基于IPC控制的电磁阀动作寿命试验系统设计

2014-03-26蒋兴宇徐承韬宋禹辉庞宝麟赵明阳邓雅琪

沈阳化工大学学报 2014年4期

蒋兴宇，徐承韬，宋禹辉，庞宝麟，赵明阳，高阳，邓雅琪

(沈阳化工大学信息工程学院，辽宁沈阳 110142)

电磁阀作为一种重要的工业控制执行器件，其性能指标直接影响所在系统的工作性能，需要通过一系列试验对电磁阀产品相关指标进行精确的测定[1-2].其中电磁阀动作寿命试验主要用于评估其工作可靠性及耐久性.由于该试验强度高，周期长，其试验系统要求自动化程度高，可靠性强.本文针对某型电磁阀产品，研制了一套基于工业个人计算机(IPC)控制的电磁阀工作寿命试验系统.该试验系统能实现对电磁阀驱动信号的快速精确控制，具有操作方便、自动化程度高和可靠性好的特点.

1 试验系统结构设计

试验系统试验对象为某型比例电磁阀，专为某用户研制开发，用于汽车燃油供给系统中起比例控制作用.该阀通径为1.6 mm，额定最大控制电压为12 V，全开最大燃油流量不小于75 L/min(在工作压力范围内)，开通、关断反应时间均小于15 ms(在工作压力范围内测得).该比例电磁阀为常闭型阀，在汽车燃油供给系统内工作状态为：不需供油时该阀闭合，需供油时该阀根据所加控制电信号成比例调节开度来控制供油量.尽管该阀不是开关阀，工作状态是比例调节而不是频繁开闭，但根据用户要求，需要在保持频繁开闭、频繁(开通时)加载最大控制电信号及使用空气代替燃油作为流体这些极限状态下，或比实际工况更为苛刻的条件下，对该阀的密封性及电气部件的耐用性做耐久性实验，即动作寿命试验.该型电磁阀实验室内动作寿命试验系统的设计，主要依据用户要求，但同时也参考了相关国家标准及行业标准，如《JBT7352—2010 工业过程控制系统用电磁阀》、《QC/T673—2007汽车用液化石油气电磁阀》等.

根据以上被测电磁阀的参数指标及试验测试要求，设计该型电磁阀实验室内动作寿命试验系统流体回路，如图1所示.应用户要求对该型阀先进行少量的抽样试验，将同时进行试验的被测阀数目定为5个.

根据该型电磁阀性能参数，确定试验过程中被测电磁阀入口气压在0～0.8 MPa可调，为此，采用空气压缩机(以下简称空压机)配储气瓶方式为试验系统供气，空压机将空气压缩到气瓶中并维持气瓶中压力为0.8 MPa以上.气瓶出口端依次接有压力表、过滤器、减压阀、压力表，通过调节减压阀控制气瓶出口压力，保证被测阀入口气压达到测试要求并一直保持.此后通过IPC控制使被测阀在额定驱动电信号作用下逐一开关动作，并连续循环，直至达到设定动作次数，停止动作.随后对被测阀气密性等工作性能进行检测，实现动作寿命试验.

图1 试验系统流路

试验系统中选用高输出压力的静音无油空气压缩机，以满足试验的压力要求，并避免对流体的污染及减小噪声；采用工程塑料软管与快速接头插接配合方式实现管路的连接及管路与被测阀的连接，在满足耐压性能要求前提下使安装和拆卸变得方便；在管路入口端加装空气干燥净化过滤器，以保证流体的清洁，防止对被测阀产生影响；由IPC实现对空压机电机的控制及被测阀的驱动控制.

2 控制系统硬件设计

2.1 硬件选择

试验系统内控制对象包括1个空气压缩机电机、5个被测阀，IPC通过板卡输出的信号有空压机电机控制信号、被测电磁阀控制信号等，输入的信号有过载保护信号等，因此，确定IPC板卡的开关量输出路数不能少于6个，输入路数不能少于1个.因此，可选择阿尔泰DAM-P3013型数据采集卡.主机选用装有labview软件的工控机，在环境条件允许的情况下也可使用普通PC机.

试验过程中被测阀须长期连续动作，对试验系统中相应的驱动部件具有工作寿命长、可靠性高的性能要求.综合性价比等因素，最终选用输出驱动部件为固态继电器(SSR)，分别选用D4810A型及D0810型.D4810A型输入控制电压范围为3～32 VDC，输出电压范围为4～480 VAC，D0810-24U型输入控制电压范围为2～24 VDC，输出电压范围为2～70 VDC，两种固态继电器输入均符合系统选用的数据采集卡的开关量输出电压范围，输出也分别符合空压机电机和被测电磁阀的电压范围.D0810型固态继电器开通时间小于0.05 ms，关断时间小于0.1 ms，均远小于被测阀反应时间，能满足对被测阀的快速驱动要求，并且工作寿命方面也满足测试要求(同时也会定期检查、更换固态继电器，以保证试验系统的正常运行).

2.2 输入输出联接

根据试验系统要求，设计控制系统硬件电路如图2所示.空压机电机的起停控制和被测电磁阀的起停控制信号在IPC监控界面上输入，IPC通过数据采集卡输出控制6个SSR，其中1个SSR控制空压机电机，其他5个控制被测阀.通过SSR实现间接控制负载，可以很好地保护IPC数据采集卡，提高试验系统的可靠性.

图2 IPC输入输出连接示意图

空压机电机电源电路中串连有热继电器FR保护触点、熔断器FU，能够分别实现过载保护和短路保护.电路中还串有压力控制触点KP，其可根据气瓶出口压力情况自动开闭，从而控制空压机电机工作状态.因电磁阀线圈通电后具有电感性质，属于感性负载，所以，在每个被测阀线圈的两端反并联一个二极管，以提供泄放回路，保护电磁阀线圈.另外，在设计中还考虑了试验系统电气部分的防护问题，使电气部分能够防积尘、防溅水.使用固态继电器、设置多种保护措施及IPC本身具有的高稳定性，使该试验系统具有较高的可靠性，能够长期安全运行.

3 控制系统软件设计

根据试验要求，试验系统软件采用labview进行编程.使用顺序控制设计编程方法设计控制程序，利用数据采集卡输出开关量信号控制不同的固态继电器的开启与停止.系统控制程序主要有主程序和初始化子程序两部分.主程序的功能是实现对空压机电机的控制及对被测阀的控制；初始化子程序的功能是设置初始值及进行初始化操作，如设置电磁阀试验动作次数值、电磁阀驱动电流电压信号导通时间值、关断时间值等.

空压机电机的控制流程如图3所示.当运行系统程序并首次点击监控界面中“空气压缩机电机开启/关闭”按钮(此时为启动功能)，如果无过载保护动作信号产生，则空压机电机开始工作，在工作过程中若发现过载保护动作信号，或者电磁阀动作试验次数达到设定值，或者再次点击 “空气压缩机电机开启/关闭”按钮(此时为停止功能)，则空压机电机停止工作.

图3 空压机电机的控制流程

被测阀的控制流程如图4所示.当运行系统程序并首次点击监控界面中的“被测电磁阀开启/关闭”按钮(此时为启动功能)，如过载保护功能没有动作，则阀1开启并计时，计时到阀1关闭并延时，继而阀2、阀3、阀4、阀5逐一动作，所有被测阀均动作一次后计数器值加1，之后连续循环，若过载保护功能动作，或电磁阀动作次数达到设定值或是再次点击 “被测电磁阀开启/关闭”按钮(此时为停止功能)，则所有电磁阀停止工作.

图4 被测阀的控制流程

系统监控界面采用labview进行设计，利用labview具有的图形化设计形式[3-4]，设计人性化的前面板操作界面.并且根据系统要求编程，产生不同的开关量信号，在不同的操作情况下通过数据采集卡输出开关量信号，实现对不同固态继电器的实时控制，从而实时控制空压机电机和多路电磁阀的开启与关闭，而且还可以人为选择自动或手动控制(其手动控制可分别对单个被测电磁阀进行检测试验).在参数设定界面，可以灵活地设定或更改电磁阀试验动作次数、电磁阀工作时间、间隔等待时间等初始值，此外系统还设计具有信息自动存储记录功能，以防止意外断电时信息的丢失，如试验动作次数的自动存储记录、报警(历史)信息的自动存储记录等.这些使该试验系统具有良好的人机界面，方便人员操作，并使试验系统具有较高的可靠性及自动化程度[5-7].部分控制界面如图5所示.