液压比例电磁阀测试平台电控系统的设计

刘 杰，江卫华，李书元

（武汉工程大学 电气信息学院，武汉 430073）

液压比例电磁阀测试平台电控系统的设计

刘 杰，江卫华，李书元

（武汉工程大学 电气信息学院，武汉 430073）

针对液压比例电磁阀耐压特性、密封特性和稳态压力特性等性能指标的高精度检测，该文自主设计了一种自动化水平很高的电磁阀性能检测平台。其核心是以PLC控制器和触摸屏组合，将动力单元、油路集成块、测试阀安装阀板等各个元件作为控制对象，采用输入输出模块通道，构成一个开放式结构的监督计算机控制系统，实现数据测量预处理、传感器线性化处理及非线性补偿、标度变换、越限报警处理、数字控制器工程实现等功能，满足对比例电磁阀检测的控制要求。文中详述了测试平台电控系统的构成，工作原理和各部分功能的实现。

比例电磁阀；检测；控制对象；数字控制器

电液比例电磁阀作为电液换挡阀的先导控制元件，其控制精度、响应速度和线性度的高低以及输出油压是否稳定会直接影响功率级阀芯的动态性能，进而影响对油压的控制，对换挡阀的品质有重要的影响。换挡阀经历了从高速开关电磁阀到电液比例电磁阀的发展过程[1]。高速响应开关电磁阀结构简单、价格便宜、抗污染能力强，但由于其控制原理是通过脉宽调制信号不断打开和关闭球阀输出脉冲油压，控制频率有限，而且由于控制方式属于离散控制而非连续控制，有离散型和非线性的特点，给精确控制带来难度。由于高速响应开关电磁阀的缺点，比例电磁阀开始在换挡控制回路中得到应用，比例电磁阀由于它的耐压特性、密封特性和稳态压力特性等性能[2]，必将在石化行业、电力部门、冶金部门、化工行业和城市建设等使用阀门大户中增强对比例电磁阀产品的需求。因此，对比例电磁阀的检测就显得尤为重要。长期以来电磁阀的性能检测的方法是采用简易的人工检测，这种检测台对检测人员要求高，操作人员的强度非常大，速度也比较慢，尤其在检测精度方面，效果不是很令人满意。研发具有我国自主知识产权的高自动化水平电磁阀性能检测台，对提高生产力和自动化程度具有重要的意义。

1 比例电磁阀特性试验台原理及系统组成

液压比例阀测试台主要包括动力单元、油路集成块、测试阀安装阀板、电控系统等，其中，动力单元、油路集成块、测试阀安装阀板等各个元件为控制对象，电控系统由PLC和触摸屏构成，实现对被控对象的控制和检测，系统装配示意如图1所示。

图1 装配示意Fig.1 Shows the assembly diagram

1.1 监督控制系统设计

在液压电控系统中，工业控制器PLC必须经过输入输出接口和过程通道与被控对象相连。输入输出接口是控制器与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口，系统运行过程中，信息的交换是频繁发生的[3]。过程通道是在控制器和被控对象之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟输入量通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。被控对象的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到控制器PLC中，控制器经过计算和处理后的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到被控对象，从而实现对被控对象的控制。触摸屏与PLC控制器连接采用串口模式，使用标准的资料交换接口，系统监控和数据采集功能的软件SCADA以间接方式通过DDE和OPC内部资料交换中心和硬件设备通信。通信线路使用RS-422A全双工工作方式，RS-422A优点是采用平衡驱动和差分接收方式，从根本上消除信号地线。这种驱动器相当于2个单端驱动器，它们的输入是同一个信号，而一驱动器的输出正好与另一个反相[4]。当干扰信号作为共模信号出现时，接收器则接收差分输入电压。只要接收器具有足够的抗共模电压工作范围，它就能识别这2种信号而正确接收传送信息。采用RS-422A实现2点之间远程通信时，需要2对平衡差分电路形成全双工传输电路。

电控系统以基于“触摸屏+PLC控制器”为核心，采用输入输出模块通道构成一个开放式结构的监督控制系统。触摸屏上位机主要用作处理非实时控制，实现原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变以直接数字控制方式工作的PLC控制器中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况，同时作为各被控对象运动状态显示的人机界面[5]。PLC控制器完成测量数据预处理、流量传感器和压力传感器线性化处理和非线性补偿、标度变换方法、越限报警处理、数字控制器的工程实现等功能。其组成的监督控制系统结构框图如图2所示。

图2 监督控制系统结构Fig.2 Structures of monitor control system

1.2 数字控制器的工程实现

本设计是对基于PLC控制的比例电磁阀特性试验台进行设计，数字控制器的工程实现中，应包括给定值和被控量处理、偏差处理、控制算法的实现、控制量处理及自动/手动切换技术6个环节，其示意如图3所示。

图3 数字控制器工程实现示意Fig.3 Digital controller project implementation schematic

对于试验台的计算机控制系统，可采用手动操作器作为计算机的后备操作。当切换开关处于自动位置时，控制量MV通过D/A输出，此时系统处于正常的计算机控制方式，称为自动状态（HA状态）；反之，若切向手动位置，则计算机不再承担控制任务，由运行人员通过手动操作器输出0～10 mADC或4～20 mADC信号，对执行机构进行远方操作，这称为手动状态（HM状态）[6]。为了实现从手动到自动的无平衡操作无扰动切换，在手动状态下，尽管并不进行算法计算，但应使给定值（CSV）跟踪被控量（CPV），同时也要把历史数据，如前一时刻采样值e（k-1）清零，同时，还要使控制器前一时刻输出值u（k-1）跟踪手动控制量。这样，一旦切向自动而控制器前一时刻输出值u（k-1）又等于切换瞬间的手动控制量，这就保证了控制器输出控制量的连续性。当从自动切向手动时，只要计算机应用程序工作正常，就能自动保证无扰动切换[7]。当从输出保持状态或安全输出状态切向正常的自动工作状态时，同样需要进行无扰动切换，为此可采取类似的措施。当然，这一切需要有相应的硬件电路配合。

采用上述数字控制器，不仅可以组成单回路控制系统，而且可以组成串级、前馈、纯滞后补偿（Smith）等复杂控制系统[10]，对于后面2种系统还应增加补偿器运算模块。利用该控制模块和各种功能运算模块的组合，可以组成各种控制系统来满足比例电磁阀控制的要求。

2 液压比例电磁阀特性测试控制流程

按工艺要求，由触摸屏对工艺曲线进行实时插补计算，给出信号，同时启动加压泵，经过PLC的接收然后运算输出，输出模拟量信号，通过放大器输送到比例电磁阀，比例电磁阀接收数字控制器输出值的大小来控制它的开合度，而电磁阀的开度的变化会引起流量的改变，从而压力也会改变。再由压力传感器检测到的压力信号和流量传感器检测到流量信号，经过A/D转换后，由数据采集程序、数字滤波程序和标度变换程序处理后再传送给PLC，再由PLC经过数字控制器处理后送给被控对象和触摸屏[9]。按照液压比例电磁阀的耐压特性、密封特性和稳态压力特性要求，各性能指标测试方法如下：

耐压特性试验将被试阀安装到测试台之后，擦干周围油液，保证被试阀阀体和安装阀板干净无油迹。测试台出厂已将额定压力调至3 MPa（若想提高压力，可先关闭球阀15.1、15.2，将溢流阀8的保护帽拆下，调节螺柱，顺时针为升高，逆时针为降低，调整完毕后，拧紧保护帽，打开球阀15.2），保持压力5 min，观察被试阀是否漏油。

密封性试验将测试阀板的回油管拆掉，在其出口处放置量杯测量泄漏量。给换挡阀提供24 V电压完全开启保持5 min，观察泄漏量并记录数据。然后将被试阀断电保持5 min，观察泄漏量。

稳态压力特性试验将模拟负载压力的溢流阀14调节至1.5 MPa（出厂已设定，改变可将球阀15.1打开，球阀15.2、15.3关闭，然后调节溢流阀14，顺时针为增大，逆时针为减小），给被试阀提供不同的电信号，在每个输入的信号值下，稳定1 min，采集被试阀的出口压力。在给被试阀信号时，建议逐渐升高，然后逐渐降低，可测量出被试阀的压力曲线。

3 PLC多模式软件设计

液压比例电磁阀测试平台电控系统核心控制器是西门子S7-300系列PLC，其相应编程软件是西门子的STEP7 V5.5[8]。

整个测试平台电控系统设有4种操作模式：正常模式、测试模式、故障模式及调试模式。正常模式时，在每一大步执行完毕后或在大步执行过程中按下暂停按钮后的一小步执行完毕后，程序可以切换到测试模式；测试模式时，在每一小步操作完成后，在每一大步前一小步操作执行完毕后，可以切换到正常操作模式。

正常模式将测试平台装置若干小的动作步骤合成一个大的步骤，每个大步采用自动控制，大步之间采用手动控制。电控系统一般情况下采用正常模式。

测试模式测试平台装置每一小步动作都由手动进行操作，即全手动。每完成一个基本动作，系统锁定，防止误操作。测试模式又分为2种不同方式：一种是按正常模式动作顺序进行小步动作；另一种是自由控制每个机构的动作，此模式属于操作人员测试用。

故障模式每一小步动作都由手动控制，其区别是没有动作流程分步走功能，并且不防误操作。在系统发生故障，例如测试平台4个位置检测行程开关中有1个没有发讯，此时程序判断系统故障，而现实情况又必须测试平台动作，在人为判断不会发生事故的情况下，故障模式允许进行下一步操作，此模式属于检修人员进行检修和排故。

调试模式对整个测试平台液压系统中的每个执行元器件都可独立进行操作，以方便对系统进行检修和维护。该操作模式只能生产厂家使用，使用时必须输入密码确认。

测试平台电控系统PLC程序流程如图4所示。

图4 系统工作流程Fig.4 Working flow chart

本设计利用EB800 V4软件来绘制界面并实时显示所测得的数据，让检测人员可以清楚地看到数据出现的问题，并且绘制出压力曲线，从而有利于分析，如图5、图6所示。

图5 触摸屏主界面Fig.5 Touchscreen main screen

图6 检测界面Fig.6 Test interface

4 结语

本系统操作简单、使用维护方便、性能可靠。采用数字技术控制方式，提高了液压比例电磁阀质量检测精度；改善了劳动条件，不用人工手动操作，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析；采用表格、图形、曲线显示直观，并有打印输出功能。

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[4] 周美兰.PLC电气控制与组态设计[M].北京：科学出版社，2005.

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[6] S7-200 CN可编程序控制器手册[M].西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2005.

[7] 王晓罡，陈文曲，唐妹芳，等.比例电磁阀的特性分析与试验研究[J].火箭推进，2011，37（2）：52-59.

[8] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

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[10]LIN Tian-liang，WANG Qing-feng，HU Bao-zan，et al.Development of hybrid powered hydraulic construction machinery[J].Automation in Construction，2010，19（1）：11-19．

Design of Electronic Control System for Hydraulic Proportional Solenoid Valve Test

LIU Jie，JIANG Wei-hua，LI Shu-yuan

For hydraulic proportional solenoid valve pressure，sealing properties and steady pressure characteristic performance indexes such as high precision detection，independent design a high level of automation solenoid valve performance testing platform.Its core based on PLC controller and touch screen，power units，hydraulic integrated block，test valve installation disc，and other components as control object，the input and output module，a supervisory computer control system，an open structure to realize data preprocessing，sensor linearization and nonlinear compensation，scale transform，the limit alarm function processing engineering，digital controller，control of the proportional solenoid valve testing requirements.The article details the test platform of electronic control system，work principle and the realization of the function of each part.

proportional electromagnetic；detection；control object；digital controller

TB47

A

1001-9944（2017）08-0017-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.005

2017-03-06；

2017-06-19

刘杰（1992—），女，在读硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程。