馬鴻宇 ，彭 浩 ，榮唯帥 ，王天奇 ，盧繼霞

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

液壓系統(tǒng)是液壓-機(jī)電產(chǎn)品的重要組成部分，然而，液壓系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)某些具有隨機(jī)性、隱蔽性、復(fù)雜性的嚴(yán)重故障，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。相關(guān)調(diào)查資料顯示，有90%的機(jī)械液壓系統(tǒng)磨損和故障與液壓油液污染有關(guān)，特別是固體顆粒污染物。因此，要想提高液壓系統(tǒng)的安全可靠性，就必須特別注意對(duì)液壓油介質(zhì)的污染控制問(wèn)題[1-3]。也就是說(shuō)，對(duì)液壓油污染度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)控制和處理具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

油液中固體顆粒污染度檢測(cè)的常見(jiàn)方法包括重量分析法、顆粒計(jì)數(shù)器分析法和半定量分析法等，可以用單位體積中固體顆粒的數(shù)量或者單位體積中固體顆粒的質(zhì)量來(lái)定量表示油液中固體顆粒物的含量，也可以采用NAS 1638 或ISO 4402 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的污染度等級(jí)來(lái)半定量地表示液壓油的污染程度。顆粒分析法包括顯微鏡法和自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)法，而半定量的檢測(cè)方法包括電容法和濾膜阻塞法等[5-7]。

目前對(duì)油液污染度進(jìn)行檢測(cè)的儀器主要采用光電檢測(cè)原理，但是光電檢測(cè)原理受油液本身顏色和氣泡的影響較大。使用濾膜阻塞法檢測(cè)有許多優(yōu)點(diǎn)，即檢測(cè)結(jié)果不受油液中的氣體和液體雜質(zhì)的影響，也不受油液本身顏色的影響，因此檢測(cè)的準(zhǔn)確度高。以濾膜阻塞技術(shù)設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀有孔令仁等設(shè)計(jì)的DW3 型油液污染度檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制[8-9]，但是仍有較多待改進(jìn)之處。例如，其主控器選擇PLC 控制，體積較大，成本較高；此外，大小測(cè)試缸的切換仍然需要手動(dòng)進(jìn)行，自動(dòng)化程度需要進(jìn)一步提升；還有一點(diǎn)就是沒(méi)有考慮真空脫氣功能。課題組對(duì)DW3 型在線油液污染度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加真空脫氣及自動(dòng)換缸功能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度；采用STM32 單片機(jī)作為主控器，減小儀器體積，并且進(jìn)一步降低成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及工作過(guò)程

油液污染度檢測(cè)原理采用濾膜恒壓阻塞技術(shù)，讓油液在恒壓作用下通過(guò)微孔濾膜，油液中的污染顆粒物將會(huì)隨著時(shí)間堵塞濾膜，導(dǎo)致濾膜流量逐漸衰減。通過(guò)檢測(cè)流量變化信息，利用污染度檢測(cè)數(shù)學(xué)模型便可獲得油液污染度信息。根據(jù)該原理設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：取樣部分、測(cè)試部分和反沖洗部分。檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，取樣部分包括二位二通閥、取樣缸、配置塊、電機(jī)1 及觸碰開(kāi)關(guān)1 等，主要實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)中油液抽吸至取樣缸。測(cè)試部分包括測(cè)試缸、高度傳感器、位移傳感器、微孔濾膜、二位三通閥等，主要作用是通過(guò)將位移傳感器傳遞出的位移信號(hào)和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的閾值相對(duì)比，得出油液污染度等級(jí)，并根據(jù)高度傳感器接收到的信號(hào)判斷測(cè)量是否準(zhǔn)確、需不需要進(jìn)行換缸操作。反沖洗部分包括電機(jī)2 和二位三通閥等，主要作用是在測(cè)試結(jié)束后，把阻塞在濾膜上的固體污染物沖洗回取油箱。信號(hào)處理部分包括位移傳感器、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)位移傳感器傳遞來(lái)的信號(hào)，擬合成為一個(gè)指數(shù)函數(shù)曲線，通過(guò)指數(shù)函數(shù)的5 個(gè)參數(shù)對(duì)比得出油液污染度等級(jí)。

圖1 在線檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

在線檢測(cè)系統(tǒng)包括初始化、取油、真空脫氣、測(cè)試缸自動(dòng)切換、濾膜反沖洗及取樣缸吸排油識(shí)別等功能。

初始化功能：系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)前，需要檢測(cè)取樣缸和測(cè)試缸底部的觸碰開(kāi)關(guān)3 和4 是否處于閉合狀態(tài)，若為閉合狀態(tài)，則表示取樣缸和測(cè)試缸內(nèi)沒(méi)有油液，可以直接進(jìn)行污染度檢測(cè)。如果沒(méi)有處于閉合狀態(tài)，需要讓3YA 和4YA 得電，電機(jī)2 反轉(zhuǎn)，將兩個(gè)缸內(nèi)殘留的油液排干凈之后，觸碰開(kāi)關(guān)3 和4 閉合，再進(jìn)行污染度檢測(cè)。

取樣和真空脫氣功能：1YA 得電，電機(jī)1 正轉(zhuǎn)拉動(dòng)取樣缸活塞上移，當(dāng)觸碰開(kāi)關(guān)2 閉合時(shí)，表示取樣過(guò)程結(jié)束。此時(shí)讓1YA 失電，電機(jī)1 繼續(xù)正轉(zhuǎn)進(jìn)行真空脫氣。開(kāi)關(guān)3 閉合證明真空度達(dá)到從油液中脫氣的要求，此時(shí)電機(jī)1停止正轉(zhuǎn)，延時(shí)40 s，保證油液中的氣泡被完全脫出。

測(cè)試缸自動(dòng)切換功能：在油液污染度檢測(cè)系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大污染度檢測(cè)范圍，采用了雙膜雙缸的設(shè)計(jì)，大小缸的切換通過(guò)電磁閥5 換向?qū)崿F(xiàn)。在用大缸測(cè)試時(shí)通過(guò)高度傳感器2 的信號(hào)確定需不需要換小缸進(jìn)行測(cè)試，若油液污染度太高，導(dǎo)致高度傳感器2 接收不到信號(hào)，就需要換成小缸進(jìn)行測(cè)試；在用小缸進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通過(guò)上位機(jī)傳遞的位移信息，判斷一定時(shí)間內(nèi)小缸是否達(dá)到滿量程，若達(dá)到滿量程的時(shí)間很短，則說(shuō)明油液比較干凈，需要轉(zhuǎn)換回大缸測(cè)試。

濾膜反沖洗功能：在進(jìn)行下次測(cè)試前需要將濾膜表面堵塞的顆粒反沖洗干凈，也就是測(cè)試缸中的油液在拉繩電機(jī)2 的拉力作用下，活塞下移，使油液反沖過(guò)濾膜，將濾膜上阻塞的污染物隨著油液排出檢測(cè)裝置。排油過(guò)程中4YA 得電，油液直接通過(guò)液壓閥排出檢測(cè)系統(tǒng)。

取樣缸吸排油識(shí)別功能：通過(guò)計(jì)算，在取樣缸滿足小缸測(cè)試的油液體積高度位置放置一個(gè)高度傳感器1。在切換到小缸進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要判斷取樣缸活塞下降過(guò)程中高度傳感器1 是否接收到了信號(hào)。如果高度傳感器接收到信號(hào)，就證明取樣缸中的油液不足以進(jìn)行小缸測(cè)試，需要重新進(jìn)行一次取油過(guò)程再進(jìn)行測(cè)試；如果高度傳感器沒(méi)有接收到信號(hào)，那就證明油液足夠進(jìn)行小缸測(cè)試，則直接進(jìn)入測(cè)試階段。

1.2 系統(tǒng)控制方案

本系統(tǒng)選用STM32 單片機(jī)對(duì)油污在線自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化控制，極大程度上減少了成本。檢測(cè)系統(tǒng)的控制方案如圖2 所示，STM32 單片機(jī)作為主控器，通過(guò)觸碰開(kāi)關(guān)和高度傳感器傳遞來(lái)的信號(hào)控制電磁閥的得電/失電和電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)的工作流程。上位機(jī)作為信息處理模塊，接收位移傳感器傳遞的位移信息，擬合曲線，并得出油液污染度等級(jí)。

圖2 控制方案原理圖

2 控制流程和程序設(shè)計(jì)

2.1 主控器的選擇

STM32 是意法半導(dǎo)體公司的一款32 位MCU，STM32 擁有超低的硬件價(jià)格，超多的外設(shè)，豐富多樣的規(guī)格型號(hào)，出色的實(shí)時(shí)性和低的研發(fā)費(fèi)用。STM32 以其豐富的多元化的產(chǎn)品線、高可靠的綜合性價(jià)比、簡(jiǎn)單易用的存儲(chǔ)式開(kāi)發(fā)模式，在眾多高性能的32位MCU中脫穎而出。

相比于PLC 電路控制，STM32 單片機(jī)具有體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用來(lái)自意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RCT6 嵌入式微處理器作為處理核心，擁有高性能、低成本、低功耗、方便二次開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)[10]。

2.2 自動(dòng)控制流程圖設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)是在STM32 單片機(jī)的控制下，使系統(tǒng)依次完成初始化、取樣、測(cè)試、反沖洗等基本檢測(cè)流程，并且根據(jù)傳感器接收到的信號(hào)判斷需不需要換缸，最終可以進(jìn)行一個(gè)循環(huán)往復(fù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)控制面板的停止按鍵控制整個(gè)檢測(cè)過(guò)程結(jié)束。

系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)之前，需要對(duì)儀器的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否處于初始位置，開(kāi)關(guān)3、4 都閉合證明取樣缸和測(cè)試缸內(nèi)都沒(méi)有油液，可以直接進(jìn)行測(cè)試，如果開(kāi)關(guān)3、4 沒(méi)有都閉合，就需要進(jìn)行一次排油，以保證儀器處于初始狀態(tài)，使得測(cè)試結(jié)果更加精準(zhǔn)。初始化程序控制流程圖如圖3所示。

圖3 初始化程序流程圖

初始化結(jié)束之后，確保了儀器處于初始狀態(tài)，開(kāi)始進(jìn)入取樣階段。1YA得電，電機(jī)正轉(zhuǎn)拉動(dòng)取樣缸活塞上移，使得油液進(jìn)入取樣缸，開(kāi)關(guān)2 閉合證明取到的油液足夠進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)1YA 失電，電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，到開(kāi)關(guān)1 閉合達(dá)到足夠的真空度能夠使得油液中的氣體析出。停止一段時(shí)間，使得油液中的氣體完全排出，也就是真空排氣階段。取樣和真空排氣階段流程圖如圖4所示。

圖4 取樣和真空排氣階段流程圖

測(cè)試完之后，需要進(jìn)行濾膜的反沖洗，通過(guò)電機(jī)推動(dòng)測(cè)試缸活塞下推，把測(cè)試缸油液排出測(cè)試缸的同時(shí)沖洗濾膜，使得之前阻塞了濾膜的固體顆粒隨著油液回到取樣缸。同時(shí)取樣缸也進(jìn)行排油，為新的測(cè)試做準(zhǔn)備。反沖洗流程圖如圖5 所示。

圖5 反沖洗流程圖

最后，需要設(shè)計(jì)大小缸切換的流程圖。在一定時(shí)間內(nèi)測(cè)試缸的高度傳感器接收到信號(hào)，證明測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，不需要進(jìn)行換缸，如果沒(méi)接收到信號(hào)，則需要進(jìn)行換缸操作，5YA得電換用小缸測(cè)試。自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)作流程圖如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)作流程圖

2.3 STM32單片機(jī)接線

根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)作流程圖對(duì)STM32 單片機(jī)引腳功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，一共8 個(gè)輸入引腳，分別為PA0 至PA7。在檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，行程開(kāi)關(guān)的閉合和高度傳感器的信號(hào)等會(huì)讓相對(duì)應(yīng)的輸入引腳顯示高電平，通過(guò)編程掃描各個(gè)輸入引腳的狀態(tài)，可以判斷油液污染度檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行到了哪個(gè)步驟，并根據(jù)這些判斷，系統(tǒng)進(jìn)行取樣、測(cè)試、排油以及大小缸的切換等操作。

STM32 單片機(jī)與電磁閥、電機(jī)和高度傳感器等的接線圖如圖7 所示，圖中繪制了單片機(jī)與電磁閥和電機(jī)的接線方式，單片機(jī)能夠通過(guò)控制引腳的高低電平來(lái)控制電磁閥的得電與失電，并且通過(guò)判斷輸入引腳的高低電平確定系統(tǒng)的操作進(jìn)程。

圖7 STM32接線圖

2.4 程序設(shè)計(jì)

STM32CubeMX 生成初始文件之后，需要對(duì)主函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制過(guò)程，通過(guò)引用HAL庫(kù)的函數(shù)，借助C 語(yǔ)言對(duì)程序進(jìn)行編寫(xiě)，根據(jù)之前做的運(yùn)動(dòng)流程圖，通過(guò)對(duì)輸入引腳高低電平的判斷，來(lái)控制輸出引腳的高低電平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。由于篇幅限制，以小缸測(cè)試階段為例。小缸測(cè)試階段程序設(shè)計(jì)如圖8 所示，通過(guò)接收開(kāi)關(guān)和傳感器傳遞來(lái)的信號(hào)控制引腳的高低電平，并控制電磁閥和電動(dòng)機(jī)的工作和斷電狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。Proteus仿真圖如圖9所示。

圖8 小缸測(cè)試階段程序設(shè)計(jì)

圖9 小缸測(cè)試階段Proteus仿真結(jié)果

3 結(jié)論

課題組提出了恒壓堵塞型油污自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)方案，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。改進(jìn)后的方案包含了對(duì)取樣缸油液的脫氣功能，使產(chǎn)品的在線測(cè)試更方便；雙缸雙膜的測(cè)試方式可以在不影響檢測(cè)精度的情況下擴(kuò)大對(duì)油液的污染度檢測(cè)范圍，同時(shí)設(shè)計(jì)和控制的復(fù)雜程度也較之前產(chǎn)品得到降低；采用STM32 單片機(jī)代替PLC 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制，能夠有效降低成本，減小儀器整體的體積和重量。Proteus 仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)整體的自動(dòng)化控制。