基于综合设计法的电磁阀检测系统
- 来源:
- 山东泰丰智能控制股份有限公司
- 日期:
- 2023年6月8日
摘 要：从电磁阀检测系统的广义质量出发，基于综合设计法对系统进行了优化设计。对系统进行了功能优化设计；针对系统的可靠性和寿命进行了动态优化设计；系统压力控制部分采用智能控制策略进行了智能优化设计；基于LabVIEW和AMESim对系统的工作过程和控制过程进行了可视优化设计。通过实践证明了系统具有响应快，精度高，运行平稳等优点。
关键词：综合设计法；电磁阀；智能检测系统；广义质量
中图分类号：TH 165
Testing System of Solenoid Valve Based on Synthesis Design Method
Jiang Yang Liu Hongyi
Northeastern University，Shenyang，110004
Abstract: In order to improve generalized mass of solenoid valve testing system, the optimization design of the system was carried based on synthesis design method. The function optimization design to the system were carried on; and dynamic optimization design was done in view of the reliability and life; and intellectualization optimization design to the pressure control of system was carried on using intelligent control strategy; and visualization optimization design to the work process and controlled process of system was carried by applying LabVIEW and AMESim. The system has been proved to be fast response, high precision and good stability.
Key words: integrated design method; solenoid valve; testing system; generalized mass
0 引言
现代机械综合设计法是一种面向产品广义质量，以顾客需求为驱动，以获得优良功能与性能为目标，以现代机械设计等多学科为基础，以产品功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计、可视优化设计为手段的一种多学科融合交叉的全功能和全性能优化的设计理论与方法。[1-3]
本电磁阀检测系统属于典型的机电液一体化系统，具有多介质、管路复杂、强耦合、非线性时变等特点，因此在设计上应综合考虑系统功能实现与其性能的完善。
1 系统功能优化设计
本系统是充分结合某厂电磁阀实际情况对其原有实验台架进行优化设计的。其主要功能是按要求来完成电磁阀产品的各项性能检测实验，其中实验台架部分是整个检测系统的基础，其整体结构如图1所示。
1.进水管；2.支路开关阀3.进油阀；4.夹紧油缸；5.左夹具头；6.被测电磁阀；7.台架；8.右夹具头；9.流量传感器；10.电动调节阀；11.出水管；12.升降机构；13.回油阀；14.滑道
图1系统实验台架结构示意图
改进后的台架包括升降机构和夹紧机构两个主要部分及一些辅助机构，可以自动控制被测电磁阀产品在水平和竖直方向的自由移动，并同时可以完成夹紧工作，提高了整个系统的自动化水平。
2系统动态优化设计
本系统动态优化设计主要是针对其可靠性和寿命来进行的。由于系统中元器件较多，管路复杂，系统任何部位出现问题，都会导致实验无法进行，为保证管路中各开关阀能够可靠开闭以及管路无泄漏，需要对系统进行定期自检，其具体流程如图2所示。
图2系统自检实验流程图
对于系统各阀按照介质流动顺序进行检测，在检测过程中根据压力值不同对各阀采用分级检测的方案，这种“由前到后，由大到小”的检测方法在保证了测试精度的同时获得了较大的测试量程，更科学合理。
通过定期进行系统自检实验，可以保证系统的工作稳定性，同时延长系统的使用寿命，节省成本。
3 系统智能优化设计
本系统的主要功能是实现电磁阀产品的自动检测，为实现检测功能的同时保证实验过程的自动控制，对其控制设计分为两部分：一部分是PLC顺序控制，保证开关阀等元器件的自动开闭；一部分是变频器、蓄能器及电动调节阀等元器件对系统压力进行的智能控制，来保证实验结论的准确性。
采用OMRON的CJ1M型PLC完成对整个系统的顺序控制，包含了电磁阀检测系统的全部开关量和模拟量，用于系统的自动控制；而压力控制作为本检测系统的一项关键技术，其控制原理如图3所示。
图3 检测系统压力控制图
其控制过程为：安装在实验台上的压力传感器实时的检测压力，经采集卡输送到工控机；工控机根据预先确定的智能控制策略对数据进行处理，并将处理的结果通过OPC通讯传送给PLC；PLC对传送过来的信号进行解读之后会把对应的控制信号发送给液压泵和电动调节阀以及各个开关阀。本系统对目标压力值进行了精确控制，从而保证了整个检测过程快速、准确、平稳进行。
4 系统可视优化设计
本系统可视优化设计主要用于完成其工作过程和控制过程的优化设计。
4.1 系统工作过程可视优化设计
给操作者提供便利、多信息的操作界面对于本系统来说是十分重要，因此系统操作界面在实验过程中应直接与操作者接触，并向操作者反映实验中的必要信息。本系统应用LabVIEW对系统操作界面进行设计，如图4所示。[4-5]
图 4 系统操作界面
界面主要包括三个实验区：自检实验区、出厂实验区、新产品开发参数测量实验区，每个实验对应着各自的实验结论，及时向操作者提供实验结论，便于对被测阀及时采取相应的措施。本界面还包括“设置参数”、“打印”、“报警”等功能，更利于操作者操作，也更人性化。
4.2 系统控制过程可视优化设计
采用AMESim液压仿真软件对系统进行建模仿真，并对管路中的压力和流量进行分析，观察实验过程中压力随时间的变化情况，对系统进行整体分析和评估，从而达到优化系统、缩短设计周期的目的。[6-7]
对电磁阀动作实验过程中的压力和流量进行建模仿真、分析，首先设置仿真时间为25s，采样周期为0.01s，要求被测阀在2.5MPa的压力下进行实验。开环系统模型如图5所示，仿真后，得出被测阀的流量和压力变化曲线分别如图6和7所示。
图5 AMESim建立的开环系统模型
图6 被测阀流量变化曲线
图7 被测阀压力变化曲线
1—被测阀前的压力曲线；2—被测阀后的压力曲线
从图6和7中可以看出，在动作实验过程中，首先是管路通介质排空气过程，此时系统流量和压力值逐渐稳定；然后关闭被测阀，通过泵进行冲压；当被测阀前压力达到设定值2.5MPa时，打开被测阀，随着介质流过被测阀，阀前压力逐渐减小，同时流量值减小为0，完成一次动作实验。
需要稳压和压力精确控制的实验，必须建立闭环模型。以密封实验为例，建立系统闭环模型如图8所示。经过仿真，得出实验过程中的压力和流量变化曲线分别如图9和10所示。
图8 闭环系统模型
图9 被测阀压力变化曲线
1—被测阀前的压力曲线；2—被测阀后的压力曲线
图10 被测阀流量变化曲线
从图9中可以看到实验压力经历了三个阶段的变化：
（1）上升阶段
本阶段是管路充满介质及压力上升的过程，将采集压力与给定压力比较，将差值比例放大后驱动电动机，改变泵输出，使压力后达到2.5MPa。
（2）稳定阶段
本阶段压力稳在2.5MPa大约1min，这是密封实验的关键阶段，系统等待现场操作人员的返回信号。
（3）下降阶段
实验完毕，打开被测电磁阀，放水，压力为0时即可卸阀。
可见，可视优化仿真过程中的压力和流量的变化情况与实际十分相似，基本上对于实验过程进行了很好的模拟，而且检测速度快，精度高。通过仿真可以避免编程过程中错误的发生，使系统更完善、更快速。
5结论
本文采用综合设计法从功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计几方面设计了一套自动化程度高、性能好、实用性强、节能环保、扩展性好的电磁阀检测系统。该系统改变了原有实验设备手动检测效率低、测量不准确等缺点，为企业带来了显著的经济效益且具有广泛的应用空间。
版权所有 ：山东泰丰液压股份有限公司
关键词：综合设计法；电磁阀；智能检测系统；广义质量
中图分类号：TH 165
Testing System of Solenoid Valve Based on Synthesis Design Method
Jiang Yang Liu Hongyi
Northeastern University，Shenyang，110004
Abstract: In order to improve generalized mass of solenoid valve testing system, the optimization design of the system was carried based on synthesis design method. The function optimization design to the system were carried on; and dynamic optimization design was done in view of the reliability and life; and intellectualization optimization design to the pressure control of system was carried on using intelligent control strategy; and visualization optimization design to the work process and controlled process of system was carried by applying LabVIEW and AMESim. The system has been proved to be fast response, high precision and good stability.
Key words: integrated design method; solenoid valve; testing system; generalized mass
0 引言
现代机械综合设计法是一种面向产品广义质量，以顾客需求为驱动，以获得优良功能与性能为目标，以现代机械设计等多学科为基础，以产品功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计、可视优化设计为手段的一种多学科融合交叉的全功能和全性能优化的设计理论与方法。[1-3]
本电磁阀检测系统属于典型的机电液一体化系统，具有多介质、管路复杂、强耦合、非线性时变等特点，因此在设计上应综合考虑系统功能实现与其性能的完善。
1 系统功能优化设计
本系统是充分结合某厂电磁阀实际情况对其原有实验台架进行优化设计的。其主要功能是按要求来完成电磁阀产品的各项性能检测实验，其中实验台架部分是整个检测系统的基础，其整体结构如图1所示。
1.进水管；2.支路开关阀3.进油阀；4.夹紧油缸；5.左夹具头；6.被测电磁阀；7.台架；8.右夹具头；9.流量传感器；10.电动调节阀；11.出水管；12.升降机构；13.回油阀；14.滑道
图1系统实验台架结构示意图
改进后的台架包括升降机构和夹紧机构两个主要部分及一些辅助机构，可以自动控制被测电磁阀产品在水平和竖直方向的自由移动，并同时可以完成夹紧工作，提高了整个系统的自动化水平。
2系统动态优化设计
本系统动态优化设计主要是针对其可靠性和寿命来进行的。由于系统中元器件较多，管路复杂，系统任何部位出现问题，都会导致实验无法进行，为保证管路中各开关阀能够可靠开闭以及管路无泄漏，需要对系统进行定期自检，其具体流程如图2所示。
图2系统自检实验流程图
对于系统各阀按照介质流动顺序进行检测，在检测过程中根据压力值不同对各阀采用分级检测的方案，这种“由前到后，由大到小”的检测方法在保证了测试精度的同时获得了较大的测试量程，更科学合理。
通过定期进行系统自检实验，可以保证系统的工作稳定性，同时延长系统的使用寿命，节省成本。
3 系统智能优化设计
本系统的主要功能是实现电磁阀产品的自动检测，为实现检测功能的同时保证实验过程的自动控制，对其控制设计分为两部分：一部分是PLC顺序控制，保证开关阀等元器件的自动开闭；一部分是变频器、蓄能器及电动调节阀等元器件对系统压力进行的智能控制，来保证实验结论的准确性。
采用OMRON的CJ1M型PLC完成对整个系统的顺序控制，包含了电磁阀检测系统的全部开关量和模拟量，用于系统的自动控制；而压力控制作为本检测系统的一项关键技术，其控制原理如图3所示。
图3 检测系统压力控制图
其控制过程为：安装在实验台上的压力传感器实时的检测压力，经采集卡输送到工控机；工控机根据预先确定的智能控制策略对数据进行处理，并将处理的结果通过OPC通讯传送给PLC；PLC对传送过来的信号进行解读之后会把对应的控制信号发送给液压泵和电动调节阀以及各个开关阀。本系统对目标压力值进行了精确控制，从而保证了整个检测过程快速、准确、平稳进行。
4 系统可视优化设计
本系统可视优化设计主要用于完成其工作过程和控制过程的优化设计。
4.1 系统工作过程可视优化设计
给操作者提供便利、多信息的操作界面对于本系统来说是十分重要，因此系统操作界面在实验过程中应直接与操作者接触，并向操作者反映实验中的必要信息。本系统应用LabVIEW对系统操作界面进行设计，如图4所示。[4-5]
图 4 系统操作界面
界面主要包括三个实验区：自检实验区、出厂实验区、新产品开发参数测量实验区，每个实验对应着各自的实验结论，及时向操作者提供实验结论，便于对被测阀及时采取相应的措施。本界面还包括“设置参数”、“打印”、“报警”等功能，更利于操作者操作，也更人性化。
4.2 系统控制过程可视优化设计
采用AMESim液压仿真软件对系统进行建模仿真，并对管路中的压力和流量进行分析，观察实验过程中压力随时间的变化情况，对系统进行整体分析和评估，从而达到优化系统、缩短设计周期的目的。[6-7]
对电磁阀动作实验过程中的压力和流量进行建模仿真、分析，首先设置仿真时间为25s，采样周期为0.01s，要求被测阀在2.5MPa的压力下进行实验。开环系统模型如图5所示，仿真后，得出被测阀的流量和压力变化曲线分别如图6和7所示。
图5 AMESim建立的开环系统模型
图6 被测阀流量变化曲线
图7 被测阀压力变化曲线
1—被测阀前的压力曲线；2—被测阀后的压力曲线
从图6和7中可以看出，在动作实验过程中，首先是管路通介质排空气过程，此时系统流量和压力值逐渐稳定；然后关闭被测阀，通过泵进行冲压；当被测阀前压力达到设定值2.5MPa时，打开被测阀，随着介质流过被测阀，阀前压力逐渐减小，同时流量值减小为0，完成一次动作实验。
需要稳压和压力精确控制的实验，必须建立闭环模型。以密封实验为例，建立系统闭环模型如图8所示。经过仿真，得出实验过程中的压力和流量变化曲线分别如图9和10所示。
图8 闭环系统模型
图9 被测阀压力变化曲线
1—被测阀前的压力曲线；2—被测阀后的压力曲线
图10 被测阀流量变化曲线
从图9中可以看到实验压力经历了三个阶段的变化：
（1）上升阶段
本阶段是管路充满介质及压力上升的过程，将采集压力与给定压力比较，将差值比例放大后驱动电动机，改变泵输出，使压力后达到2.5MPa。
（2）稳定阶段
本阶段压力稳在2.5MPa大约1min，这是密封实验的关键阶段，系统等待现场操作人员的返回信号。
（3）下降阶段
实验完毕，打开被测电磁阀，放水，压力为0时即可卸阀。
可见，可视优化仿真过程中的压力和流量的变化情况与实际十分相似，基本上对于实验过程进行了很好的模拟，而且检测速度快，精度高。通过仿真可以避免编程过程中错误的发生，使系统更完善、更快速。
5结论
本文采用综合设计法从功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计几方面设计了一套自动化程度高、性能好、实用性强、节能环保、扩展性好的电磁阀检测系统。该系统改变了原有实验设备手动检测效率低、测量不准确等缺点，为企业带来了显著的经济效益且具有广泛的应用空间。
版权所有 ：山东泰丰液压股份有限公司