汪凱斌，尚群立，李鵬飛，倪佳琪

(浙江工業(yè)大學 信息工程學院，杭州 310023)

基于LabVIEW的控制閥性能測試評估系統(tǒng)設計

汪凱斌，尚群立，李鵬飛，倪佳琪

(浙江工業(yè)大學 信息工程學院，杭州 310023)

控制閥在工業(yè)控制領域扮演十分重要的角色，但目前國內(nèi)對控制閥性能測試評估系統(tǒng)的研究十分薄弱，并且常規(guī)的儀器儀表很難精確測試控制閥的性能；針對這種情況，基于NI compactRIO硬件、各類傳感器以及LabVIEW軟件開發(fā)設計了一套控制閥性能測試評估系統(tǒng),該系統(tǒng)能實時檢測、采集處理數(shù)據(jù)，能夠把閥門性能測試過程中的數(shù)據(jù)自動保存與分析處理，實現(xiàn)了控制閥的在線測試和功能評估，并且可將控制閥各項性能指標評估結果匯集于一張類似體檢單的報表顯示，給閥門廠商的出廠測試、維修檢測以及日常維護提供參考依據(jù)；采用該系統(tǒng)對某公司的直通氣開式薄膜調(diào)節(jié)閥S9044進行了性能測試評估，實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠全面、精確地測試出調(diào)節(jié)閥的各項性能指標，且系統(tǒng)軟件交互界面良好、擴展性強、精度高。

控制閥；性能評估；LabVIEW；性能測試

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、強沖刷等工藝介質(zhì)直接接觸，并且其機械部分運動頻繁，會導致應力損壞或產(chǎn)生磨損，從而最容易發(fā)生故障或性能下降[1]。因此，需要對調(diào)節(jié)閥進行定期保養(yǎng)和檢修，但是通常的檢修方法是對所有的閥進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行了解體，耗費了大量不必要的時間。故能夠開發(fā)一套診斷設備去評估調(diào)節(jié)閥的性能，進行選擇性維修，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)對控制閥的維護做出了很多研究，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，能夠利用斜坡信號測試控制閥性能，利用階躍響應測試分析控制閥超調(diào)量、遲滯性、死區(qū)時間等，并且可以檢測到控制閥的運動趨勢，用紅/黃/綠進行故障報警。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)行機構行程是否遇阻。以上介紹的無疑是當今較為先進的控制閥性能測試與評估系統(tǒng)，是理論發(fā)展和實際生產(chǎn)結合的產(chǎn)物，是國內(nèi)相應的設備廠家模仿學習的標榜[3]。

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

1 實驗平臺描述

在測試控制閥之前需要對控制閥構建一個模擬的工況下的環(huán)境，使控制閥測試所得的結果與工廠運行時的狀況一致，需要設計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。

在整個診斷測試過程中，不僅要對控制閥本身進行測試，還需要對相關附件的輸出信號進行采集，因此還需要構建流體流通環(huán)境的管道、儲水罐和水泵等，具體的實驗平臺原理圖，如下圖1所示。該實驗臺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 性能評估系統(tǒng)組成

2.1 性能評估系統(tǒng)總體描述

控制閥性能測試評估系統(tǒng)裝置由被測控制閥、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、智能定位器信號發(fā)送部分和基于LabVIEW軟件的上位機程序部分組成。它主要針對控制閥的氣室、執(zhí)行機構、閥體以及智能定位器組成的控制系統(tǒng)，通過不同的測試標準對定位器施加特定的激勵信號，并且在關鍵部位嵌入相應的傳感器，采集閥位、氣室氣壓、氣源氣壓、應變力等關鍵參數(shù)信息，通過以太網(wǎng)的形式發(fā)送給上位機，上位機對數(shù)據(jù)進行綜合分析得出整個控制系統(tǒng)的動態(tài)響應參數(shù)，主要為動作載荷性能參數(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、上位機部分和工業(yè)自動化儀表組成，系統(tǒng)測量數(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量物件的接觸情況密切相關。傳感器部分包括閥位變送傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和應變傳感器；數(shù)據(jù)采集部分包括模擬輸入信號模塊NI9203、模擬輸出信號模塊NI9265、NI CopmactRIO 9024機箱和24 V供電模塊。工業(yè)自動化儀表包括壓力變送器、壓差變送器和流量計。上位機部分主要為開發(fā)的LabVIEW軟件。此軟件主要實現(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。性能評估系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 性能評估系統(tǒng)結構圖

3 性能評估系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件需求分析

控制閥在出廠、維修和維護過程中需要對控制閥進行一次全面的檢測，該檢測包含了控制閥各個部位的性能參數(shù)包括了執(zhí)行機構、定位器、閥體這3個部分。根據(jù)國際和美國儀器協(xié)會標準所規(guī)定的性能測試方法，主要進行四大類測試，分別為動作載荷性能測試、診斷預測試、動態(tài)響應測試和介質(zhì)流量測試。在這些檢測過程中，需要對控制閥施加激勵信號，其中包括斜坡、階躍、正弦信號以及它們的組合信號。因此診斷軟件要去設計合適的激勵信號來滿足測試的要求。

該軟件不僅需要輸出控制信號，還需要對閥門測試過程中的各項參數(shù)實時采集以便進行數(shù)據(jù)分析。在性能評估系統(tǒng)中需要采集氣動調(diào)節(jié)閥的氣室氣壓、應變片壓力、閥位信號、氣源氣壓以及發(fā)送的控制信號，并且需要將控制閥的各項信號顯示在屏幕上，供閥門設計人員、維護人員進行分析。

該軟件還需要對閥門測試過程中的實時數(shù)據(jù)進行處理與分析，得到閥門的各項性能指標，從而使技術人員分析判斷該閥是否符合出廠要求，并且還需要把各項性能指標顯示在屏幕上，以便設計人員、維護人員查看。

最終需要把測試數(shù)據(jù)保存下來，并且生成相對應的測試報告，以便日后維護使用。

3.2 整體框架設計

系統(tǒng)采用基于LabVIEW的軟件開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)根據(jù)不同的測量要求，選擇不同的測量信號，利用壓力傳感器和NI模塊采集相應的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)的形式傳送到計算機的LabVIEW中，經(jīng)過分析和處理，最終得到控制閥性能評估報表。系統(tǒng)程序設計的主要功能模塊為測試信號生成、信號分析、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)采集、報表生成、閥門信息參數(shù)等。系統(tǒng)設計流程圖如圖3所示。

圖3 性能評估系統(tǒng)設計流程圖

在測試完成后，需要對測試的數(shù)據(jù)進行保存以及生成相應的性能報表，以便工程人員查看，該軟件使用TDMS文件對數(shù)據(jù)進行保存。TDMS文件是一種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它以二進制方式存儲數(shù)據(jù)，具有文件小，存儲速度快的特點，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歷史查詢程序設計如圖4所示。該TDMS文件可通過歷史查詢模塊，重新獲取測試的數(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TDMS文件,可將多個不同的測試情況顯示在在同一波形圖之中，方便測試員進行觀察，找出不同之處和問題所在，并且可根據(jù)需要將兩個采集通道的數(shù)組進行XY軸對比。

圖4 TDMS歷史查詢程序框圖

性能報表的輸出格式為word文檔，該文檔中包括所有測試項目的信息、性能指標以及關鍵的歷史數(shù)據(jù)。測試報表程序設計如圖5所示。該程序使用的是LabVIEW中自帶報表生成工具，報表的輸出數(shù)據(jù)格式為字符串類型，該報表中可以顯示生成該測試報告的日期與時間，以便測試人員進行追溯，且可添加波形圖至報表中，以作為日后技術人員的參考。當需要測試報表時，只需點亮生成報表的指示燈和指定保存路徑，在完成閥門測試的各個項目后，將自動生成完整的測試報告。

圖5 測試報告生成程序框圖

4 控制閥性能測試與評估

4.1 測試與評估方法

對于氣動調(diào)節(jié)閥的測試主要針對的是定位控制性能與動作載荷性能，主要包括上升時間、調(diào)節(jié)時間、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)閥的測試與評估主要目的是確定該調(diào)節(jié)閥是否與其設計要求相符以及在其使用過程中其性能退化的情況。通常，氣動調(diào)節(jié)閥的測試主要為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩種。

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

動態(tài)測試：動態(tài)測試相比靜態(tài)測試較為復雜， 它是模擬閥門在實際運行過程中管道內(nèi)有流體流動且閥體前后存在壓差時的狀態(tài)信息。它主要是為了測量執(zhí)行機構在克服流體對閥的反作用力時的執(zhí)行機構輸出的推力情況。因此它除了需要記錄靜態(tài)測試所需要記錄的數(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)測試需要更多的傳感器一起配合使用。

4.2 測試與評估步驟

控制閥的性能與評估主要針對的是定位控制性能測試與評估與動作載荷性能與評估，主要目的是獲取控制閥的各項性能指標，以便技術人員判定此控制閥是否設計合格，以及是否可以出廠。

其步驟可總結如下：

1)選取測試類型和測試信號，測試類型為定位控制性能和動作載荷性能，測試信號主要有階躍響應測試、響應時間測試、動態(tài)響應診斷測試等，測試信號可通過信號預覽查看；

2)按下發(fā)送控制信號按鍵，波形圖將實時顯示閥位、氣室氣壓、氣源氣壓、控制信號的響應曲線；

3)性能指標提取，將根據(jù)測試類型自動提取出性能指標；

4)根據(jù)國標GB/T22137.1-2008標準對性能指標進行評估；

5)自動生成報表，將按照指定的路徑保存報表。

4.3 實驗測試與評估

控制閥性能評估系統(tǒng)對某公司的氣動薄膜直通氣開式調(diào)節(jié)閥S9044進行測試。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S9044氣動調(diào)節(jié)閥進行定位控制性能測試、動作載荷性能測試，通過實時地顯示各個變送器的數(shù)據(jù)可以評估該調(diào)節(jié)閥的性能。定位控制性能測試結果如表2所示，該性能測試采集控制信號與閥位信號來驗證調(diào)節(jié)閥控制性能是否穩(wěn)定、快速和準確。性能參數(shù)指標主要有延遲時間，上升時間、調(diào)整時間、穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量等，根據(jù)調(diào)節(jié)閥標準值，其定位控制效果合格。

表2 定位控制性能測試結果表

動作載荷性能測試結果如表3所示，此測試是通過采集氣室氣壓、氣源氣壓、閥位信號和應變力來進行性能分析，從而獲得動摩擦力、彈簧剛度、行程、靜摩擦力等性能參數(shù)。該測試所得到的性能參數(shù)，均符合標準值。

表3 動作載荷性能測試結果表

5 結論

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

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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。

國家自然科學基金項目(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，碩士研究生導師，主要從事調(diào)節(jié)閥所在系統(tǒng)的理論與應用方向的研究。

1671-4598(2017)07-0313-04

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

TP274

A