duì)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)實(shí)施監(jiān)控，從而掌握調(diào)壓閥的運(yùn)行狀態(tài)，保障其安全、可靠、精確運(yùn)行。為此，設(shè)計(jì)了調(diào)壓閥運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測原理

調(diào)壓閥的運(yùn)行環(huán)境參數(shù)由液壓運(yùn)行環(huán)境參數(shù)和工藝運(yùn)行環(huán)境參數(shù)組成。參數(shù)的監(jiān)測主要利用各種傳感器和檢測設(shè)備實(shí)施數(shù)據(jù)監(jiān)測和記錄。為此，需要合理選定監(jiān)測參數(shù)，并進(jìn)行監(jiān)測測點(diǎn)的布局。

1.1 監(jiān)測參數(shù)的選取

調(diào)壓閥液壓系統(tǒng)由共用的液壓源系統(tǒng)和4套獨(dú)立的液壓伺服系統(tǒng)組成。監(jiān)測液壓運(yùn)行環(huán)境參數(shù)時(shí)，監(jiān)測對(duì)象是表征液壓系統(tǒng)工作狀況的主要參數(shù)。為此，監(jiān)測如下參數(shù)：

(1)液壓油的油溫：液壓油是液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，而液壓油的油溫是保證液壓系統(tǒng)正常、可靠運(yùn)行的重要參數(shù)，監(jiān)測油溫可以有效了解液壓系統(tǒng)的性能和工況；

(2)油源壓力：油源壓力是反映液壓設(shè)備工作特性的基本參數(shù)，表征著液壓系統(tǒng)帶負(fù)載的能力；

(3)油液污染度：液壓設(shè)備的故障60%～70%以上是由于油液的污染引起的，對(duì)污染度的監(jiān)測和控制是提高液壓設(shè)備可靠性的重要保證；

(4)液壓缸油壓：液壓缸有桿腔和無桿腔的壓力變化可以表征出液壓缸進(jìn)油、回油情況以及液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而直接表征調(diào)壓閥閥桿的運(yùn)動(dòng)情況；

(5)液壓缸活塞桿位移：調(diào)壓閥利用液壓缸活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)閥桿的上下運(yùn)動(dòng)，因此，監(jiān)測液壓缸活塞桿的位移信號(hào)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到調(diào)壓閥的開度情況。

綜上，液壓系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測參數(shù)為：1個(gè)液壓油油溫參數(shù)，1個(gè)液壓油油源壓力參數(shù)，1個(gè)油液污染度參數(shù)，8個(gè)液壓缸有/無桿腔壓力參數(shù)，4個(gè)液壓缸活塞桿位移(閥門開度)參數(shù)。

此外，選取4臺(tái)調(diào)壓閥的閥后空氣管路壓力參數(shù)作為工藝運(yùn)行環(huán)境參數(shù)。

1.2 監(jiān)測測點(diǎn)的布局

根據(jù)監(jiān)測參數(shù)及其數(shù)量要求，結(jié)合液壓系統(tǒng)管路和元件的布局，單臺(tái)調(diào)壓閥的液壓系統(tǒng)元件及測點(diǎn)的布局如圖1所示。其中：4臺(tái)調(diào)壓閥共用電磁換向閥10以下的液壓源系統(tǒng)，電磁換向閥10以上的液壓伺服系統(tǒng)相互獨(dú)立，其他3臺(tái)調(diào)壓閥的元件與測點(diǎn)布局與此類似。在液壓油的油箱內(nèi)布置液壓油的油溫測點(diǎn)；在壓油濾出口管路上布置油源壓力測點(diǎn)；利用壓油濾自帶的壓差發(fā)訊器作為油液污染度測點(diǎn)；利用液壓缸自帶的位移變送器作為液壓缸活塞桿位移測點(diǎn)；在液壓缸有桿腔、無桿腔油管與閥塊的連接處，通過三通接頭安裝液壓缸油壓測點(diǎn)。

圖1 液壓系統(tǒng)元件及測點(diǎn)的布局圖

此外，在調(diào)壓閥出口的空氣管路上布置4個(gè)壓力測點(diǎn)，監(jiān)測預(yù)充填壓力參數(shù)。

2 運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的閉環(huán)控制原理

2.1 油溫的閉環(huán)控制原理

為保證調(diào)壓閥液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其液壓油的溫度應(yīng)控制在15～40 ℃的范圍內(nèi)。當(dāng)油溫超出規(guī)定范圍，會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)的機(jī)械特性、密封特性帶來巨大的影響，危及系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。因此，在實(shí)時(shí)監(jiān)測油溫，并對(duì)超溫運(yùn)行的液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警的同時(shí)，還需要采取措施對(duì)液壓油實(shí)施降溫冷卻。為此，基于油溫閉環(huán)控制原理，通過對(duì)油冷機(jī)的開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)油溫的閉環(huán)控制。

如圖2所示，在測控計(jì)算機(jī)中，提前設(shè)定好油冷機(jī)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)溫度，當(dāng)監(jiān)測的油溫高于設(shè)定的啟動(dòng)溫度40 ℃后，經(jīng)過閉環(huán)控制算法處理，計(jì)算機(jī)發(fā)出開指令信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電路板，驅(qū)動(dòng)電路板再將驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)發(fā)送給油冷機(jī)控制器，觸發(fā)油冷機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行；反之，當(dāng)油溫低于關(guān)機(jī)溫度15 ℃后，驅(qū)動(dòng)指令由高電平變?yōu)榈碗娖?，油冷機(jī)關(guān)機(jī)。通過發(fā)送閉環(huán)控制指令給油冷機(jī)，觸發(fā)控制其開關(guān)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油溫參數(shù)的閉環(huán)控制。

2.2 預(yù)充填壓力的閉環(huán)控制原理

為預(yù)防閥門內(nèi)漏帶來的預(yù)充填壓力上升的問題，通過對(duì)預(yù)充填壓力的遠(yuǎn)程閉環(huán)控制，將該運(yùn)行參數(shù)控制在試驗(yàn)需要的、合理的、安全的范圍內(nèi)。為此，在3臺(tái)常用調(diào)壓閥的閥后空氣管路上各安裝1臺(tái)高壓排氣電磁閥，通過遠(yuǎn)程閉環(huán)控制排氣電磁閥工作，將內(nèi)漏的多余空氣排出管路。

圖2 油溫和預(yù)充填壓力的閉環(huán)控制原理圖

如圖2所示，空氣管路上的壓力變送器將實(shí)時(shí)采集的預(yù)充填壓力值負(fù)反饋至計(jì)算機(jī)中，通過與設(shè)定的期望充填壓力值比較生成偏差信號(hào)，通過閉環(huán)控制算法生成控制指令，控制指令再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)控制電路生成最終的驅(qū)動(dòng)指令，控制排氣電磁閥的開啟或關(guān)閉，實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)地控制排氣電磁閥的開關(guān)，將超壓內(nèi)漏空氣自動(dòng)排出，以保證預(yù)充填壓力維持在設(shè)定的期望值附近。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)采用基于上、下位機(jī)的分布式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

下位機(jī)系統(tǒng)位于試驗(yàn)現(xiàn)場，主要由傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)組成。傳感器主要由壓力(13支)、溫度(1支)和位移(4支)變送器組成，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。對(duì)于油液污染度的檢測，當(dāng)壓油濾出口和入口壓差超過0.35 MPa，壓差發(fā)訊器發(fā)出24 V DC開關(guān)量信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由1臺(tái)油冷機(jī)和3臺(tái)排氣電磁閥組成。油冷機(jī)選用工業(yè)油冷機(jī)，制冷功率為25 kW，控制方式為溫度固定型，在控制面板上設(shè)定溫度控制范圍，通過外部觸發(fā)信號(hào)或現(xiàn)場手動(dòng)信號(hào)控制油冷機(jī)工作。排氣電磁閥為DN20 PN 35 MPa高壓電磁閥。實(shí)時(shí)控制器系統(tǒng)采用NI CompactRIO系統(tǒng)，它是一款堅(jiān)固耐用、可重配置的嵌入式控制系統(tǒng)，主要由3部分組成：實(shí)時(shí)控制器、可重配置的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)機(jī)箱和工業(yè)級(jí)I/O模塊。其中：實(shí)時(shí)控制器選用NI cRIO- 9022實(shí)時(shí)控制器，主頻為533 MHz，VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要可靠準(zhǔn)確地執(zhí)行LabVIEW實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，完成閉環(huán)控制算法和控制信號(hào)的計(jì)算、采集的監(jiān)測信號(hào)的計(jì)算和與上位機(jī)的通信。FPGA機(jī)箱選用8插槽NI 9116機(jī)箱，用于安裝I/O模塊，機(jī)箱中的FPGA直接和每個(gè)I/O模塊相連，用來高速訪問I/O電路。I/O模塊主要用來對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行隔離、轉(zhuǎn)換以及信號(hào)調(diào)理，選用2塊C系列9203 AI模塊、1塊9421 DI模塊和1塊9481 SPST Relay模塊完成AI、DI和DO功能。

上位機(jī)系統(tǒng)位于測控大廳，由一臺(tái)研華IPC610型工控機(jī)組成，主要完成控制指令的下發(fā)和監(jiān)測參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、顯示、記錄和報(bào)警等功能。

3.2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件基于LabVIEW 2010軟件平臺(tái)開發(fā)，包括運(yùn)行在FPGA上的FPGA.VI，運(yùn)行在實(shí)時(shí)控制器上的RT.VI 及運(yùn)行在上位機(jī)的Host.VI。通過工業(yè)以太網(wǎng)并基于TCP/IP協(xié)議的方式將實(shí)時(shí)控制器與上位機(jī)連接，從而在Windows 環(huán)境下進(jìn)行上位機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)。上位機(jī)需要安裝LabVIEW軟件、Real-Time 模塊、FPGA 模塊、NI-RIO 驅(qū)動(dòng)軟件等。

FPGA 與實(shí)時(shí)控制器(RT程序)的數(shù)據(jù)交換是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，在本設(shè)計(jì)中，采用掃描方式的FPGA編程模式，RT直接用I/O變量映射C模塊的I/O，不需要編寫專門的FPGA程序，由工具包自動(dòng)編程實(shí)現(xiàn)，最高掃描頻率為1 kHz。

RT程序開發(fā)主要分為3部分：通過讀取I/O端口中的數(shù)據(jù)獲取監(jiān)測參數(shù)信號(hào)并將其送入隊(duì)列；RT作為服務(wù)器與上位機(jī)通信，采用基于數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者消費(fèi)者模式將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。實(shí)時(shí)控制器與上位機(jī)的通信采用TCP /IP 協(xié)議的方式進(jìn)行通信，基于生產(chǎn)者消費(fèi)者的TCP 隊(duì)列模式實(shí)現(xiàn)同步控制及數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)通過TCP/IP 協(xié)議將指令發(fā)送至實(shí)時(shí)控制器，實(shí)時(shí)控制器繼而通過讀/寫控制函數(shù)將指令下發(fā)至FPGA.VI，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的控制，而采集的數(shù)據(jù)寫入隊(duì)列再經(jīng)TCP/IP 協(xié)議上傳到上位機(jī)；實(shí)現(xiàn)空氣壓力和油溫的閉環(huán)運(yùn)算，通過實(shí)時(shí)采集值與下載至實(shí)時(shí)控制器的設(shè)定值的比較，確定NI 9481模塊相應(yīng)端口的0/1狀態(tài)，從而形成控制指令。

上位機(jī)程序包含控制參數(shù)設(shè)置模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)顯示與記錄模塊和報(bào)警模塊?？刂茀?shù)模塊設(shè)定閉環(huán)控制的壓力和溫度參數(shù)值；通訊模塊實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通訊；數(shù)據(jù)顯示記錄模塊的功能是對(duì)采集的各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)記錄；報(bào)警模塊的功能是對(duì)液壓油油溫和油液污染度進(jìn)行超標(biāo)報(bào)警，其中：油溫超過40 ℃油溫報(bào)警，壓油濾前后壓差超過0.35 MPa，油液污染度信號(hào)報(bào)警。采用事件驅(qū)動(dòng)的模式完成程序主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

4 測試結(jié)果

圖4給出了DN40調(diào)壓閥液壓缸油源、有桿腔、無桿腔壓力曲線。圖5給出了DN40調(diào)壓閥開度監(jiān)測曲線。

圖4 DN40調(diào)壓閥液壓缸壓力監(jiān)測曲線

圖5 DN40調(diào)壓閥開度監(jiān)測曲線

從圖4、圖5可以看出，調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)，液壓缸無桿腔壓力與總油源壓力基本相等，為16 MPa左右，有桿腔壓力為0 MPa，活塞桿開度信號(hào)為0 mm。開閥時(shí)，有桿腔壓力快速上升，無桿腔壓力快速下降，有桿腔的壓力大于無桿腔的壓力，活塞桿上升，帶動(dòng)調(diào)壓閥閥桿上升，活塞桿開度信號(hào)快速提升至15 mm，此后，開度信號(hào)、有桿腔、無桿腔壓力信號(hào)穩(wěn)定，這一過程，液壓系統(tǒng)做功產(chǎn)生熱量，油溫略微上升。調(diào)壓閥開度穩(wěn)定后，有桿腔與無桿腔的壓比與理論值D2/(D2-d2)=2.07(液壓缸缸徑D=50 mm，活塞桿桿徑d=36 mm)也基本一致。由此，驗(yàn)證了運(yùn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的正確性。

圖6給出了液壓油油溫降溫監(jiān)測曲線。從圖6可看出，當(dāng)油溫高于40 ℃后，油冷機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，開始快速降溫，至15 ℃停止，通過監(jiān)控系統(tǒng)和油冷機(jī)對(duì)油溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證了油溫處于正常使用的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了油溫閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

圖6 液壓油油溫降溫監(jiān)測曲線

圖7給出了DN100調(diào)壓閥某次內(nèi)漏時(shí)，自動(dòng)排氣與調(diào)壓過程的壓力監(jiān)測曲線。通過曲線可以看出，空氣管路預(yù)充填完畢，壓力達(dá)到期望值后，由于閥門內(nèi)漏，壓力值繼續(xù)緩慢上升。開啟自動(dòng)排氣后，壓力下降并一直穩(wěn)定維持在設(shè)定的期望值附近，直至調(diào)壓閥進(jìn)入調(diào)壓階段，從而驗(yàn)證了預(yù)充填壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

圖7 調(diào)壓閥自動(dòng)排氣與調(diào)壓過程壓力監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

基于工業(yè)以太網(wǎng)和分布式控制系統(tǒng)開發(fā)了調(diào)壓閥運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測和控制其液壓及工藝運(yùn)行環(huán)境參數(shù)。通過測試結(jié)果看出，監(jiān)測結(jié)果與理論計(jì)算一致，符合調(diào)壓閥的實(shí)際運(yùn)行狀況，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性和有效性。該系統(tǒng)為掌握調(diào)壓閥的運(yùn)行狀態(tài)，保證其安全、可靠運(yùn)行提供了有力支撐。