劉 杰，江衛(wèi)華，李書(shū)元

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430073）

液壓比例電磁閥測(cè)試平臺(tái)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 杰，江衛(wèi)華，李書(shū)元

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430073）

針對(duì)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(biāo)的高精度檢測(cè)，該文自主設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化水平很高的電磁閥性能檢測(cè)平臺(tái)。其核心是以PLC控制器和觸摸屏組合，將動(dòng)力單元、油路集成塊、測(cè)試閥安裝閥板等各個(gè)元件作為控制對(duì)象，采用輸入輸出模塊通道，構(gòu)成一個(gè)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量預(yù)處理、傳感器線性化處理及非線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換、越限報(bào)警處理、數(shù)字控制器工程實(shí)現(xiàn)等功能，滿足對(duì)比例電磁閥檢測(cè)的控制要求。文中詳述了測(cè)試平臺(tái)電控系統(tǒng)的構(gòu)成，工作原理和各部分功能的實(shí)現(xiàn)。

比例電磁閥；檢測(cè)；控制對(duì)象；數(shù)字控制器

電液比例電磁閥作為電液換擋閥的先導(dǎo)控制元件，其控制精度、響應(yīng)速度和線性度的高低以及輸出油壓是否穩(wěn)定會(huì)直接影響功率級(jí)閥芯的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而影響對(duì)油壓的控制，對(duì)換擋閥的品質(zhì)有重要的影響。換擋閥經(jīng)歷了從高速開(kāi)關(guān)電磁閥到電液比例電磁閥的發(fā)展過(guò)程[1]。高速響應(yīng)開(kāi)關(guān)電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、抗污染能力強(qiáng)，但由于其控制原理是通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)不斷打開(kāi)和關(guān)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(diǎn)，給精確控制帶來(lái)難度。由于高速響應(yīng)開(kāi)關(guān)電磁閥的缺點(diǎn)，比例電磁閥開(kāi)始在換擋控制回路中得到應(yīng)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(mén)、冶金部門(mén)、化工行業(yè)和城市建設(shè)等使用閥門(mén)大戶中增強(qiáng)對(duì)比例電磁閥產(chǎn)品的需求。因此，對(duì)比例電磁閥的檢測(cè)就顯得尤為重要。長(zhǎng)期以來(lái)電磁閥的性能檢測(cè)的方法是采用簡(jiǎn)易的人工檢測(cè)，這種檢測(cè)臺(tái)對(duì)檢測(cè)人員要求高，操作人員的強(qiáng)度非常大，速度也比較慢，尤其在檢測(cè)精度方面，效果不是很令人滿意。研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高自動(dòng)化水平電磁閥性能檢測(cè)臺(tái)，對(duì)提高生產(chǎn)力和自動(dòng)化程度具有重要的意義。

1 比例電磁閥特性試驗(yàn)臺(tái)原理及系統(tǒng)組成

液壓比例閥測(cè)試臺(tái)主要包括動(dòng)力單元、油路集成塊、測(cè)試閥安裝閥板、電控系統(tǒng)等，其中，動(dòng)力單元、油路集成塊、測(cè)試閥安裝閥板等各個(gè)元件為控制對(duì)象，電控系統(tǒng)由PLC和觸摸屏構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制和檢測(cè)，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(shè)計(jì)

在液壓電控系統(tǒng)中，工業(yè)控制器PLC必須經(jīng)過(guò)輸入輸出接口和過(guò)程通道與被控對(duì)象相連。輸入輸出接口是控制器與外部設(shè)備交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，信息的交換是頻繁發(fā)生的[3]。過(guò)程通道是在控制器和被控對(duì)象之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)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(duì)象的各種參數(shù)通過(guò)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(guò)計(jì)算和處理后的結(jié)果通過(guò)模擬量輸出通道或數(shù)字量輸出通道送到被控對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。觸摸屏與PLC控制器連接采用串口模式，使用標(biāo)準(zhǔn)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(guò)DDE和OPC內(nèi)部資料交換中心和硬件設(shè)備通信。通信線路使用RS-422A全雙工工作方式，RS-422A優(yōu)點(diǎn)是采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收方式，從根本上消除信號(hào)地線。這種驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于2個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器，它們的輸入是同一個(gè)信號(hào)，而一驅(qū)動(dòng)器的輸出正好與另一個(gè)反相[4]。當(dāng)干擾信號(hào)作為共模信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，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(shí)別這2種信號(hào)而正確接收傳送信息。采用RS-422A實(shí)現(xiàn)2點(diǎn)之間遠(yuǎn)程通信時(shí)，需要2對(duì)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(gòu)成一個(gè)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的監(jiān)督控制系統(tǒng)。觸摸屏上位機(jī)主要用作處理非實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)原始工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型或其它方法，自動(dòng)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(guò)程始終處于最優(yōu)工況，同時(shí)作為各被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示的人機(jī)界面[5]。PLC控制器完成測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理、流量傳感器和壓力傳感器線性化處理和非線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換方法、越限報(bào)警處理、數(shù)字控制器的工程實(shí)現(xiàn)等功能。其組成的監(jiān)督控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)督控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of monitor control system

1.2 數(shù)字控制器的工程實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)是對(duì)基于PLC控制的比例電磁閥特性試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)字控制器的工程實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)包括給定值和被控量處理、偏差處理、控制算法的實(shí)現(xiàn)、控制量處理及自動(dòng)/手動(dòng)切換技術(shù)6個(gè)環(huán)節(jié)，其示意如圖3所示。

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

對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可采用手動(dòng)操作器作為計(jì)算機(jī)的后備操作。當(dāng)切換開(kāi)關(guān)處于自動(dòng)位置時(shí)，控制量MV通過(guò)D/A輸出，此時(shí)系統(tǒng)處于正常的計(jì)算機(jī)控制方式，稱為自動(dòng)狀態(tài)（HA狀態(tài)）；反之，若切向手動(dòng)位置，則計(jì)算機(jī)不再承擔(dān)控制任務(wù)，由運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)操作器輸出0～10 mADC或4～20 mADC信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)方操作，這稱為手動(dòng)狀態(tài)（HM狀態(tài)）[6]。為了實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)平衡操作無(wú)擾動(dòng)切換，在手動(dòng)狀態(tài)下，盡管并不進(jìn)行算法計(jì)算，但應(yīng)使給定值（CSV）跟蹤被控量（CPV），同時(shí)也要把歷史數(shù)據(jù)，如前一時(shí)刻采樣值e（k-1）清零，同時(shí)，還要使控制器前一時(shí)刻輸出值u（k-1）跟蹤手動(dòng)控制量。這樣，一旦切向自動(dòng)而控制器前一時(shí)刻輸出值u（k-1）又等于切換瞬間的手動(dòng)控制量，這就保證了控制器輸出控制量的連續(xù)性。當(dāng)從自動(dòng)切向手動(dòng)時(shí)，只要計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序工作正常，就能自動(dòng)保證無(wú)擾動(dòng)切換[7]。當(dāng)從輸出保持狀態(tài)或安全輸出狀態(tài)切向正常的自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，同樣需要進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換，為此可采取類似的措施。當(dāng)然，這一切需要有相應(yīng)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(jí)、前饋、純滯后補(bǔ)償（Smith）等復(fù)雜控制系統(tǒng)[10]，對(duì)于后面2種系統(tǒng)還應(yīng)增加補(bǔ)償器運(yùn)算模塊。利用該控制模塊和各種功能運(yùn)算模塊的組合，可以組成各種控制系統(tǒng)來(lái)滿足比例電磁閥控制的要求。

2 液壓比例電磁閥特性測(cè)試控制流程

按工藝要求，由觸摸屏對(duì)工藝曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)算，給出信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)加壓泵，經(jīng)過(guò)PLC的接收然后運(yùn)算輸出，輸出模擬量信號(hào)，通過(guò)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(lái)控制它的開(kāi)合度，而電磁閥的開(kāi)度的變化會(huì)引起流量的改變，從而壓力也會(huì)改變。再由壓力傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)和流量傳感器檢測(cè)到流量信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)字濾波程序和標(biāo)度變換程序處理后再傳送給PLC，再由PLC經(jīng)過(guò)數(shù)字控制器處理后送給被控對(duì)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(biāo)測(cè)試方法如下：

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

密封性試驗(yàn)將測(cè)試閥板的回油管拆掉，在其出口處放置量杯測(cè)量泄漏量。給換擋閥提供24 V電壓完全開(kāi)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(yàn)將模擬負(fù)載壓力的溢流閥14調(diào)節(jié)至1.5 MPa（出廠已設(shè)定，改變可將球閥15.1打開(kāi)，球閥15.2、15.3關(guān)閉，然后調(diào)節(jié)溢流閥14，順時(shí)針為增大，逆時(shí)針為減?。?，給被試閥提供不同的電信號(hào)，在每個(gè)輸入的信號(hào)值下，穩(wěn)定1 min，采集被試閥的出口壓力。在給被試閥信號(hào)時(shí)，建議逐漸升高，然后逐漸降低，可測(cè)量出被試閥的壓力曲線。

3 PLC多模式軟件設(shè)計(jì)

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

整個(gè)測(cè)試平臺(tái)電控系統(tǒng)設(shè)有4種操作模式：正常模式、測(cè)試模式、故障模式及調(diào)試模式。正常模式時(shí)，在每一大步執(zhí)行完畢后或在大步執(zhí)行過(guò)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(cè)試模式；測(cè)試模式時(shí)，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(cè)試平臺(tái)裝置若干小的動(dòng)作步驟合成一個(gè)大的步驟，每個(gè)大步采用自動(dòng)控制，大步之間采用手動(dòng)控制。電控系統(tǒng)一般情況下采用正常模式。

測(cè)試模式測(cè)試平臺(tái)裝置每一小步動(dòng)作都由手動(dòng)進(jìn)行操作，即全手動(dòng)。每完成一個(gè)基本動(dòng)作，系統(tǒng)鎖定，防止誤操作。測(cè)試模式又分為2種不同方式：一種是按正常模式動(dòng)作順序進(jìn)行小步動(dòng)作；另一種是自由控制每個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，此模式屬于操作人員測(cè)試用。

故障模式每一小步動(dòng)作都由手動(dòng)控制，其區(qū)別是沒(méi)有動(dòng)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(cè)試平臺(tái)4個(gè)位置檢測(cè)行程開(kāi)關(guān)中有1個(gè)沒(méi)有發(fā)訊，此時(shí)程序判斷系統(tǒng)故障，而現(xiàn)實(shí)情況又必須測(cè)試平臺(tái)動(dòng)作，在人為判斷不會(huì)發(fā)生事故的情況下，故障模式允許進(jìn)行下一步操作，此模式屬于檢修人員進(jìn)行檢修和排故。

調(diào)試模式對(duì)整個(gè)測(cè)試平臺(tái)液壓系統(tǒng)中的每個(gè)執(zhí)行元器件都可獨(dú)立進(jìn)行操作，以方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢修和維護(hù)。該操作模式只能生產(chǎn)廠家使用，使用時(shí)必須輸入密碼確認(rèn)。

測(cè)試平臺(tái)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(shè)計(jì)利用EB800 V4軟件來(lái)繪制界面并實(shí)時(shí)顯示所測(cè)得的數(shù)據(jù)，讓檢測(cè)人員可以清楚地看到數(shù)據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)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(cè)界面Fig.6 Test interface

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、性能可靠。采用數(shù)字技術(shù)控制方式，提高了液壓比例電磁閥質(zhì)量檢測(cè)精度；改善了勞動(dòng)條件，不用人工手動(dòng)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。

[1] 劉興榮，李廣榮.高速開(kāi)關(guān)電磁閥的研究與測(cè)試[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（1）：38-42.

[2] 殷孝龍.自動(dòng)變速器數(shù)字比例調(diào)壓閥設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

[3] 王永華.現(xiàn)代電氣空氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4] 周美蘭.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[5] Kyong Uk Yang，Jung Gyu Hur，Gwang Jun Kim，et al.Non-linear modeling and dynamic analy-sis of hydraulic control valve effect of a decision factor between experiment and numerical simulation[J].Nonlinear Dynamics，2012，69（4）：2135-2146.

[6] S7-200 CN可編程序控制器手冊(cè)[M].西門(mén)子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)，2005.

[7] 王曉罡，陳文曲，唐妹芳，等.比例電磁閥的特性分析與試驗(yàn)研究[J].火箭推進(jìn)，2011，37（2）：52-59.

[8] 雷天覺(jué).新編液壓工程手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[9] 史國(guó)生.電氣控制與可編程控制器技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[10]LIN Tian-liang，WANG Qing-feng，HU Bao-zan，et al.Development of hybrid powered hydraulic construction machinery[J].Automation in Construction，2010，19（1）：11-19．

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?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。