基于LabVIEW的电磁阀特性测控系统

郝振兴,岳哲,杨瑞,王基月,朱永刚,赵豪杰

(1.郑州科技学院机械工程学院,河南郑州 450064; 2.河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作 454003)

0 前言

在航空、航天、汽车及航海等领域，需求高性能的电磁阀，尤其在飞机、航天器之中，电磁阀的作用至关重要。电磁阀的优劣将直接影响航空航天设备的正常运行，若其性能较差，甚至会导致严重的后果。因此，在航空、航天、航海等领域，对电磁阀进行综合测试具有重要的意义。国内常规的电磁阀特性测控系统精度低、效率低、负荷强度大，而国外的电磁阀检测仪器比较先进，能够完成对电磁阀高效率、高精度的智能测试，但是国外的检测仪器后期维护困难、供应周期长且价格较贵。因此，设计高智能化、高效率及国产化的电磁阀特性测控系统迫在眉睫。

为解决上述问题，本文作者利用LabVIEW软件、工控机和多功能数据采集板卡等元器件设计测控系统，提高其智能化水平，同时也提高实验员的工作效率。该系统具备阀门流阻、响应时间及脉冲测试试验等功能。采用LabVIEW软件编写算法程序，实现毫秒级响应时间的精准检测和用于阀门脉冲控制的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)波等，该系统人机界面友好，操作方便。

1 电磁阀液路系统原理设计及主要技术参数要求

根据试验要求设计电磁阀液路试验系统，其原理如图1所示。其工作原理：在确认制水量符合试验要求后，打开水泵电机组(水泵电机组采用ABB ACS510 变频器进行控制)，调节溢流阀使被试件进口压力符合试验要求；然后，打开针阀2.1使流体流经被试件电磁阀，调节电磁阀出口处的微型手动针阀2.2的开度，以达到试验所需的流量，即可通过测控系统对被试件电磁阀进行流阻测试、流量监测、响应时间测量以及脉冲试验等。其液压源实物如图2所示。电磁阀液路试验系统的主要技术参数要求：

图1 电磁阀液路试验系统

图2 液压源实物

(1)被试件入口压力为0～7 MPa；

(2)被试件流阻由被试件前压减后压得出；

(3)试验介质为去离子纯净水；

(4)流量为0～8.33 g/s(30 kg/h)；

(5)设备中所有可能接触介质的零部件均应具备良好的防锈蚀能力；所有可能接触介质的零部件以304不锈钢为主。

2 电磁阀测控系统设计

2.1 测控系统的硬件设计

测控系统硬件由供配电模块、数据采集与控制模块及辅助电路组成。数据采集与控制模块中的测控软件作为人机交互界面，操作者通过测控软件监控整个试验流程。测控系统组成及原理如图3所示。

图3 测控系统组成及原理

(1)供配电模块。供配电模块是为液路试验系统提供所需的各种安全、可靠、稳定纯净的电源，包括PXI机箱所需的220 V交流电源、传感器所需的DC24 V直流电源、被试件(电磁阀)所需的可调直流稳压电源，供配电模块配有各种过载及短路保护装置，保证系统安全运行；

(2)数据采集与控制模块。数据采集与控制模块选用PXI-9108型工业机箱、PXI-3364总线多功能数据采集板卡及PXI-3305数字量I/O板卡作为设备控制的核心。与机箱配备的有PXI-3050控制器，该控制器的显示及计算等性能优良，能够很好地满足测控系统的需要。PXI-3364板卡是一款基于PXI总线的高精度测量及大容量存储产品，PXI总线可满足同步与数据采集的要求，其核心为一片18位的模数转换芯片，单通道最高可达1.25 MS/s的采样速率，完全能够满足试验对高速数据采集的要求。PXI-3305属于一种数字量采集控制板卡，DO(数字输出)通道的最大输出频率为10 kHz,完全能满足对被试件阀门进行逻辑时序控制的要求。系统中的压力信号、流量信号、电磁阀电流信号等通过多功能数据采集板卡的AI(模拟量输入)端口进行采集处理并在上位机的软件中显示，然后根据测控软件中预置的逻辑控制要求，由PXI数字量I/O卡的DO(数字量输出)端口控制电磁阀的动作，从而完成整个试验。工控机含USB接口、网络接口、串口等，可进行远程联网；

(3)辅助电路。测控系统辅助电路包含开关、控制线路盒、接插件等，主要用于对相关元器件的操作、信号调理等辅助工作。

2.2 测控系统的软件设计

选用NI公司的虚拟仪器开发平台、图形化语言LabVIEW作为该测控软件的编写语言。

LabVIEW可应用于Windows操作系统的PC平台及基于IOS系统计算机的PC平台，提供的控件和真实的元器件外观十分逼真，并且还支持控件的个人自制，使人机界面创建更加方便。LabVIEW内部含有一整套函数库，可用于数据采集、分析、显示和存储等，使软件开发者的编程时间明显减少。在制作测试报告和数据报表方面，软件开发者可通过LabVIEW平台自由定制报告和报表的样式，且可将它生成doc、txt、xls等格式进行保存，以方便用户后续调用。测控软件选用LabVIEW，具有开发速度快、界面形象直观、功能多等特点。

软件实现的主要功能如下：

(1)测控软件可以形象直观地显示系统各部分压力值、流量值、电磁阀电流值或压力-时间曲线、流量-时间曲线、电流-时间曲线，实时对试验过程中电磁阀的工作状态等进行监控；

(2)能够对电磁阀的响应时间、流阻进行测试；

(3)可对电磁阀进行脉冲试验；

(4)存储试验数据。

测控系统软件界面如图4所示，阀门脉冲控制程序框图如图5所示，游标自动测量程序如图6所示。

图4 测控系统软件界面

图5 阀门脉冲控制程序

图6 游标自动测量程序

3 设计中需注意的几个关键技术点

(1)被试件电磁阀出口处调节流量的针阀须选用高性能、高稳定性的针阀，此设计中选用进口针阀，该针阀可以相对较快地调至试验所需的流量。因为试验所需流量很小(最大流量不超过8 g/s)，性能差的针阀不容易调至所需流量，所以针阀的优劣会大大影响试验效率；

(2)两个压力变送器的布局须距被试件电磁阀越近越好，这样测得的流阻、关响应时间及脉冲更精确；

(3)压力变送器的选型也很关键，须选用高频动态压力变送器(流体压力变化频率比较快)，此次设计中选用的压力变送器为20 kHz的高频动态压力变送器；

(4)各接地点需良好接地，传感器信号线采取差分接法以获得更好的抗干扰性。经试验验证,差分接法不易受外界其他信号的干扰；

(5)多次对高速数据采集(50 000 Hz采样频率)等算法进行优化，该算法在一定程度上大大提高了试验效率。

4 试验结果与数据分析

将被试件电磁阀安装在液路系统的工装上，并对它进行性能检测试验。经试验验证，所设计的测控系统满足使用技术要求，并能准确地测试阀门的流阻、响应时间、压力脉冲以及对被试件电磁阀的时序控制等。将阀门入口压力及出口流量调至试验所需值，然后动作电磁阀测得相应工况下流阻值为1.005 MPa，满足其对应工况下的不小于规定值0.4 MPa的技术要求，其对应流阻试验曲线如图7所示。

图7 阀门流阻曲线

采用电流曲线法测得电磁阀在受载时的开响应时间为1.12 ms，采用电流曲线和出口压力曲线联合的方法测得关响应时间为1.88 ms(由于被试件电磁阀前安有节能控制线路盒，电磁阀在断电时电流曲线无拐点)，响应时间满足不大于规定值3 ms的技术要求。图8、图9所示为其对应的响应曲线。

图8 开响应时间

图9 关响应时间

将流体介质的压力、流量调至试验所需值，然后对电磁阀进行低至毫秒级的时序逻辑控制，经试验测得被试电磁阀在进行毫秒级的动作时进出口都有压力脉冲输出，满足3 ms出口有压力脉冲的设计技术要求，并且无脉冲丢失。其对应脉冲曲线如图10所示。

图10 脉冲曲线

5 结论

本文作者主要介绍了电磁阀特性测控系统的设计。使用G语言LabVIEW作为测控系统的软件开发平台，实现了对电磁阀的流阻、毫秒级响应时间及脉冲等的检测和控制。结果表明：所设计的测控系统很好地满足了使用技术要求，尤其在响应时间及脉冲的检测方面，响应时间小于3 ms的电磁阀能被快速高效地检测出来，并且在电磁阀进行毫秒级逻辑时序动作时无脉冲丢失，满足3 ms出口有压力脉冲的技术指标。该测控系统的设计在一定程度上提高了国产电磁阀特性测控系统的智能化水平，同时也提高了实验员的工作效率。