基于LabVIEW的電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性測試系統(tǒng)

1、文章編號：1001-9944(2011 03-0016-04基于LabVIEW 的電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性測試系統(tǒng)王永華，劉霞麗，江豪（鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南省信息化電器重點實驗室，鄭州450002）摘要：基于LabVIEW 虛擬儀器和第三方測控板卡，配合機(jī)電耦合測試平臺，設(shè)計開發(fā)了耐壓范圍0.135MPa的電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性測試系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了氣動回路、電氣控制回路以及測控軟件系統(tǒng)。利用LabVIEW 中的Queue 技術(shù)簡化了數(shù)據(jù)采集、顯示與儲存的編程。采用巴特沃思濾波器對高速采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波，并采用最小二乘擬合法對壓力測試值進(jìn)行了修正，提高了測試系統(tǒng)的測量精度。軟件測

2、試系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，具有二次開發(fā)功能。實際使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠同時檢測4只被試閥，工作效率提高了400%左右，測試精度達(dá)到了0.5%。關(guān)鍵詞：電磁閥；動態(tài)響應(yīng)特性；LabVIEW ；最小二乘擬合；巴特沃思濾波器中圖分類號：T H86文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BTest System of Dynamic Response Characteristic of Solenoid Valve Based on LabVIEWWANG Yong-hua ，L IU Xia-li ，J IANG Hao（Zhengzhou University of Light Industry ，Institute o

3、f Electrical and Information Engineering ，Key Laboratory of I nfor-mation A ppliance of Henan Province ，Zhengzhou 450002，China ）Abstract ：Based on LabVIEW for virtual instrument s and a thirdpartymeasuring board and controlling card ，support by the electromechanical coupling test platform ，the dynam

4、ic response characteristic of solenoid valve test system was designed and developed ，which pressure resistance value from 01MPato 35MPaIts pneumatic circuit ，electrical con-trol circuit and controlling software system are also presentedBy use of Queue technology ，the programming for data acquisition

5、 ，storage and display wa s simplifiedIn order to improve the measure precision of testing system ，using But-terworth filter to filter the highspeedsensor data collected ，and adopting the method of least square fitting to modify the measure ment signal of pressureThe system adopts the idea of modular

6、ization ，and has an ability of redevelop-mentThe experiment shows that this system can test four solenoid valves simultaneously ，the working efficiency has enhance about 400，the testing precision has reached up to 05Key words ：solenoid valve ；dynamic response characteristic ；LabVIEW ；least square fi

7、tting ；B utterworth filter在汽車、航空、軍工、電力和船舶工業(yè)等領(lǐng)域，對電磁閥特別是高壓高性能電磁閥的需求越來越大，對其啟動特性和停止特性中的各項性能指標(biāo)要收稿日期：20100921；修訂日期：20101110求越來越高。尤其在航空工業(yè)領(lǐng)域，對于高壓高性能電磁閥性能的綜合測試具有十分重要的戰(zhàn)略意義，高壓高性能電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性將直接影響到整基金項目：鄭州市科技領(lǐng)軍人才項目（096SYJH21098）；河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃項目（2010A510018）作者簡介：王永華（1963），男，教授，河南省信息化電器重點實驗室學(xué)術(shù)帶頭人，中國PROFIBUS /PROFI

8、NET 技術(shù)培訓(xùn)中心負(fù)責(zé)人，中國IEC611313培訓(xùn)中心負(fù)責(zé)人，研究方向為先進(jìn)工業(yè)自動化技術(shù)集成與應(yīng)用、信息化工業(yè)測控電器與系統(tǒng)；劉霞麗（1982），女，碩士研究生，研究方向為計算機(jī)通信與工業(yè)控制；江豪（1980），男，講師，研究方向為智能測控技術(shù)。16Automation Instrumentation 2011(3 個飛機(jī)控制系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)的控制。所以，設(shè)計和開發(fā)快速、精確、高智能化的電磁閥特性測試系統(tǒng)非常必要。本測試系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)，將傳統(tǒng)的通過硬件操作完成的功能由軟件來實現(xiàn)，提高了測試系統(tǒng)的自動化水平和精度，同時良好的人機(jī)交互界面方便了用戶的操作和測試數(shù)據(jù)的管理。計算機(jī)測量與控制系

9、統(tǒng)工控機(jī)（測試軟件）多功能測控板卡端子板功率驅(qū)動電路板6路直流電源電磁閥壓力變送器電流變送器溫度傳感器4路路A/D采樣42路1電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性分析電磁閥勵磁線圈通電后，線圈的負(fù)載電流按指板卡PCI2005作為A /D 數(shù)據(jù)采集和I /O 控制設(shè)備。為提高測試效率，試驗系統(tǒng)中設(shè)計了4個測試通道。每一只被試閥都要測量其開通和關(guān)閉時的電流，整個試驗氣路裝置中的模擬量有：供氣壓力P 1、減壓器的進(jìn)口壓力P 2、減壓器調(diào)壓后壓力P 3和被試閥進(jìn)口壓力P 4四個壓力值，供氣氣源溫度值T 1和被試閥進(jìn)氣溫度T 2。另外開關(guān)量控制需要6路I /O 信號，故在考慮系統(tǒng)采樣精度、兼容性和冗余的基礎(chǔ)上選擇了PC

10、I2005多功能測控板卡。該卡可以實現(xiàn)針對每一只被試閥的單獨控制、單獨數(shù)據(jù)采集，提高了試驗的靈活性。多功能測控板卡I /O 輸出的信號I m數(shù)曲線從零開始增加，銜鐵所受到的電磁吸力也相應(yīng)上升。當(dāng)電磁吸力上升至足以克服負(fù)載力時，銜鐵開始運動，并切割磁力線產(chǎn)生很強(qiáng)的反電勢，使電流急劇下降，直至銜鐵完全吸合。之后，電流按指數(shù)曲線繼續(xù)增至穩(wěn)態(tài)。在電磁閥的工作過程中，銜鐵的釋放過程與其吸合過程相似。通過這種機(jī)電耦合的關(guān)系，可以把閥門內(nèi)部的機(jī)械運動與電流變化情況相關(guān)聯(lián)，監(jiān)測勵磁線圈上加載的電流在時域上變化的情況，可獲得電磁閥動作時的電流曲線，如圖1所示12。經(jīng)過自制的驅(qū)動板卡放大隔離后控制電磁閥切換動作，

11、實現(xiàn)電磁閥全開和全閉的動作過程。自制的功率驅(qū)動板電路原理是利用高電壓、高電流的達(dá)林頓晶體管驅(qū)動芯片ULN2003A 作為前置放大，再利用GX27223/5系列小尺寸固體繼電t 0t 1t /mst 2電流I /AI 1I 2器對驅(qū)動信號進(jìn)行功率放大和電壓隔離，以驅(qū)動圖1典型電流曲線DC24V 供電的電磁閥46。22自動配氣系統(tǒng)氣路設(shè)計氣路系統(tǒng)是根據(jù)被試閥的試驗要求設(shè)計開發(fā)的新型試驗系統(tǒng)，主要由試驗件模塊、高、低壓管路及固定臺架等組成。各模塊的安裝配備可調(diào)整固定支架完成，可以調(diào)整安裝支架的位置支撐和拆卸被試閥。氣路系統(tǒng)如圖3所示，圖中K 1、K 2、K 3為手動閥，F(xiàn)ig1Typical cur

12、rent curves由電流曲線可以知道閥門的開啟和釋放的響應(yīng)時間t 1和t 2，電流儲備系數(shù)K =I m /I 1以及時間常數(shù)T c =t ，這些參數(shù)都是反映閥門性能優(yōu)劣的重ln K 要指標(biāo)3。T 1、T 2為溫度傳感器，G 為過濾器，P 1、P 2、P 3為壓力傳感器，J 1為減壓器（被試驗件），DK 1、DK 2為氣路控制電磁閥，D 1、D 2、D 3、D 4為被試件電磁閥。2硬件系統(tǒng)設(shè)計測試系統(tǒng)的硬件部分主要包括計算機(jī)測量與控制系統(tǒng)和自動配氣系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。3軟件設(shè)計系統(tǒng)基于LabVIEW 的虛擬儀器圖形化編程語21計算機(jī)測量與控制系統(tǒng)測試系統(tǒng)主機(jī)為研華工控機(jī)，采用阿爾泰測控

13、言，采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計，便于調(diào)試與維護(hù)，系統(tǒng)操作簡單、快捷，具有多種實時檢測功能和友好的自動化與儀表2011(3 高壓管路經(jīng)減壓器調(diào)壓后次壓管路（5）用戶自設(shè)定的數(shù)據(jù)處理（計算靈敏度、電磁閥開通時間、電磁閥關(guān)閉時間等參數(shù)）及其他測試項選擇、傳感器故障判斷工作為用戶提供靈活而又友好的操作界面。P 1DK 1P 2氣源入口K 1T 1GK 2排空J(rèn) 1A 1P 3DK 2035MPa32D 1P 4T 2D 2D 3K 3排空電磁閥動作時瞬態(tài)電流測試界面電磁閥動作時瞬態(tài)電流測試是整個測試軟件的KB 1KB 2KB 3KB 4核心部分，用于對被試閥動作時流經(jīng)線圈的電流值、試驗氣體介質(zhì)溫度及壓力狀

14、況進(jìn)行監(jiān)測、檢測、報警屏蔽等處理。測試界面如圖5所示。試驗件模塊D 4圖3氣路原理圖Fig3Pneumatic schematic人機(jī)界面，并具有系統(tǒng)自檢、容錯和完善的試驗數(shù)據(jù)回放功能。31軟件總體結(jié)構(gòu)及功能介紹電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性測試軟件設(shè)計主要包括用戶登錄、測試數(shù)據(jù)檢測、測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理及輔助系統(tǒng)等部分。電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性測試系統(tǒng)軟件框圖如圖 4所示。電磁閥動態(tài)響應(yīng)測試軟件圖5測試界面Fig5Test Interface在運行數(shù)據(jù)采集程序之前，可以在對應(yīng)輸入框中輸入相應(yīng)測量參數(shù)，并通過操作屏幕左下方的按輔助系統(tǒng)用戶登錄數(shù)據(jù)檢測數(shù)據(jù)管理鈕來實現(xiàn)對電磁閥信號的采集和處理功能。33用戶信息驗證用戶

15、管理用戶操作權(quán)限啟動電流檢測壓力檢測溫度檢測系統(tǒng)初始化系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲檢測曲線回放數(shù)據(jù)檢測模塊設(shè)計為了避免采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失或重復(fù)，在程序設(shè)計中利用LabVIEW 提供的Queue 技術(shù)實現(xiàn)緩沖區(qū)的作用。Queue 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)7是一種先進(jìn)先出（FIFO ）的結(jié)構(gòu)。編程中利用Queue 技術(shù)，可以將一組有序的數(shù)據(jù)從一個應(yīng)用程序傳遞到另一個與之相獨立的并行運行的應(yīng)用程序中。程序開始運行時，該系統(tǒng)主要具有以下幾個功能和特點：（1）能夠高精度地實現(xiàn)試驗氣體回路對被試電磁閥的自動精確配氣（配氣誤差小于02MPa）。（2）可同時測試14只電磁閥，各個測試支路通過各自的傳感器采集測試信號，以達(dá)到各個測試

16、支路的測試數(shù)據(jù)相互獨立。（3）能夠?qū)崟r采集、存儲、顯示被試電磁閥的動態(tài)響應(yīng)信號和工作環(huán)境的溫度及氣源壓力等參數(shù)。（4）試驗供氣回路氣體通斷由電磁閥控制，配合多功能測控板卡的數(shù)字口控制被試電磁閥的供氣時間，可使測試環(huán)境更精確地接近電磁閥實際工作環(huán)境。先創(chuàng)建一個Queue ，再將采集到的AD 數(shù)據(jù)送到這個Queue 中。Queue 結(jié)構(gòu)起到數(shù)據(jù)緩存的作用，保證了程序運行中不會出現(xiàn)丟失或復(fù)制數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)采集模塊的程序框圖如圖6所示。34數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計測試數(shù)據(jù)的顯示與儲存是數(shù)據(jù)管理模塊要實現(xiàn)的主要功能。在此程序中，將數(shù)據(jù)檢測模塊作為一個子VI 來調(diào)用，將采集到的AD 數(shù)據(jù)源源不斷地送到Queue

17、 中。數(shù)據(jù)顯示儲存模塊將采集到的數(shù)據(jù)從Queue 中讀出并清空，這樣不斷循環(huán)，就實現(xiàn)了連續(xù)高速數(shù)據(jù)的采集和顯示。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以以波形或數(shù)字方式顯示，也可以將數(shù)據(jù)儲存到數(shù)Automation Instrumentation 2011(3 18據(jù)庫或文件中，便于離線分析。力傳感器的測試值與真實值之間的近似關(guān)系。在數(shù)據(jù)處理程序中，將每次壓力傳感器采集得到的壓力值，依據(jù)式（4）進(jìn)行變換，求得y 值，即得到修正后的壓力值，如表1第5列所示。G 0（x 0）1（x 0）n （x 0）0（x 1）1（x 1）n （x 1）0（x N ）1（x N ）n （x N ）表1R （N 1）（n 1）（1

18、）G T Ga =G T y （x ）=a 0+a 1x y =x -0.0297031.038906修正前后的采集數(shù)據(jù)圖6數(shù)據(jù)采集模塊（2）（3）（4）Tab1Gathering data of around revision（MPa ）Fig6Data acquisition module實際傳感器采采集值采集值相修正后修正后修正后相壓力值集壓力值絕對誤差對誤差/%壓力值絕對誤差對誤差/%4試驗內(nèi)容及試驗數(shù)據(jù)分析按照試驗氣路設(shè)計要求正確連接試驗氣路接口0102030405060133437500334383343750099800001501501350406019603160023735

19、37003734418671901998650000135034179690041797139323030040600004060445468800454691136720400196000019605488281004882806530468005304797656049968400003168841106與被試閥，并保持供氣氣源壓力恒定。試驗開始前調(diào)節(jié)試驗氣路回路中的減壓器使被試閥進(jìn)氣口壓力值與試驗所需壓力一致。準(zhǔn)備就緒即可開始試驗。41功能檢查在規(guī)定試驗條件下通過聽覺、視覺、觸覺來判通過對比表1中修正前后的絕對誤差和相對誤差，可以看出修正后的壓力值接近實際壓力值。從中可以看出，壓力傳感器

20、的相對誤差的最大值達(dá)到了334375，最小值也達(dá)到了88411，與系統(tǒng)要求的精度在05以內(nèi)相差甚遠(yuǎn)；而經(jīng)過修正以后，相對誤差最大值僅為0406，最小值甚至達(dá)到了0，完全在系統(tǒng)要求的精度范圍之內(nèi)。斷被試電磁閥及其控制閥是否能夠正常運行，觀測電磁閥切換動作是否正常，是否卡死，是否存在可檢測到或能聽到的泄漏，記錄明顯的非正常特征。42氣密性檢測打開“氣密性檢測”界面，根據(jù)試驗要求設(shè)置參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)試驗參數(shù)的設(shè)置自動進(jìn)行被試電磁閥的氣密性試驗，被試閥保壓時間達(dá)到設(shè)定值時系統(tǒng)自動結(jié)束試驗。在測試過程中實時監(jiān)測及記錄氣路中壓力狀態(tài)和環(huán)境溫度變化，繪制出壓力時間曲線作為測試員評定被試閥氣密性合格與否的判斷依

21、據(jù)。根據(jù)試驗測試工藝要求，整個測試系統(tǒng)的壓力誤差必須保持在05以內(nèi)。在對壓力傳感器的標(biāo)定中，發(fā)現(xiàn)壓力在06MPa以下時，原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度超出了本系統(tǒng)05的要求，故系統(tǒng)采用曲線擬合的辦法來進(jìn)行修正。具體步驟如下：在006MPa之間，每01MPa測量出一個壓力傳感器的示數(shù)，如表1第43電磁閥動作時瞬態(tài)電流測試本試驗有2種測試模式：自動模式和手動模式。自動模式是系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)置的試驗參數(shù)自動完成試驗，繪制電流時間曲線并記錄試驗數(shù)據(jù)。手動模式是通過點擊試驗界面上電磁閥的控制按鈕來控制該閥的開閉，從而完成該試驗的每一個測試步驟。在試驗中測試系統(tǒng)要高速采集大量的試驗數(shù)據(jù)來繪制電流時間曲線，為了減少干擾數(shù)據(jù)對

22、測試數(shù)據(jù)的影響，選用巴特沃思濾波器作為數(shù)字濾波，這個濾波器在Analyze Singnal Processing filters ，它的過渡帶比較寬，而且通帶比較平直，此外還添加了濾波類型、濾波階次和截止頻率的設(shè)置，以適應(yīng)不同的測試系統(tǒng)要求。經(jīng)過濾波處理后系統(tǒng)繪制的曲線比較平滑和精確。試驗結(jié)果如圖7所示。（下轉(zhuǎn)第30頁）2列所示，采用最小二乘法8，由式（1）、（2）、（3）擬合出直線y 103806x 0029703，其中：y 為壓力傳感器的示數(shù)；x 為當(dāng)前的壓力真實值，這樣就得到了壓自動化與儀表2011(3 19北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，20057Department of CommerceNa

23、tional Institute of Standards and17馮冬芹，金建祥，褚健工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)初探J 信息與控制，2003，32（3）：21922418IEC /PAS 62443Security for I ndustrial P rocess M easurement（ICS ）SecurityTechnologyGuideto Industrial Control Systems S NIST，2007and C ontrolnetworkand S ystem S ecurity S IECApril21，200619Alfred J Menezes ，Paul Cvan

24、 Oorschot ，Scott A Vanstone應(yīng)用密碼學(xué)手冊M 胡磊，王鵬，等譯北京：電子工業(yè)出版社，8National Institute of Standards TechnologyApplyingNIST SP80053to Industrial Control Systems S NIST，20069United States General Accounting OfficeChallengesand e ffortsto s ecure c ontrol s ystems C /GovernmentAccountability Office ，200410北京思源新創(chuàng)信息

25、安全資訊有限公司，等GB /T 202712006信息安全技術(shù)，信息系統(tǒng)通用安全技術(shù)要求S 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，200611National Institute of Standards TechnologyNISTI ndustrial200520William Stallings密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全：原理與實踐M 2版北京：電子工業(yè)出版社，200121Bruce Schneier應(yīng)用密碼學(xué)：協(xié)議、算法與C 源程序M 吳世忠，祝世雄，張文政，等譯北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200722重慶郵電大學(xué)，等20031040T604工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全通用技術(shù)條件S 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，200523I

26、SO /IEC 15408Common Criteria for Information TechnologyC ontrol S ystem S ecurity A ctivities S NIST，200512王芬，趙梗明嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入的安全通信機(jī)制研究J 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（9）：7913王春喜，孫大林，金青透明工廠網(wǎng)絡(luò)的安全性分析與解決方案J 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2006：4614Stephen Northcutt深入剖析網(wǎng)絡(luò)邊界安全M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200315Ldaho National A boratory . Control Systems Cyber Security De-Security Evaluation Part 1：Introduction and G eneral M odel Version 24S ISO/IEC JTC1CCIMB20040300124Saadat Malik網(wǎng)絡(luò)安全原理與實踐M 王寶生，朱培棟，白建軍，譯北京：人民郵電出版社，200325浙江大學(xué)，等用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA 網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范S 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，200326陽憲惠現(xiàn)場總