氣動調(diào)節(jié)閥智能檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

徐文明

(上海石化工業(yè)學校機電科，上海 201512)

0 引言

工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的氣動調(diào)節(jié)閥，亦稱控制閥，是工藝生產(chǎn)過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中極為重要的部分。為了確保氣動調(diào)節(jié)閥的安全運行，在安裝、使用前應根據(jù)實際需要進行必要的檢查和校驗[1-4]。氣動調(diào)節(jié)閥相關技能競賽項目在全國石油和化工行業(yè)職業(yè)技能競賽、全國職業(yè)院校技能大賽和全國儀器儀表制造工職業(yè)技能競賽中相繼出現(xiàn)。其中，檢驗數(shù)據(jù)的采集和處理還是采用傳統(tǒng)的人工記錄、計算和評判[5-6]。

隨著“中國制造2025”行動綱領的推進，氣動調(diào)節(jié)閥智能檢測技術將迎來新的發(fā)展階段[7-8]。本文利用檢測儀表技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、觸摸屏技術和網(wǎng)絡通信技術，設計了一款氣動調(diào)節(jié)閥智能檢測系統(tǒng)。

1 氣動調(diào)節(jié)閥檢測內(nèi)容

1.1 氣動調(diào)節(jié)閥檢測工藝

氣動調(diào)節(jié)閥在安裝使用前，需根據(jù)實際需要進行檢查和校驗。氣動調(diào)節(jié)閥出廠檢驗項目包括基本誤差、回差、死區(qū)、始終點偏差、額定行程偏差、泄漏量、填料函及其他連接處密封性、氣室密封性、耐壓強度和外觀。其中：基本誤差、回差、死區(qū)、始終點偏差和額定行程偏差檢驗項目與調(diào)節(jié)閥的行程位移檢測相關；試驗點包括信號范圍的0%、25%、50%、75%和100%這5個點；泄漏量、填料函及其他連接處密封性、氣室密封性、耐壓強度檢驗項目與壓力試驗檢測相關，以泄漏量和氣室密封性的檢驗項目最為關鍵。為達到上述目的，本文設計了氣動調(diào)節(jié)閥檢測工藝流程，如圖1所示。

圖1 氣動調(diào)節(jié)閥檢測工藝流程圖

由圖1可知，壓縮空氣經(jīng)過濾器和減壓閥輸出三路工作氣源。其中：第一路經(jīng)球閥V1提供工作氣源；第二路經(jīng)定值器、球閥V2提供可調(diào)節(jié)的定值氣源，經(jīng)球閥V3提供氣動調(diào)節(jié)閥氣室密封性檢測或電-氣閥門定位器輸入氣源；第三路經(jīng)球閥V4提供儲氣罐輸入氣源，儲氣罐出口經(jīng)球閥V5送到閥體進口。檢測泄漏量時，閥體出口泄漏量經(jīng)球閥V7流出，通過浮子流量計FI1和質(zhì)量流量計FT1檢測[9]。

1.2 行程位移檢測流程

檢驗氣動調(diào)節(jié)閥時，將規(guī)定的輸入信號平穩(wěn)地按增大或減小方向輸入電-氣閥門定位器，測量各點所對應的行程值。在智能檢測系統(tǒng)中，輸入信號可以手動給定，也可以智能給定。手動給定是以手動方式向電-氣閥門定位器施加各點所對應的輸入信號，必要時可調(diào)整電-氣閥門定位器的調(diào)零旋鈕和行程旋鈕，使調(diào)節(jié)閥行程符合精度要求[10]。智能給定是由智能檢測系統(tǒng)向電-氣閥門定位器施加各點所對應的輸入信號。各點所對應的行程值由位移檢測器ZIT1檢測，并轉換成標準信號送給智能檢測系統(tǒng)。智能檢測系統(tǒng)根據(jù)檢驗項目的要求，依次將規(guī)定的輸入信號接入電-氣閥門定位器；然后，將測量到的各點所對應的行程值保存起來；檢測完成后，系統(tǒng)可以對檢測的數(shù)據(jù)進行分析判斷。

1.3 壓力試驗檢測流程

泄漏量試驗選用介質(zhì)為5～40 ℃的清潔空氣。在調(diào)節(jié)閥無外漏的情況下，先關閉球閥V6、打開球閥V7，排空調(diào)節(jié)閥空氣介質(zhì)。此時，調(diào)節(jié)閥閥芯應處于全關閉位置。然后，打開儲氣罐的輸出端球閥V5,將壓縮空氣介質(zhì)接到調(diào)節(jié)閥的進口，通過浮子流量計FI1檢測較大的泄漏量，或通過流量變送器FT1檢測較小的泄漏量，最終判斷泄漏等級。

在氣室密封性試驗中，將定值器輸出通過球閥V2、球閥V3直接連接到氣動執(zhí)行機構的氣室，按照標準要求調(diào)整定值器輸出壓力，觀察定值氣源壓力PIT2是否達到要求。在額定氣源壓力下，關閉球閥V2。此時，記錄初始壓力，等待5 min后，再記錄結束壓力。計算初始壓力與結束壓力差值。氣室密封性的要求是5 min內(nèi)薄膜氣室內(nèi)的壓力下降不得大于2.5 kPa。

2 檢測系統(tǒng)硬件設計

2.1 檢測系統(tǒng)硬件組成

檢測系統(tǒng)硬件由觸摸屏一體機、位移檢測器、信號采集器、測量控制器、質(zhì)量流量計、壓力變送器、聯(lián)鎖保護模塊和電源模塊等組成。觸摸屏一體機具有雙中央處理機(central processing unit,CPU)模式；ARM芯片用于處理圖形人機操作界面及數(shù)據(jù)記錄；單片機CPU用于保證人工智能(artificial intelligency,AI)邏輯比例積分微分(proportional integral defferential,PID)算法運算控制及采樣實時性。位移檢測器用于采集調(diào)節(jié)閥行程位移，具有設置絕對測量或相對測量的功能，分辨力為0.01 mm，能將行程位移轉換為數(shù)字信號。信號采集器用于采集氣動調(diào)節(jié)閥的泄漏量、工作氣源壓力和定值氣源壓力。測量控制器用于提供標準電流信號4～20 mA，同時也可以接收電-氣閥門定位器輸出的4～20 mA反饋信號。質(zhì)量流量計用于測量氣動調(diào)節(jié)閥的泄漏量，檢測小流量氣體。壓力變送器用于采集工作氣源壓力和定值氣源壓力，能現(xiàn)場顯示并將壓力信號轉換為標準信號4～20 mA。聯(lián)鎖保護模塊用于在氣動調(diào)節(jié)閥泄漏量過高時，自動切斷質(zhì)量流量計電源，以達到保護質(zhì)量流量計的目的，避免質(zhì)量流量計意外損壞。電源模塊有2個，分別為質(zhì)量流量計提供DC 12 V的工作電源，以及為位移檢測器提供DC 5 V的電源。

檢測系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)框圖

2.2 檢測系統(tǒng)電路設計

檢測系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 檢測系統(tǒng)原理圖

檢測系統(tǒng)電路設計包括供電電源的設計、控制回路的設計和網(wǎng)絡通信的設計。

①供電電源設計。系統(tǒng)供電電源設計為AC 220 V。其中：觸摸屏一體機、測量控制器和信號采集器全部采用AC 220 V直接供電；位移檢測器工作電源設計為DC 5 V，選用AC 220 V/DC 5 V電源模塊供電；質(zhì)量流量計工作電源設計為DC 12 V，選用AC 120 V/DC 24 V電源模塊供電。

②控制回路設計。電-氣閥門定位器控制回路，設計采用測量控制器，輸出4～20 mA標準電流信號給電-氣閥門定位器，同時也能接收電-氣閥門定位器反饋的4～20 mA標準電流信號。工作氣源壓力、定值氣源壓力及泄漏量檢測回路采用信號采集器，接收來自PIT1和PIT2轉換的4～20 mA標準電流信號，以及FT1質(zhì)量流量計檢測的泄漏量轉換的DC 1～5 V標準電壓信號。同時，在FT1質(zhì)量流量計檢測的泄漏量超量程時，信號采集器自動輸出KA1保護信號，立即切斷FT1質(zhì)量流量計的電源，實現(xiàn)質(zhì)量流量計的超量程檢測保護。

③網(wǎng)絡通信設計。以觸摸屏一體機作為主站、位移檢測器作為從站，設計位移檢測回路，采用RS-232與觸摸屏一體機進行通信。以觸摸屏一體機作為主站、測量控制器和信號采集器作為從站，采用RS-485通信協(xié)議與觸摸屏一體機進行通信。其中，測量控制器地址為1，信號采集器地址為2。

2.3 檢測系統(tǒng)箱體設計

在設計箱體時，正面開孔布置了相關部件。智能檢測系統(tǒng)箱體布置如圖4所示。

圖4 智能檢測系統(tǒng)箱體布置圖

①觸摸屏一體機，用于觸摸屏界面操作和顯示。

②測量控制器作為操作器使用，可以直接給電-氣閥門定位器設置輸入信號，并能顯示設定值和反饋信號。

③工作氣源壓力表和定值氣源壓力表，可以直觀顯示壓力。

④轉子流量計，可以直接觀察泄漏量。

⑤電源開關，用于接通或切斷系統(tǒng)總電源。

⑥減壓閥，用于調(diào)節(jié)工作氣源壓力。

⑦校驗/側漏，用于氣室密封性試驗中的氣源壓力切換。

⑧定值器，用于調(diào)節(jié)定值氣源壓力。

⑨工作氣源和定值氣源，根據(jù)檢測要求連接使用。

3 智能檢測軟件設計

3.1 行程位移智能檢測程序設計

基本誤差試驗是將規(guī)定的輸入信號平穩(wěn)地按增大或減小方向輸入電-氣閥門定位器，測量各點所對應的行程值，并按式(1)計算實際“信號-行程”關系與理論關系之間的各點誤差，其最大值即為基本誤差。試驗點包括信號范圍的0%、25%、50%、75%和100% 5個點。

(1)

式中：δi為第i點的誤差；li為第i點的實際行程，mm；Li為第i點的理論行程，mm；L為調(diào)節(jié)閥的額定行程，mm。

行程位移檢測程序流程如圖5所示。

圖5 行程位移檢測程序流程圖

檢測開始時，系統(tǒng)先初始化滿行程和記錄表，然后進行試驗點0%、25%、50%、75%和100%這5個點的正行程檢測。試驗點正行程檢測流程如圖5(a)所示。試驗點正行程檢測結束后，再進行試驗點100%、75%、50%、25%和0%這5個點的反行程檢測。試驗點反行程檢測流程如圖5(b)所示。

3.2 死區(qū)試驗智能檢測程序設計

死區(qū)試驗檢測有2項，分別為緩慢增大輸入信號和緩慢減小輸入信號。這2項檢測均需在觀察到1個行程變化時，記下這時的輸入信號值。這2項輸入信號值之差的絕對值即為死區(qū)。死區(qū)應在輸入信號量程的25%、50%和75%這3個點上進行試驗，其最大值不得大于標準中的規(guī)定。

死區(qū)試驗程序流程如圖6所示。

圖6 死區(qū)試驗程序流程圖

檢測開始時，系統(tǒng)先進行試驗點25%、50%、75%這3個點的死區(qū)正行程檢測。死區(qū)正行程檢測流程如圖6(a)所示。死區(qū)正行程檢測結束后，再進行試驗點75%、50%、25%這3個點的死區(qū)反行程檢測。死區(qū)反行程檢測流程如圖6(b)所示。

4 實現(xiàn)與應用

4.1 智能檢測系統(tǒng)界面

氣動調(diào)節(jié)閥智能檢測系統(tǒng)操作主界面由輸入輸出顯示、輸入信號按鈕和功能按鈕等組成。智能檢測系統(tǒng)操作主界面如圖7所示。

圖7 智能檢測系統(tǒng)操作主界面

功能操作按鈕有4個，分別為氣室密封性檢測、調(diào)節(jié)閥試驗檢測、閥門泄漏量檢測和技術要求設置。輸入輸出顯示有4個，分別為定值氣源壓力(kPa)、電-氣閥門定位器的輸入量(%)、行程值(mm)和反饋值(%)。輸入信號按鈕有6個，分別為0%、-25%、+25%、100%、輸入逐漸增大和輸入逐漸減小，可用于設置電-氣閥門定位器的輸入量(%)。

4.2 調(diào)節(jié)閥試驗檢測操作

調(diào)節(jié)閥試驗檢測操作界面如圖8所示。

圖8 試驗檢測操作界面

操作界面顯示校驗點(%)、額定行程(mm)和輸入信號(mA)各5組；檢測數(shù)據(jù)記錄顯示位移檢測(mm)的正、反行程數(shù)據(jù)10個和死區(qū)檢測(%)的正、反行程數(shù)據(jù)6個；數(shù)據(jù)分析結果顯示6項，包括基本誤差(%)、回差(%)、死區(qū)(%)、始終點偏差(%)、額定行程偏差(%)和檢測結果。該操作實現(xiàn)了1臺氣動調(diào)節(jié)閥的試驗檢測，該氣動調(diào)節(jié)閥額定行程為20 mm,校驗精度為1%。檢測數(shù)據(jù)分析：基本誤差為0.9%，回差為0.55%，死區(qū)為0.27%，始終點偏差為0.16%，檢測結果為合格。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術應用

利用計算機終端或智能手機等移動終端，能便捷、及時和有效地對檢測結果作出處理，極大地提高了工作效率。運用物聯(lián)網(wǎng)技術[11-13]，可實現(xiàn)計算機終端和移動終端對氣動調(diào)節(jié)閥智能檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問。

計算機終端可以與觸摸屏一體機組成局域網(wǎng)，通過交換機訪問氣動調(diào)節(jié)閥試驗的所有數(shù)據(jù)。計算機終端也可以通過以太網(wǎng)訪問云服務器接收的氣動調(diào)節(jié)閥試驗數(shù)據(jù)。移動終端可以通過無線訪問點獲取云服務器的相關數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)架構如圖9所示。

圖9 物聯(lián)網(wǎng)架構圖

在職業(yè)院校相關專業(yè)教學和技能競賽中，參賽者在完成氣動調(diào)節(jié)閥的安裝、調(diào)校后，需由教師和裁判員對檢測結果進行核算和評判。核算和評判采用計算機終端或移動終端進行操作，能有效避免人為因素造成的錯誤評判。

5 試驗檢測

根據(jù)氣動調(diào)節(jié)閥國家標準GB/T4213-92技術要求，比較智能檢測系統(tǒng)與非智能檢測系統(tǒng)對氣動調(diào)節(jié)閥試驗的檢測結果，可知智能檢測系統(tǒng)在氣動調(diào)節(jié)閥額定行程偏差、泄漏量、氣室密封性和死區(qū)試驗等方面的檢測結果有明顯改進。試驗檢測結果對比如表1所示。

由表1可知：“額定行程偏差”和“死區(qū)試驗”均由“手動操作檢測、人工記錄計算”改進為“自動運行檢測、系統(tǒng)記錄計算”；“泄漏量”和“氣室密封性”均由“人工判斷記錄”改進為“系統(tǒng)判斷記錄”；所有試驗檢測結果全部保存到云端，為計算機終端和移動終端提供云端數(shù)據(jù)訪問，實現(xiàn)了氣動調(diào)節(jié)閥試驗檢測結果的可查詢和產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯。

6 結論

本文設計的氣動調(diào)節(jié)閥智能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了氣動調(diào)節(jié)閥智能行程校驗、死區(qū)試驗自動運行檢測和氣動調(diào)節(jié)閥精度自動計算，解決了定量檢測氣室密封性和閥體泄漏量的問題。同時，該系統(tǒng)應用物聯(lián)網(wǎng)技術，為計算機終端和移動終端提供云端數(shù)據(jù)訪問。該氣動調(diào)節(jié)閥智能檢測系統(tǒng)已在全國職業(yè)院校儀表及自動化相關專業(yè)中用于教學，并已用于第三屆全國儀器儀表制造工職業(yè)技能競賽，在氣動調(diào)節(jié)閥裝配與校驗賽項中發(fā)揮了重要作用。該系統(tǒng)還能用于企業(yè)職工培訓、職業(yè)技能鑒定以及氣動調(diào)節(jié)閥安裝、使用前的校驗。