王 興 江忠浩 王亦雷 杜 辰 荀亞玲

（太原科技大學(xué) 太原 030024）

1 引言

閥門作為管道系統(tǒng)中一種常用的控制元件，能夠控制流體的各項(xiàng)性能，比如方向、壓力和流量。在密閉容器的使用過程中，如果發(fā)生泄漏并且泄漏量到一定范圍，就會(huì)對(duì)使用的產(chǎn)品施加一定的負(fù)面影響，所以其氣密性成為人們重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)之一［1］。給風(fēng)調(diào)整閥、操縱閥、波紋閥是已有貨車車輛的關(guān)鍵部件，它的作用是利用貨車車輛的列車管氣源實(shí)現(xiàn)K系列貨車車輛卸貨門的自動(dòng)控制，以及為噴淋降塵系統(tǒng)提供200Kpa的安全壓力。它們的性能，不但對(duì)系列貨車車輛卸貨門的正常動(dòng)作至關(guān)重要，而且因?yàn)樗哪芰縼?lái)自列車管氣源，它們的性能還直接影響到列車的制動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而影響到行車的安全。這些閥門的質(zhì)量保證，對(duì)檢測(cè)氣密性技術(shù)以及設(shè)備都有了新的要求與挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外設(shè)備自動(dòng)化程度不高以及目前傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法不僅耗時(shí)耗力，而且檢測(cè)效率低下，使其無(wú)法達(dá)到檢測(cè)的效率［2］。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種裝置，該裝置采用微機(jī)控制給風(fēng)調(diào)整閥、操縱閥、波紋閥的檢驗(yàn)過程：采用人機(jī)對(duì)話的方式，使操作人員根據(jù)界面提示即可完成多種閥門的試驗(yàn)；設(shè)備本身帶有故障診斷功能，可最大化保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；通過自動(dòng)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用專家系統(tǒng)判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存，方便打印以及查詢。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 性能測(cè)試需求分析

給風(fēng)調(diào)整閥的綜合性能檢測(cè)中，有3 個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目：1）定壓充風(fēng)試驗(yàn)：主要包括在后端壓力上升的同時(shí)，前端壓力上升的情況；2）逆止試驗(yàn)：主要包括在前后端壓力差到達(dá)一定程度后，保壓一分鐘前端壓力的上升程度。如果該試驗(yàn)如果不良，會(huì)影響列車在制動(dòng)條件下發(fā)生自然緩解，對(duì)車輛的運(yùn)行安全產(chǎn)生重大影響；3）充風(fēng)時(shí)間檢測(cè)：主要包括后端壓力達(dá)到一定程度時(shí)所用的時(shí)間。操縱閥的主要綜合性能檢測(cè)是保壓處是否泄漏、手動(dòng)位是否泄漏以及AB 腔的排風(fēng)是否通暢，防止鑄造缺陷。波紋閥測(cè)試氣密性是否完好，如果氣體泄漏，那么泄漏量的大小將嚴(yán)重影響氣動(dòng)元件的工作可靠性。

2.2 設(shè)備的結(jié)構(gòu)

鐵路車輛給風(fēng)調(diào)整閥、操縱閥、波紋閥智能檢測(cè)系統(tǒng)由機(jī)械部分、硬件控制部分、軟件部分組成［3］。機(jī)械部分包括工作臺(tái)、電磁閥、風(fēng)管路；硬件控制部分包括壓力傳感器、PLC（Programmable Logic Controller）和計(jì)算機(jī)；軟件部分主要包括采用VB（Visual Basic）語(yǔ)言編制的控制主程序。該檢驗(yàn)系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)兩用的功能。手動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，由工作臺(tái)上的開關(guān)控制，接通相應(yīng)電磁閥，可以脫離計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立工作。自動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，由計(jì)算機(jī)按試驗(yàn)流程自動(dòng)控制系統(tǒng)工作，并可根據(jù)需要進(jìn)行單步試驗(yàn)過程。操縱員可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)更換手動(dòng)模式或自動(dòng)模式。該檢驗(yàn)系統(tǒng)有著靈活的操作、足夠穩(wěn)定的性能，并且系統(tǒng)本身的安全性較高。

2.3 工作原理

通過壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)入PLC 系統(tǒng)的模擬輸入模塊（231）后，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換可供計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，通過通信電纜傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)得到信號(hào)后進(jìn)行運(yùn)算處理，并將處理后的信號(hào)反饋給PLC，PLC 發(fā)送控制指令進(jìn)一步控制試驗(yàn)系統(tǒng)中的電磁閥動(dòng)作，從而完成閥的試驗(yàn)過程。工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 氣路元件選擇

氣缸：是氣動(dòng)系統(tǒng)最重要也是使用最多的氣路執(zhí)行元件，由活塞分成上下兩個(gè)腔室，壓縮空氣進(jìn)入無(wú)桿腔的時(shí)候，其作用到活塞的力，使得活塞前進(jìn)。有桿腔內(nèi)的空氣排入大氣，使活塞桿伸出［4］，反之則退回。氣缸活塞完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的最大耗氣量qmax計(jì)算公式為其中D為缸徑，s為氣缸行程，t為一次往復(fù)行程所需的時(shí)間，p為工作壓力。根據(jù)此式可以選擇合適的氣源排放量。氣缸在該檢測(cè)裝置中充當(dāng)被測(cè)元件的夾持裝置。

電磁閥：直動(dòng)式電磁閥是利用電磁力直接推動(dòng)閥桿換向，電磁線圈未通電時(shí)，閥體沒有輸出；線圈通電時(shí)，電磁鐵推動(dòng)閥芯向下移動(dòng)，閥體有輸出。該實(shí)驗(yàn)裝置擬用開關(guān)連接電磁閥控制氣路的通斷。

儲(chǔ)氣罐：專門是儲(chǔ)存氣體的裝置，當(dāng)空氣進(jìn)入空壓機(jī)后，送到儲(chǔ)氣罐中，再由儲(chǔ)氣罐管道供給各個(gè)用氣地點(diǎn)，作用就是要保證供氣穩(wěn)定，當(dāng)流量變化較大時(shí)，儲(chǔ)氣罐的容積與空壓機(jī)額定流量及工作壓力的關(guān)系公式為

V′為儲(chǔ)氣罐容積，p為工作壓力，Q為空壓機(jī)額定流量。

傳感器：背壓式傳感器是利用噴嘴—擋板機(jī)構(gòu)的變節(jié)流原理構(gòu)成的。穩(wěn)定的工作氣源經(jīng)恒節(jié)流氣阻到背壓室，從噴嘴流入。在一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作壓力p下，背壓室的氣壓p0（通常稱為背壓）是隨擋板和噴嘴之間的距離s而變化，變化過程可由以下方程來(lái)描述：

α1為恒節(jié)流氣阻的流量系數(shù)，α2為噴嘴-擋板的流量系數(shù)，D為噴嘴直徑，d1為恒節(jié)流氣阻直徑。在程序控制中，可用作壓力等物理量的檢測(cè)。

消聲器：一般用阻尼消聲器可降低噪聲10dB～25dB，消聲效果是因阻尼而產(chǎn)生的整流和吸音材料對(duì)音響能量的吸收而得到的。

3.2 氣路設(shè)計(jì)

根據(jù)2.1 的性能需求分析以及3.1 的氣路元件選型繪制了如圖2 的氣路原理圖。測(cè)試時(shí)，打開氣源和8 位閥，向工件充氣，當(dāng)壓力傳感器壓力輸出值達(dá)到規(guī)定值時(shí)即關(guān)閉8 位閥，保壓一分鐘，待被測(cè)閥體密封腔室內(nèi)壓力穩(wěn)定平衡后，讀取傳感器輸出p1值，經(jīng)一段時(shí)間ΔT后，再讀取傳感器p2值，可計(jì)算出被測(cè)閥體在該條件下的泄漏率Δ=(p2-p1) ΔT，隨后打開2位、3位閥放氣，將密封腔室內(nèi)氣體排空，為下一工件測(cè)試做好準(zhǔn)備。底部的三位四通閥是用手動(dòng)控制的，打開時(shí)，氣源通過三位四通閥進(jìn)入氣缸中，氣缸活塞伸出與被測(cè)閥體連接進(jìn)行夾持，設(shè)置了3 個(gè)氣缸分別夾持3 種被測(cè)閥體，關(guān)閉氣體后，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)不足活塞收縮，被測(cè)閥體被松開，測(cè)量完畢。

圖2 氣路原理圖

3.3 裝置搭建

根據(jù)以上分析結(jié)合給風(fēng)調(diào)整閥、操縱閥、波紋閥性能檢測(cè)的總體設(shè)計(jì)［5］搭建了試驗(yàn)臺(tái)，如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)裝置圖

圖3 左邊圖像為閥門檢測(cè)臺(tái)，右邊圖像為電氣柜及顯示器，其結(jié)構(gòu)整體布局合理，主要由顯示器操作界面、電氣布線、閥門夾持裝置、儀表、電磁閥開關(guān)、氣源設(shè)置等幾部分組成。能夠?qū)崿F(xiàn)給風(fēng)調(diào)整閥、操縱閥、波紋閥的自動(dòng)化檢測(cè)，基本滿足工業(yè)的使用要求。

3.4 可編程控制器設(shè)計(jì)

3.4.1 PLC選型

該設(shè)備選用的壓力傳感器將模擬量傳到PLC中，通過PLC 中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能來(lái)反饋到軟件中，從而可以繼續(xù)控制PLC 來(lái)實(shí)行電磁閥的通斷。因此選用24 輸入16 輸出共40 個(gè)數(shù)字量的Simens 的S7-200 型PLC，CPU 為CPU 226CN［6］。該設(shè)備可連接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。該設(shè)備連接擴(kuò)展模塊EM221、EM222 以及EM231。EM221 具有8 點(diǎn)DC輸入，EM222具有8 點(diǎn)繼電器可以滿足繼電器的輸出，最后的EM231 模擬量輸入模塊，可將外部的輸入4 通道模擬量轉(zhuǎn)換為PLC 內(nèi)部可以處理的12 位數(shù)字量。

3.4.2 通信方式

串行通信接口有著低成本、高的抗干擾能力、較遠(yuǎn)的通信距離以及簡(jiǎn)單的通信方式，計(jì)算機(jī)與PLC 之間采用串行通信［7～8］。選擇串行通信方式后還需要進(jìn)一步確定接口標(biāo)準(zhǔn)，目前適用于PLC的有RS-232、RS-422 和RS-485，根據(jù)比較傳輸距離、傳輸帶寬、傳輸模式等可得RS-485的優(yōu)勢(shì)明顯，所以PLC 上的串口通常默認(rèn)為RS-485，而計(jì)算機(jī)端的串口默認(rèn)為RS-232，通常需要專用的通信線纜實(shí)現(xiàn)RS-232轉(zhuǎn)RS-485。

4 軟件設(shè)計(jì)

為便于現(xiàn)場(chǎng)使用和維護(hù)管理，系統(tǒng)采用VB6.0進(jìn)行模塊化編程，適用于Windows 操作系統(tǒng)，可以自行采集數(shù)據(jù)，生成報(bào)表，便于日后查詢。

4.1 模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件根據(jù)測(cè)試要求分為系統(tǒng)設(shè)置模塊，該模塊可以設(shè)定試驗(yàn)的參數(shù)；用戶權(quán)限模塊，該模塊可以設(shè)置操縱員與檢測(cè)員的權(quán)限，不同級(jí)別的人員權(quán)限不同，保證安全性；硬件故障檢測(cè)模塊，該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件例如傳感器、電磁閥等器件進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)它們出現(xiàn)故障時(shí)，可以及時(shí)定位便于處理，該模塊將在第5 節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹；系統(tǒng)測(cè)試模塊，該模塊用于微機(jī)檢測(cè)脫軌自制動(dòng)裝置［9］的給風(fēng)調(diào)整閥、操縱閥、波紋閥；報(bào)表輸出模塊，該模塊用以對(duì)被檢測(cè)器件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化輸出，并可根據(jù)時(shí)間和編號(hào)來(lái)進(jìn)行查詢；數(shù)據(jù)上傳模塊，該模塊提供HMIS（Hospital Management Information System）接口，可方便的與使用單位的HMIS 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞；數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)模塊，該模塊用于數(shù)據(jù)庫(kù)的備份、恢復(fù)、過期數(shù)據(jù)的清楚以及無(wú)效數(shù)據(jù)的刪除等功能。其主控界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

主控界面顯示了軟件的名稱，菜單欄的功能，操作人員的信息，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的名稱，閥編號(hào)，監(jiān)控電磁閥的通斷情況以及壓力顯示等功能。

4.2 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是人工智能研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，專家系統(tǒng)的功能是利用計(jì)算機(jī)軟件程序系統(tǒng)對(duì)人類專家決策能力進(jìn)行仿真，主要包括知識(shí)庫(kù)、知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、解釋程序以及人機(jī)接口［10］，如圖5所示。

圖5 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用專家系統(tǒng)來(lái)判斷三種閥的合格情況，具體知識(shí)庫(kù)規(guī)則如下：

IF 給風(fēng)調(diào)整閥后端壓力上升AND 前端壓力處于400kPa～420kPa，THEN合格；

IF 給風(fēng)調(diào)整閥前、后端壓力差達(dá)到100kPa AND 保壓1min 前端壓力上升小于10kPa，THEN 合格；

IF 給風(fēng)調(diào)整閥后端壓力上升至400kPa AND 14min內(nèi)達(dá)到400kPa，THEN合格；

IF 操縱閥充風(fēng)至500kPa AND 保壓1min AND進(jìn)風(fēng)端壓力不超過5kPa，THEN 保壓位合格or手動(dòng)位合格；

IF 操縱閥A 腔充風(fēng)至500kPa AND 保壓1min AND A腔壓力不超過5kPa，THEN A腔位合格；

IF 操縱閥B 腔充風(fēng)至500kPa AND 保壓1min AND B腔壓力不超過5kPa，THEN B腔位合格；

IF 波紋閥前氣壓至160kPa AND 保壓1min AND 前氣壓泄漏不超過5kPa，THEN波紋閥合格；

IF 波紋閥輸入氣壓至400kPa～420kPa AND后氣壓200kPa，THEN 合格。

5 故障診斷

5.1 故障來(lái)源分析

在試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，所涉及器件眾多，器件材質(zhì)有優(yōu)劣之分，具有一定的使用壽命，且容易受氣壓、溫度、濕度等各種客觀條件的作用，會(huì)直接影響到所測(cè)元件的精確性［11～12］和準(zhǔn)確性。因此有必要對(duì)可能的故障進(jìn)行分析：電磁閥線圈燒壞、管路漏風(fēng)、壓力表表針不回零、氣缸活塞不運(yùn)動(dòng)、按下按鈕不啟動(dòng)、排氣聲音大。

5.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷

依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的各關(guān)鍵構(gòu)件故障信號(hào)，運(yùn)用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［13～16］，實(shí)現(xiàn)給風(fēng)調(diào)整閥、操縱閥、波紋閥智能檢測(cè)系統(tǒng)的故障診斷。該網(wǎng)絡(luò)包括含有n個(gè)結(jié)點(diǎn)的輸入層、m個(gè)結(jié)點(diǎn)的隱含層和p個(gè)結(jié)點(diǎn)的輸出層，隱含層結(jié)點(diǎn)中心值和寬度參數(shù)ci，wi。對(duì)上述6 種故障信號(hào)進(jìn)行X1～X6編碼方式，構(gòu)成歐式向量X，作為網(wǎng)絡(luò)輸入層結(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)傳送到含有神經(jīng)元的隱含層，輸出層傳遞函數(shù)一般是線性函數(shù)。應(yīng)用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)該裝置進(jìn)行診斷的具體步驟如下。

求出m，ci，wi的值，通過最小二乘法在輸出層依據(jù)以上參數(shù)獲得參數(shù)wik結(jié)果。

為確定網(wǎng)絡(luò)，利用式（1）求解隱含層與輸出層之間的連接權(quán)值：

式中，k=1，2，…，p。

輸出層各節(jié)點(diǎn)的輸出結(jié)果為

網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)為

式中：n為樣本數(shù)量；ek為關(guān)鍵構(gòu)件誤差信號(hào)。設(shè)網(wǎng)絡(luò)期望輸出為yd( )

x，結(jié)合式（2）可得：

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)可得：

式中，L表示輸出樣本數(shù)量

分別使用以下公式優(yōu)化參數(shù)ci和wi：

式中：η1和η2為學(xué)習(xí)速率：?為正實(shí)數(shù)。

把檢測(cè)到的裝置正常情況與電磁閥線圈燒壞、管路漏風(fēng)這十種常見的故障類型構(gòu)成一個(gè)歐式向量集合：F 是RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出的向量，每一種故障類型都以F0，…，F(xiàn)10表示，如果輸出值是0 則說(shuō)明不存在這種故障。如果輸出值為1 則說(shuō)明出現(xiàn)了這種故障。對(duì)所采集到的實(shí)際故障樣本進(jìn)行訓(xùn)練得到模型。每一類故障對(duì)應(yīng)的故障隸屬度分別用Fa～Fk 表示，當(dāng)Fi 的值介于（0.75，1.50）范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)故障類型為嚴(yán)重故障；當(dāng)Fi 的值介于（0.25，0.75）范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)故障類型為中等故障；當(dāng)Fi 的值小于0.25 或大于1.50 時(shí)，對(duì)應(yīng)為正常狀態(tài)。通過此種算法，可以較容易的檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)中的故障，并彈出警告窗口告知操縱人員。

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)鐵路車輛閥門的特性進(jìn)而提出了一種智能化檢測(cè)設(shè)備，運(yùn)用PLC下位與微機(jī)上位進(jìn)行通信并結(jié)合專家系統(tǒng)判斷測(cè)量值的精度，故障診斷系統(tǒng)來(lái)避免誤檢率高。該設(shè)備使得對(duì)閥門檢驗(yàn)的過程簡(jiǎn)單化、智能化、高效化，對(duì)鐵路行業(yè)領(lǐng)域具有一定的可行性。