基于單片機(jī)的濾膜阻塞式污染監(jiān)測儀控制系統(tǒng)設(shè)計*

馬鴻宇 ，彭 浩 ，榮唯帥 ，王天奇 ，盧繼霞

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

液壓系統(tǒng)是液壓-機(jī)電產(chǎn)品的重要組成部分，然而，液壓系統(tǒng)經(jīng)常會出現(xiàn)某些具有隨機(jī)性、隱蔽性、復(fù)雜性的嚴(yán)重故障，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。相關(guān)調(diào)查資料顯示，有90%的機(jī)械液壓系統(tǒng)磨損和故障與液壓油液污染有關(guān)，特別是固體顆粒污染物。因此，要想提高液壓系統(tǒng)的安全可靠性，就必須特別注意對液壓油介質(zhì)的污染控制問題[1-3]。也就是說，對液壓油污染度進(jìn)行實時在線監(jiān)測控制和處理具有非常重要的現(xiàn)實意義[4]。

油液中固體顆粒污染度檢測的常見方法包括重量分析法、顆粒計數(shù)器分析法和半定量分析法等，可以用單位體積中固體顆粒的數(shù)量或者單位體積中固體顆粒的質(zhì)量來定量表示油液中固體顆粒物的含量，也可以采用NAS 1638 或ISO 4402 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的污染度等級來半定量地表示液壓油的污染程度。顆粒分析法包括顯微鏡法和自動顆粒計數(shù)法，而半定量的檢測方法包括電容法和濾膜阻塞法等[5-7]。

目前對油液污染度進(jìn)行檢測的儀器主要采用光電檢測原理，但是光電檢測原理受油液本身顏色和氣泡的影響較大。使用濾膜阻塞法檢測有許多優(yōu)點，即檢測結(jié)果不受油液中的氣體和液體雜質(zhì)的影響，也不受油液本身顏色的影響，因此檢測的準(zhǔn)確度高。以濾膜阻塞技術(shù)設(shè)計的檢測儀有孔令仁等設(shè)計的DW3 型油液污染度檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動化控制[8-9]，但是仍有較多待改進(jìn)之處。例如，其主控器選擇PLC 控制，體積較大，成本較高；此外，大小測試缸的切換仍然需要手動進(jìn)行，自動化程度需要進(jìn)一步提升；還有一點就是沒有考慮真空脫氣功能。課題組對DW3 型在線油液污染度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加真空脫氣及自動換缸功能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自動化程度；采用STM32 單片機(jī)作為主控器，減小儀器體積，并且進(jìn)一步降低成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成及工作過程

油液污染度檢測原理采用濾膜恒壓阻塞技術(shù)，讓油液在恒壓作用下通過微孔濾膜，油液中的污染顆粒物將會隨著時間堵塞濾膜，導(dǎo)致濾膜流量逐漸衰減。通過檢測流量變化信息，利用污染度檢測數(shù)學(xué)模型便可獲得油液污染度信息。根據(jù)該原理設(shè)計的檢測系統(tǒng)可以分為三個部分：取樣部分、測試部分和反沖洗部分。檢測系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，取樣部分包括二位二通閥、取樣缸、配置塊、電機(jī)1 及觸碰開關(guān)1 等，主要實現(xiàn)將系統(tǒng)中油液抽吸至取樣缸。測試部分包括測試缸、高度傳感器、位移傳感器、微孔濾膜、二位三通閥等，主要作用是通過將位移傳感器傳遞出的位移信號和實驗測得的閾值相對比，得出油液污染度等級，并根據(jù)高度傳感器接收到的信號判斷測量是否準(zhǔn)確、需不需要進(jìn)行換缸操作。反沖洗部分包括電機(jī)2 和二位三通閥等，主要作用是在測試結(jié)束后，把阻塞在濾膜上的固體污染物沖洗回取油箱。信號處理部分包括位移傳感器、計算機(jī)和打印機(jī)，計算機(jī)根據(jù)位移傳感器傳遞來的信號，擬合成為一個指數(shù)函數(shù)曲線，通過指數(shù)函數(shù)的5 個參數(shù)對比得出油液污染度等級。

圖1 在線檢測系統(tǒng)原理圖

在線檢測系統(tǒng)包括初始化、取油、真空脫氣、測試缸自動切換、濾膜反沖洗及取樣缸吸排油識別等功能。

初始化功能：系統(tǒng)開始檢測前，需要檢測取樣缸和測試缸底部的觸碰開關(guān)3 和4 是否處于閉合狀態(tài)，若為閉合狀態(tài)，則表示取樣缸和測試缸內(nèi)沒有油液，可以直接進(jìn)行污染度檢測。如果沒有處于閉合狀態(tài)，需要讓3YA 和4YA 得電，電機(jī)2 反轉(zhuǎn)，將兩個缸內(nèi)殘留的油液排干凈之后，觸碰開關(guān)3 和4 閉合，再進(jìn)行污染度檢測。

取樣和真空脫氣功能：1YA 得電，電機(jī)1 正轉(zhuǎn)拉動取樣缸活塞上移，當(dāng)觸碰開關(guān)2 閉合時，表示取樣過程結(jié)束。此時讓1YA 失電，電機(jī)1 繼續(xù)正轉(zhuǎn)進(jìn)行真空脫氣。開關(guān)3 閉合證明真空度達(dá)到從油液中脫氣的要求，此時電機(jī)1停止正轉(zhuǎn)，延時40 s，保證油液中的氣泡被完全脫出。

測試缸自動切換功能：在油液污染度檢測系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大污染度檢測范圍，采用了雙膜雙缸的設(shè)計，大小缸的切換通過電磁閥5 換向?qū)崿F(xiàn)。在用大缸測試時通過高度傳感器2 的信號確定需不需要換小缸進(jìn)行測試，若油液污染度太高，導(dǎo)致高度傳感器2 接收不到信號，就需要換成小缸進(jìn)行測試；在用小缸進(jìn)行測試時，通過上位機(jī)傳遞的位移信息，判斷一定時間內(nèi)小缸是否達(dá)到滿量程，若達(dá)到滿量程的時間很短，則說明油液比較干凈，需要轉(zhuǎn)換回大缸測試。

濾膜反沖洗功能：在進(jìn)行下次測試前需要將濾膜表面堵塞的顆粒反沖洗干凈，也就是測試缸中的油液在拉繩電機(jī)2 的拉力作用下，活塞下移，使油液反沖過濾膜，將濾膜上阻塞的污染物隨著油液排出檢測裝置。排油過程中4YA 得電，油液直接通過液壓閥排出檢測系統(tǒng)。

取樣缸吸排油識別功能：通過計算，在取樣缸滿足小缸測試的油液體積高度位置放置一個高度傳感器1。在切換到小缸進(jìn)行測試時，需要判斷取樣缸活塞下降過程中高度傳感器1 是否接收到了信號。如果高度傳感器接收到信號，就證明取樣缸中的油液不足以進(jìn)行小缸測試，需要重新進(jìn)行一次取油過程再進(jìn)行測試；如果高度傳感器沒有接收到信號，那就證明油液足夠進(jìn)行小缸測試，則直接進(jìn)入測試階段。

1.2 系統(tǒng)控制方案

本系統(tǒng)選用STM32 單片機(jī)對油污在線自動檢測過程進(jìn)行自動化控制，極大程度上減少了成本。檢測系統(tǒng)的控制方案如圖2 所示，STM32 單片機(jī)作為主控器，通過觸碰開關(guān)和高度傳感器傳遞來的信號控制電磁閥的得電/失電和電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)的工作流程。上位機(jī)作為信息處理模塊，接收位移傳感器傳遞的位移信息，擬合曲線，并得出油液污染度等級。

圖2 控制方案原理圖

2 控制流程和程序設(shè)計

2.1 主控器的選擇

STM32 是意法半導(dǎo)體公司的一款32 位MCU，STM32 擁有超低的硬件價格，超多的外設(shè)，豐富多樣的規(guī)格型號，出色的實時性和低的研發(fā)費用。STM32 以其豐富的多元化的產(chǎn)品線、高可靠的綜合性價比、簡單易用的存儲式開發(fā)模式，在眾多高性能的32位MCU中脫穎而出。

相比于PLC 電路控制，STM32 單片機(jī)具有體積小、成本低等優(yōu)點，所以本設(shè)計采用來自意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RCT6 嵌入式微處理器作為處理核心，擁有高性能、低成本、低功耗、方便二次開發(fā)等特點[10]。

2.2 自動控制流程圖設(shè)計

自動控制系統(tǒng)是在STM32 單片機(jī)的控制下，使系統(tǒng)依次完成初始化、取樣、測試、反沖洗等基本檢測流程，并且根據(jù)傳感器接收到的信號判斷需不需要換缸，最終可以進(jìn)行一個循環(huán)往復(fù)的實時檢測。通過控制面板的停止按鍵控制整個檢測過程結(jié)束。

系統(tǒng)開始檢測之前，需要對儀器的狀態(tài)進(jìn)行檢測，檢測是否處于初始位置，開關(guān)3、4 都閉合證明取樣缸和測試缸內(nèi)都沒有油液，可以直接進(jìn)行測試，如果開關(guān)3、4 沒有都閉合，就需要進(jìn)行一次排油，以保證儀器處于初始狀態(tài)，使得測試結(jié)果更加精準(zhǔn)。初始化程序控制流程圖如圖3所示。

圖3 初始化程序流程圖

初始化結(jié)束之后，確保了儀器處于初始狀態(tài)，開始進(jìn)入取樣階段。1YA得電，電機(jī)正轉(zhuǎn)拉動取樣缸活塞上移，使得油液進(jìn)入取樣缸，開關(guān)2 閉合證明取到的油液足夠進(jìn)行測試。此時1YA 失電，電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，到開關(guān)1 閉合達(dá)到足夠的真空度能夠使得油液中的氣體析出。停止一段時間，使得油液中的氣體完全排出，也就是真空排氣階段。取樣和真空排氣階段流程圖如圖4所示。

圖4 取樣和真空排氣階段流程圖

測試完之后，需要進(jìn)行濾膜的反沖洗，通過電機(jī)推動測試缸活塞下推，把測試缸油液排出測試缸的同時沖洗濾膜，使得之前阻塞了濾膜的固體顆粒隨著油液回到取樣缸。同時取樣缸也進(jìn)行排油，為新的測試做準(zhǔn)備。反沖洗流程圖如圖5 所示。

圖5 反沖洗流程圖

最后，需要設(shè)計大小缸切換的流程圖。在一定時間內(nèi)測試缸的高度傳感器接收到信號，證明測試結(jié)果準(zhǔn)確，不需要進(jìn)行換缸，如果沒接收到信號，則需要進(jìn)行換缸操作，5YA得電換用小缸測試。自動控制系統(tǒng)動作流程圖如圖6 所示。

圖6 自動控制系統(tǒng)動作流程圖

2.3 STM32單片機(jī)接線

根據(jù)系統(tǒng)的動作流程圖對STM32 單片機(jī)引腳功能進(jìn)行設(shè)計，一共8 個輸入引腳，分別為PA0 至PA7。在檢測系統(tǒng)運行過程中，行程開關(guān)的閉合和高度傳感器的信號等會讓相對應(yīng)的輸入引腳顯示高電平，通過編程掃描各個輸入引腳的狀態(tài)，可以判斷油液污染度檢測過程進(jìn)行到了哪個步驟，并根據(jù)這些判斷，系統(tǒng)進(jìn)行取樣、測試、排油以及大小缸的切換等操作。

STM32 單片機(jī)與電磁閥、電機(jī)和高度傳感器等的接線圖如圖7 所示，圖中繪制了單片機(jī)與電磁閥和電機(jī)的接線方式，單片機(jī)能夠通過控制引腳的高低電平來控制電磁閥的得電與失電，并且通過判斷輸入引腳的高低電平確定系統(tǒng)的操作進(jìn)程。

圖7 STM32接線圖

2.4 程序設(shè)計

STM32CubeMX 生成初始文件之后，需要對主函數(shù)進(jìn)行編寫以實現(xiàn)自動化控制過程，通過引用HAL庫的函數(shù)，借助C 語言對程序進(jìn)行編寫，根據(jù)之前做的運動流程圖，通過對輸入引腳高低電平的判斷，來控制輸出引腳的高低電平，進(jìn)而實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動化控制。由于篇幅限制，以小缸測試階段為例。小缸測試階段程序設(shè)計如圖8 所示，通過接收開關(guān)和傳感器傳遞來的信號控制引腳的高低電平，并控制電磁閥和電動機(jī)的工作和斷電狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動化控制。Proteus仿真圖如圖9所示。

圖8 小缸測試階段程序設(shè)計

圖9 小缸測試階段Proteus仿真結(jié)果

3 結(jié)論

課題組提出了恒壓堵塞型油污自動檢測系統(tǒng)的改進(jìn)方案，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了重點研究。改進(jìn)后的方案包含了對取樣缸油液的脫氣功能，使產(chǎn)品的在線測試更方便；雙缸雙膜的測試方式可以在不影響檢測精度的情況下擴(kuò)大對油液的污染度檢測范圍，同時設(shè)計和控制的復(fù)雜程度也較之前產(chǎn)品得到降低；采用STM32 單片機(jī)代替PLC 對系統(tǒng)進(jìn)行自動化控制，能夠有效降低成本，減小儀器整體的體積和重量。Proteus 仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的方案可以實現(xiàn)對系統(tǒng)整體的自動化控制。