徐文明

(上海石化工業(yè)學(xué)校機(jī)電科，上海 201512)

0 引言

工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，亦稱控制閥，是工藝生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中極為重要的部分。為了確保氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的安全運(yùn)行，在安裝、使用前應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行必要的檢查和校驗(yàn)[1-4]。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥相關(guān)技能競(jìng)賽項(xiàng)目在全國(guó)石油和化工行業(yè)職業(yè)技能競(jìng)賽、全國(guó)職業(yè)院校技能大賽和全國(guó)儀器儀表制造工職業(yè)技能競(jìng)賽中相繼出現(xiàn)。其中，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理還是采用傳統(tǒng)的人工記錄、計(jì)算和評(píng)判[5-6]。

隨著“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱領(lǐng)的推進(jìn)，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥智能檢測(cè)技術(shù)將迎來(lái)新的發(fā)展階段[7-8]。本文利用檢測(cè)儀表技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、觸摸屏技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥智能檢測(cè)系統(tǒng)。

1 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥檢測(cè)內(nèi)容

1.1 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥檢測(cè)工藝

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在安裝使用前，需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行檢查和校驗(yàn)。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目包括基本誤差、回差、死區(qū)、始終點(diǎn)偏差、額定行程偏差、泄漏量、填料函及其他連接處密封性、氣室密封性、耐壓強(qiáng)度和外觀。其中：基本誤差、回差、死區(qū)、始終點(diǎn)偏差和額定行程偏差檢驗(yàn)項(xiàng)目與調(diào)節(jié)閥的行程位移檢測(cè)相關(guān)；試驗(yàn)點(diǎn)包括信號(hào)范圍的0%、25%、50%、75%和100%這5個(gè)點(diǎn)；泄漏量、填料函及其他連接處密封性、氣室密封性、耐壓強(qiáng)度檢驗(yàn)項(xiàng)目與壓力試驗(yàn)檢測(cè)相關(guān)，以泄漏量和氣室密封性的檢驗(yàn)項(xiàng)目最為關(guān)鍵。為達(dá)到上述目的，本文設(shè)計(jì)了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥檢測(cè)工藝流程，如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥檢測(cè)工藝流程圖

由圖1可知，壓縮空氣經(jīng)過(guò)濾器和減壓閥輸出三路工作氣源。其中：第一路經(jīng)球閥V1提供工作氣源；第二路經(jīng)定值器、球閥V2提供可調(diào)節(jié)的定值氣源，經(jīng)球閥V3提供氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣室密封性檢測(cè)或電-氣閥門定位器輸入氣源；第三路經(jīng)球閥V4提供儲(chǔ)氣罐輸入氣源，儲(chǔ)氣罐出口經(jīng)球閥V5送到閥體進(jìn)口。檢測(cè)泄漏量時(shí)，閥體出口泄漏量經(jīng)球閥V7流出，通過(guò)浮子流量計(jì)FI1和質(zhì)量流量計(jì)FT1檢測(cè)[9]。

1.2 行程位移檢測(cè)流程

檢驗(yàn)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，將規(guī)定的輸入信號(hào)平穩(wěn)地按增大或減小方向輸入電-氣閥門定位器，測(cè)量各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的行程值。在智能檢測(cè)系統(tǒng)中，輸入信號(hào)可以手動(dòng)給定，也可以智能給定。手動(dòng)給定是以手動(dòng)方式向電-氣閥門定位器施加各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)，必要時(shí)可調(diào)整電-氣閥門定位器的調(diào)零旋鈕和行程旋鈕，使調(diào)節(jié)閥行程符合精度要求[10]。智能給定是由智能檢測(cè)系統(tǒng)向電-氣閥門定位器施加各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)。各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的行程值由位移檢測(cè)器ZIT1檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給智能檢測(cè)系統(tǒng)。智能檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)檢驗(yàn)項(xiàng)目的要求，依次將規(guī)定的輸入信號(hào)接入電-氣閥門定位器；然后，將測(cè)量到的各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的行程值保存起來(lái)；檢測(cè)完成后，系統(tǒng)可以對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。

1.3 壓力試驗(yàn)檢測(cè)流程

泄漏量試驗(yàn)選用介質(zhì)為5～40 ℃的清潔空氣。在調(diào)節(jié)閥無(wú)外漏的情況下，先關(guān)閉球閥V6、打開(kāi)球閥V7，排空調(diào)節(jié)閥空氣介質(zhì)。此時(shí)，調(diào)節(jié)閥閥芯應(yīng)處于全關(guān)閉位置。然后，打開(kāi)儲(chǔ)氣罐的輸出端球閥V5,將壓縮空氣介質(zhì)接到調(diào)節(jié)閥的進(jìn)口，通過(guò)浮子流量計(jì)FI1檢測(cè)較大的泄漏量，或通過(guò)流量變送器FT1檢測(cè)較小的泄漏量，最終判斷泄漏等級(jí)。

在氣室密封性試驗(yàn)中，將定值器輸出通過(guò)球閥V2、球閥V3直接連接到氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣室，按照標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)整定值器輸出壓力，觀察定值氣源壓力PIT2是否達(dá)到要求。在額定氣源壓力下，關(guān)閉球閥V2。此時(shí)，記錄初始?jí)毫Γ却? min后，再記錄結(jié)束壓力。計(jì)算初始?jí)毫εc結(jié)束壓力差值。氣室密封性的要求是5 min內(nèi)薄膜氣室內(nèi)的壓力下降不得大于2.5 kPa。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成

檢測(cè)系統(tǒng)硬件由觸摸屏一體機(jī)、位移檢測(cè)器、信號(hào)采集器、測(cè)量控制器、質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器、聯(lián)鎖保護(hù)模塊和電源模塊等組成。觸摸屏一體機(jī)具有雙中央處理機(jī)(central processing unit,CPU)模式；ARM芯片用于處理圖形人機(jī)操作界面及數(shù)據(jù)記錄；單片機(jī)CPU用于保證人工智能(artificial intelligency,AI)邏輯比例積分微分(proportional integral defferential,PID)算法運(yùn)算控制及采樣實(shí)時(shí)性。位移檢測(cè)器用于采集調(diào)節(jié)閥行程位移，具有設(shè)置絕對(duì)測(cè)量或相對(duì)測(cè)量的功能，分辨力為0.01 mm，能將行程位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)采集器用于采集氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的泄漏量、工作氣源壓力和定值氣源壓力。測(cè)量控制器用于提供標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)4～20 mA，同時(shí)也可以接收電-氣閥門定位器輸出的4～20 mA反饋信號(hào)。質(zhì)量流量計(jì)用于測(cè)量氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的泄漏量，檢測(cè)小流量氣體。壓力變送器用于采集工作氣源壓力和定值氣源壓力，能現(xiàn)場(chǎng)顯示并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20 mA。聯(lián)鎖保護(hù)模塊用于在氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥泄漏量過(guò)高時(shí)，自動(dòng)切斷質(zhì)量流量計(jì)電源，以達(dá)到保護(hù)質(zhì)量流量計(jì)的目的，避免質(zhì)量流量計(jì)意外損壞。電源模塊有2個(gè)，分別為質(zhì)量流量計(jì)提供DC 12 V的工作電源，以及為位移檢測(cè)器提供DC 5 V的電源。

檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

檢測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包括供電電源的設(shè)計(jì)、控制回路的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)。

①供電電源設(shè)計(jì)。系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì)為AC 220 V。其中：觸摸屏一體機(jī)、測(cè)量控制器和信號(hào)采集器全部采用AC 220 V直接供電；位移檢測(cè)器工作電源設(shè)計(jì)為DC 5 V，選用AC 220 V/DC 5 V電源模塊供電；質(zhì)量流量計(jì)工作電源設(shè)計(jì)為DC 12 V，選用AC 120 V/DC 24 V電源模塊供電。

②控制回路設(shè)計(jì)。電-氣閥門定位器控制回路，設(shè)計(jì)采用測(cè)量控制器，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)給電-氣閥門定位器，同時(shí)也能接收電-氣閥門定位器反饋的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。工作氣源壓力、定值氣源壓力及泄漏量檢測(cè)回路采用信號(hào)采集器，接收來(lái)自PIT1和PIT2轉(zhuǎn)換的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，以及FT1質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)的泄漏量轉(zhuǎn)換的DC 1～5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。同時(shí)，在FT1質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)的泄漏量超量程時(shí)，信號(hào)采集器自動(dòng)輸出KA1保護(hù)信號(hào)，立即切斷FT1質(zhì)量流量計(jì)的電源，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量計(jì)的超量程檢測(cè)保護(hù)。

③網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)。以觸摸屏一體機(jī)作為主站、位移檢測(cè)器作為從站，設(shè)計(jì)位移檢測(cè)回路，采用RS-232與觸摸屏一體機(jī)進(jìn)行通信。以觸摸屏一體機(jī)作為主站、測(cè)量控制器和信號(hào)采集器作為從站，采用RS-485通信協(xié)議與觸摸屏一體機(jī)進(jìn)行通信。其中，測(cè)量控制器地址為1，信號(hào)采集器地址為2。

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)箱體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)箱體時(shí)，正面開(kāi)孔布置了相關(guān)部件。智能檢測(cè)系統(tǒng)箱體布置如圖4所示。

圖4 智能檢測(cè)系統(tǒng)箱體布置圖

①觸摸屏一體機(jī)，用于觸摸屏界面操作和顯示。

②測(cè)量控制器作為操作器使用，可以直接給電-氣閥門定位器設(shè)置輸入信號(hào)，并能顯示設(shè)定值和反饋信號(hào)。

③工作氣源壓力表和定值氣源壓力表，可以直觀顯示壓力。

④轉(zhuǎn)子流量計(jì)，可以直接觀察泄漏量。

⑤電源開(kāi)關(guān)，用于接通或切斷系統(tǒng)總電源。

⑥減壓閥，用于調(diào)節(jié)工作氣源壓力。

⑦校驗(yàn)/側(cè)漏，用于氣室密封性試驗(yàn)中的氣源壓力切換。

⑧定值器，用于調(diào)節(jié)定值氣源壓力。

⑨工作氣源和定值氣源，根據(jù)檢測(cè)要求連接使用。

3 智能檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

3.1 行程位移智能檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

基本誤差試驗(yàn)是將規(guī)定的輸入信號(hào)平穩(wěn)地按增大或減小方向輸入電-氣閥門定位器，測(cè)量各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的行程值，并按式(1)計(jì)算實(shí)際“信號(hào)-行程”關(guān)系與理論關(guān)系之間的各點(diǎn)誤差，其最大值即為基本誤差。試驗(yàn)點(diǎn)包括信號(hào)范圍的0%、25%、50%、75%和100% 5個(gè)點(diǎn)。

(1)

式中：δi為第i點(diǎn)的誤差；li為第i點(diǎn)的實(shí)際行程，mm；Li為第i點(diǎn)的理論行程，mm；L為調(diào)節(jié)閥的額定行程，mm。

行程位移檢測(cè)程序流程如圖5所示。

圖5 行程位移檢測(cè)程序流程圖

檢測(cè)開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)先初始化滿行程和記錄表，然后進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)0%、25%、50%、75%和100%這5個(gè)點(diǎn)的正行程檢測(cè)。試驗(yàn)點(diǎn)正行程檢測(cè)流程如圖5(a)所示。試驗(yàn)點(diǎn)正行程檢測(cè)結(jié)束后，再進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)100%、75%、50%、25%和0%這5個(gè)點(diǎn)的反行程檢測(cè)。試驗(yàn)點(diǎn)反行程檢測(cè)流程如圖5(b)所示。

3.2 死區(qū)試驗(yàn)智能檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

死區(qū)試驗(yàn)檢測(cè)有2項(xiàng)，分別為緩慢增大輸入信號(hào)和緩慢減小輸入信號(hào)。這2項(xiàng)檢測(cè)均需在觀察到1個(gè)行程變化時(shí)，記下這時(shí)的輸入信號(hào)值。這2項(xiàng)輸入信號(hào)值之差的絕對(duì)值即為死區(qū)。死區(qū)應(yīng)在輸入信號(hào)量程的25%、50%和75%這3個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行試驗(yàn)，其最大值不得大于標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

死區(qū)試驗(yàn)程序流程如圖6所示。

圖6 死區(qū)試驗(yàn)程序流程圖

檢測(cè)開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)先進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)25%、50%、75%這3個(gè)點(diǎn)的死區(qū)正行程檢測(cè)。死區(qū)正行程檢測(cè)流程如圖6(a)所示。死區(qū)正行程檢測(cè)結(jié)束后，再進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)75%、50%、25%這3個(gè)點(diǎn)的死區(qū)反行程檢測(cè)。死區(qū)反行程檢測(cè)流程如圖6(b)所示。

4 實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 智能檢測(cè)系統(tǒng)界面

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥智能檢測(cè)系統(tǒng)操作主界面由輸入輸出顯示、輸入信號(hào)按鈕和功能按鈕等組成。智能檢測(cè)系統(tǒng)操作主界面如圖7所示。

圖7 智能檢測(cè)系統(tǒng)操作主界面

功能操作按鈕有4個(gè)，分別為氣室密封性檢測(cè)、調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)檢測(cè)、閥門泄漏量檢測(cè)和技術(shù)要求設(shè)置。輸入輸出顯示有4個(gè)，分別為定值氣源壓力(kPa)、電-氣閥門定位器的輸入量(%)、行程值(mm)和反饋值(%)。輸入信號(hào)按鈕有6個(gè)，分別為0%、-25%、+25%、100%、輸入逐漸增大和輸入逐漸減小，可用于設(shè)置電-氣閥門定位器的輸入量(%)。

4.2 調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)檢測(cè)操作

調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)檢測(cè)操作界面如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)檢測(cè)操作界面

操作界面顯示校驗(yàn)點(diǎn)(%)、額定行程(mm)和輸入信號(hào)(mA)各5組；檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄顯示位移檢測(cè)(mm)的正、反行程數(shù)據(jù)10個(gè)和死區(qū)檢測(cè)(%)的正、反行程數(shù)據(jù)6個(gè)；數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示6項(xiàng)，包括基本誤差(%)、回差(%)、死區(qū)(%)、始終點(diǎn)偏差(%)、額定行程偏差(%)和檢測(cè)結(jié)果。該操作實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)檢測(cè)，該氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥額定行程為20 mm,校驗(yàn)精度為1%。檢測(cè)數(shù)據(jù)分析：基本誤差為0.9%，回差為0.55%，死區(qū)為0.27%，始終點(diǎn)偏差為0.16%，檢測(cè)結(jié)果為合格。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

利用計(jì)算機(jī)終端或智能手機(jī)等移動(dòng)終端，能便捷、及時(shí)和有效地對(duì)檢測(cè)結(jié)果作出處理，極大地提高了工作效率。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[11-13]，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)終端和移動(dòng)終端對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥智能檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

計(jì)算機(jī)終端可以與觸摸屏一體機(jī)組成局域網(wǎng)，通過(guò)交換機(jī)訪問(wèn)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)終端也可以通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)云服務(wù)器接收的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)。移動(dòng)終端可以通過(guò)無(wú)線訪問(wèn)點(diǎn)獲取云服務(wù)器的相關(guān)數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖9所示。

圖9 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

在職業(yè)院校相關(guān)專業(yè)教學(xué)和技能競(jìng)賽中，參賽者在完成氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的安裝、調(diào)校后，需由教師和裁判員對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行核算和評(píng)判。核算和評(píng)判采用計(jì)算機(jī)終端或移動(dòng)終端進(jìn)行操作，能有效避免人為因素造成的錯(cuò)誤評(píng)判。

5 試驗(yàn)檢測(cè)

根據(jù)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4213-92技術(shù)要求，比較智能檢測(cè)系統(tǒng)與非智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果，可知智能檢測(cè)系統(tǒng)在氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥額定行程偏差、泄漏量、氣室密封性和死區(qū)試驗(yàn)等方面的檢測(cè)結(jié)果有明顯改進(jìn)。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

由表1可知：“額定行程偏差”和“死區(qū)試驗(yàn)”均由“手動(dòng)操作檢測(cè)、人工記錄計(jì)算”改進(jìn)為“自動(dòng)運(yùn)行檢測(cè)、系統(tǒng)記錄計(jì)算”；“泄漏量”和“氣室密封性”均由“人工判斷記錄”改進(jìn)為“系統(tǒng)判斷記錄”；所有試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果全部保存到云端，為計(jì)算機(jī)終端和移動(dòng)終端提供云端數(shù)據(jù)訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的可查詢和產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥智能檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥智能行程校驗(yàn)、死區(qū)試驗(yàn)自動(dòng)運(yùn)行檢測(cè)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥精度自動(dòng)計(jì)算，解決了定量檢測(cè)氣室密封性和閥體泄漏量的問(wèn)題。同時(shí)，該系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為計(jì)算機(jī)終端和移動(dòng)終端提供云端數(shù)據(jù)訪問(wèn)。該氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥智能檢測(cè)系統(tǒng)已在全國(guó)職業(yè)院校儀表及自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)中用于教學(xué)，并已用于第三屆全國(guó)儀器儀表制造工職業(yè)技能競(jìng)賽，在氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥裝配與校驗(yàn)賽項(xiàng)中發(fā)揮了重要作用。該系統(tǒng)還能用于企業(yè)職工培訓(xùn)、職業(yè)技能鑒定以及氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥安裝、使用前的校驗(yàn)。