基于IPC控制的電磁閥動(dòng)作壽命試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣興宇，徐承韜，宋禹輝，龐寶麟，趙明陽，高 陽，鄧雅琪

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

電磁閥作為一種重要的工業(yè)控制執(zhí)行器件，其性能指標(biāo)直接影響所在系統(tǒng)的工作性能，需要通過一系列試驗(yàn)對(duì)電磁閥產(chǎn)品相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行精確的測(cè)定[1-2].其中電磁閥動(dòng)作壽命試驗(yàn)主要用于評(píng)估其工作可靠性及耐久性.由于該試驗(yàn)強(qiáng)度高，周期長(zhǎng)，其試驗(yàn)系統(tǒng)要求自動(dòng)化程度高，可靠性強(qiáng).本文針對(duì)某型電磁閥產(chǎn)品，研制了一套基于工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)(IPC)控制的電磁閥工作壽命試驗(yàn)系統(tǒng).該試驗(yàn)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)的快速精確控制，具有操作方便、自動(dòng)化程度高和可靠性好的特點(diǎn).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)象為某型比例電磁閥，專為某用戶研制開發(fā)，用于汽車燃油供給系統(tǒng)中起比例控制作用.該閥通徑為1.6 mm，額定最大控制電壓為12 V，全開最大燃油流量不小于75 L/min(在工作壓力范圍內(nèi))，開通、關(guān)斷反應(yīng)時(shí)間均小于15 ms(在工作壓力范圍內(nèi)測(cè)得).該比例電磁閥為常閉型閥，在汽車燃油供給系統(tǒng)內(nèi)工作狀態(tài)為：不需供油時(shí)該閥閉合，需供油時(shí)該閥根據(jù)所加控制電信號(hào)成比例調(diào)節(jié)開度來控制供油量.盡管該閥不是開關(guān)閥，工作狀態(tài)是比例調(diào)節(jié)而不是頻繁開閉，但根據(jù)用戶要求，需要在保持頻繁開閉、頻繁(開通時(shí))加載最大控制電信號(hào)及使用空氣代替燃油作為流體這些極限狀態(tài)下，或比實(shí)際工況更為苛刻的條件下，對(duì)該閥的密封性及電氣部件的耐用性做耐久性實(shí)驗(yàn)，即動(dòng)作壽命試驗(yàn).該型電磁閥實(shí)驗(yàn)室內(nèi)動(dòng)作壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要依據(jù)用戶要求，但同時(shí)也參考了相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如《JBT7352—2010 工業(yè)過程控制系統(tǒng)用電磁閥》、《QC/T673—2007汽車用液化石油氣電磁閥》等.

根據(jù)以上被測(cè)電磁閥的參數(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)測(cè)試要求，設(shè)計(jì)該型電磁閥實(shí)驗(yàn)室內(nèi)動(dòng)作壽命試驗(yàn)系統(tǒng)流體回路，如圖1所示.應(yīng)用戶要求對(duì)該型閥先進(jìn)行少量的抽樣試驗(yàn)，將同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)的被測(cè)閥數(shù)目定為5個(gè).

根據(jù)該型電磁閥性能參數(shù)，確定試驗(yàn)過程中被測(cè)電磁閥入口氣壓在0～0.8 MPa可調(diào)，為此，采用空氣壓縮機(jī)(以下簡(jiǎn)稱空壓機(jī))配儲(chǔ)氣瓶方式為試驗(yàn)系統(tǒng)供氣，空壓機(jī)將空氣壓縮到氣瓶中并維持氣瓶中壓力為0.8 MPa以上.氣瓶出口端依次接有壓力表、過濾器、減壓閥、壓力表，通過調(diào)節(jié)減壓閥控制氣瓶出口壓力，保證被測(cè)閥入口氣壓達(dá)到測(cè)試要求并一直保持.此后通過IPC控制使被測(cè)閥在額定驅(qū)動(dòng)電信號(hào)作用下逐一開關(guān)動(dòng)作，并連續(xù)循環(huán)，直至達(dá)到設(shè)定動(dòng)作次數(shù)，停止動(dòng)作.隨后對(duì)被測(cè)閥氣密性等工作性能進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作壽命試驗(yàn).

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)流路

試驗(yàn)系統(tǒng)中選用高輸出壓力的靜音無油空氣壓縮機(jī)，以滿足試驗(yàn)的壓力要求，并避免對(duì)流體的污染及減小噪聲；采用工程塑料軟管與快速接頭插接配合方式實(shí)現(xiàn)管路的連接及管路與被測(cè)閥的連接，在滿足耐壓性能要求前提下使安裝和拆卸變得方便；在管路入口端加裝空氣干燥凈化過濾器，以保證流體的清潔，防止對(duì)被測(cè)閥產(chǎn)生影響；由IPC實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)電機(jī)的控制及被測(cè)閥的驅(qū)動(dòng)控制.

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選擇

試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)控制對(duì)象包括1個(gè)空氣壓縮機(jī)電機(jī)、5個(gè)被測(cè)閥，IPC通過板卡輸出的信號(hào)有空壓機(jī)電機(jī)控制信號(hào)、被測(cè)電磁閥控制信號(hào)等，輸入的信號(hào)有過載保護(hù)信號(hào)等，因此，確定IPC板卡的開關(guān)量輸出路數(shù)不能少于6個(gè)，輸入路數(shù)不能少于1個(gè).因此，可選擇阿爾泰DAM-P3013型數(shù)據(jù)采集卡.主機(jī)選用裝有l(wèi)abview軟件的工控機(jī)，在環(huán)境條件允許的情況下也可使用普通PC機(jī).

試驗(yàn)過程中被測(cè)閥須長(zhǎng)期連續(xù)動(dòng)作，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)中相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)部件具有工作壽命長(zhǎng)、可靠性高的性能要求.綜合性價(jià)比等因素，最終選用輸出驅(qū)動(dòng)部件為固態(tài)繼電器(SSR)，分別選用D4810A型及D0810型.D4810A型輸入控制電壓范圍為3～32 VDC，輸出電壓范圍為4～480 VAC，D0810-24U型輸入控制電壓范圍為2～24 VDC，輸出電壓范圍為2～70 VDC，兩種固態(tài)繼電器輸入均符合系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡的開關(guān)量輸出電壓范圍，輸出也分別符合空壓機(jī)電機(jī)和被測(cè)電磁閥的電壓范圍.D0810型固態(tài)繼電器開通時(shí)間小于0.05 ms，關(guān)斷時(shí)間小于0.1 ms，均遠(yuǎn)小于被測(cè)閥反應(yīng)時(shí)間，能滿足對(duì)被測(cè)閥的快速驅(qū)動(dòng)要求，并且工作壽命方面也滿足測(cè)試要求(同時(shí)也會(huì)定期檢查、更換固態(tài)繼電器，以保證試驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行).

2.2 輸入輸出聯(lián)接

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件電路如圖2所示.空壓機(jī)電機(jī)的起?？刂坪捅粶y(cè)電磁閥的起停控制信號(hào)在IPC監(jiān)控界面上輸入，IPC通過數(shù)據(jù)采集卡輸出控制6個(gè)SSR，其中1個(gè)SSR控制空壓機(jī)電機(jī)，其他5個(gè)控制被測(cè)閥.通過SSR實(shí)現(xiàn)間接控制負(fù)載，可以很好地保護(hù)IPC數(shù)據(jù)采集卡，提高試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性.

圖2 IPC輸入輸出連接示意圖

空壓機(jī)電機(jī)電源電路中串連有熱繼電器FR保護(hù)觸點(diǎn)、熔斷器FU，能夠分別實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)和短路保護(hù).電路中還串有壓力控制觸點(diǎn)KP，其可根據(jù)氣瓶出口壓力情況自動(dòng)開閉，從而控制空壓機(jī)電機(jī)工作狀態(tài).因電磁閥線圈通電后具有電感性質(zhì)，屬于感性負(fù)載，所以，在每個(gè)被測(cè)閥線圈的兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管，以提供泄放回路，保護(hù)電磁閥線圈.另外，在設(shè)計(jì)中還考慮了試驗(yàn)系統(tǒng)電氣部分的防護(hù)問題，使電氣部分能夠防積塵、防濺水.使用固態(tài)繼電器、設(shè)置多種保護(hù)措施及IPC本身具有的高穩(wěn)定性，使該試驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的可靠性，能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行.

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)要求，試驗(yàn)系統(tǒng)軟件采用labview進(jìn)行編程.使用順序控制設(shè)計(jì)編程方法設(shè)計(jì)控制程序，利用數(shù)據(jù)采集卡輸出開關(guān)量信號(hào)控制不同的固態(tài)繼電器的開啟與停止.系統(tǒng)控制程序主要有主程序和初始化子程序兩部分.主程序的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)電機(jī)的控制及對(duì)被測(cè)閥的控制；初始化子程序的功能是設(shè)置初始值及進(jìn)行初始化操作，如設(shè)置電磁閥試驗(yàn)動(dòng)作次數(shù)值、電磁閥驅(qū)動(dòng)電流電壓信號(hào)導(dǎo)通時(shí)間值、關(guān)斷時(shí)間值等.

空壓機(jī)電機(jī)的控制流程如圖3所示.當(dāng)運(yùn)行系統(tǒng)程序并首次點(diǎn)擊監(jiān)控界面中“空氣壓縮機(jī)電機(jī)開啟/關(guān)閉”按鈕(此時(shí)為啟動(dòng)功能)，如果無過載保護(hù)動(dòng)作信號(hào)產(chǎn)生，則空壓機(jī)電機(jī)開始工作，在工作過程中若發(fā)現(xiàn)過載保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，或者電磁閥動(dòng)作試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值，或者再次點(diǎn)擊 “空氣壓縮機(jī)電機(jī)開啟/關(guān)閉”按鈕(此時(shí)為停止功能)，則空壓機(jī)電機(jī)停止工作.

圖3 空壓機(jī)電機(jī)的控制流程

被測(cè)閥的控制流程如圖4所示.當(dāng)運(yùn)行系統(tǒng)程序并首次點(diǎn)擊監(jiān)控界面中的“被測(cè)電磁閥開啟/關(guān)閉”按鈕(此時(shí)為啟動(dòng)功能)，如過載保護(hù)功能沒有動(dòng)作，則閥1開啟并計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)到閥1關(guān)閉并延時(shí)，繼而閥2、閥3、閥4、閥5逐一動(dòng)作，所有被測(cè)閥均動(dòng)作一次后計(jì)數(shù)器值加1，之后連續(xù)循環(huán)，若過載保護(hù)功能動(dòng)作，或電磁閥動(dòng)作次數(shù)達(dá)到設(shè)定值或是再次點(diǎn)擊 “被測(cè)電磁閥開啟/關(guān)閉”按鈕(此時(shí)為停止功能)，則所有電磁閥停止工作.

圖4 被測(cè)閥的控制流程

系統(tǒng)監(jiān)控界面采用labview進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用labview具有的圖形化設(shè)計(jì)形式[3-4]，設(shè)計(jì)人性化的前面板操作界面.并且根據(jù)系統(tǒng)要求編程，產(chǎn)生不同的開關(guān)量信號(hào)，在不同的操作情況下通過數(shù)據(jù)采集卡輸出開關(guān)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同固態(tài)繼電器的實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)時(shí)控制空壓機(jī)電機(jī)和多路電磁閥的開啟與關(guān)閉，而且還可以人為選擇自動(dòng)或手動(dòng)控制(其手動(dòng)控制可分別對(duì)單個(gè)被測(cè)電磁閥進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)).在參數(shù)設(shè)定界面，可以靈活地設(shè)定或更改電磁閥試驗(yàn)動(dòng)作次數(shù)、電磁閥工作時(shí)間、間隔等待時(shí)間等初始值，此外系統(tǒng)還設(shè)計(jì)具有信息自動(dòng)存儲(chǔ)記錄功能，以防止意外斷電時(shí)信息的丟失，如試驗(yàn)動(dòng)作次數(shù)的自動(dòng)存儲(chǔ)記錄、報(bào)警(歷史)信息的自動(dòng)存儲(chǔ)記錄等.這些使該試驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，方便人員操作，并使試驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的可靠性及自動(dòng)化程度[5-7].部分控制界面如圖5所示.

圖5 監(jiān)控界面

4 結(jié)束語

(1) 電磁閥動(dòng)作壽命試驗(yàn)系統(tǒng)制做完成后，已進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的耐久試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：試

驗(yàn)系統(tǒng)整體工作性能良好，具有操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，試驗(yàn)過程不需專人值守，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目的.

(2) 試驗(yàn)系統(tǒng)基于IPC控制，在Labview軟件平臺(tái)下開發(fā)出的控制系統(tǒng)，具有信號(hào)采集容易、穩(wěn)定性較強(qiáng)、性價(jià)比高、通訊及控制的實(shí)時(shí)性好、程序的可擴(kuò)展性及通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有較好的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

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