基于LabVIEW的电磁阀动态响应特性测试系统

1、文章编号：1001-9944(2011 03-0016-04基于LabVIEW 的电磁阀动态响应特性测试系统王永华，刘霞丽，江豪（郑州轻工业学院电气信息工程学院，河南省信息化电器重点实验室，郑州450002）摘要：基于LabVIEW 虚拟仪器和第三方测控板卡，配合机电耦合测试平台，设计开发了耐压范围0.135MPa的电磁阀动态响应特性测试系统。详细介绍了气动回路、电气控制回路以及测控软件系统。利用LabVIEW 中的Queue 技术简化了数据采集、显示与储存的编程。采用巴特沃思滤波器对高速采集到的传感器数据进行了滤波，并采用最小二乘拟合法对压力测试值进行了修正，提高了测试系统的测量精度。软件测

2、试系统采用模块化的编程思想，具有二次开发功能。实际使用结果表明，该系统能够同时检测4只被试阀，工作效率提高了400%左右，测试精度达到了0.5%。关键词：电磁阀；动态响应特性；LabVIEW ；最小二乘拟合；巴特沃思滤波器中图分类号：T H86文献标志码：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在汽车、航空、军工、电力和船舶工业等领域，对电磁阀特别是高压高性能电磁阀的需求越来越大，对其启动特性和停止特性中的各项性能指标要收稿日期：20100921；修订日期：20101110求越来越高。尤其在航空工业领域，对于高压高性能电磁阀性能的综合测试具有十分重要的战略意义，高压高性能电磁阀的动态响应特性将直接影响到整基金项目：郑州市科技领军人才项目（096SYJH21098）；河南省教育厅自然科学研究计划项目（2010A510018）作者简介：王永华（1963），男，教授，河南省信息化电器重点实验室学术带头人，中国PROFIBUS /PROFI

8、NET 技术培训中心负责人，中国IEC611313培训中心负责人，研究方向为先进工业自动化技术集成与应用、信息化工业测控电器与系统；刘霞丽（1982），女，硕士研究生，研究方向为计算机通信与工业控制；江豪（1980），男，讲师，研究方向为智能测控技术。16Automation Instrumentation 2011(3 个飞机控制系统对发动机的控制。所以，设计和开发快速、精确、高智能化的电磁阀特性测试系统非常必要。本测试系统基于虚拟仪器技术，将传统的通过硬件操作完成的功能由软件来实现，提高了测试系统的自动化水平和精度，同时良好的人机交互界面方便了用户的操作和测试数据的管理。计算机测量与控制系

9、统工控机（测试软件）多功能测控板卡端子板功率驱动电路板6路直流电源电磁阀压力变送器电流变送器温度传感器4路路A/D采样42路1电磁阀的动态响应特性分析电磁阀励磁线圈通电后，线圈的负载电流按指板卡PCI2005作为A /D 数据采集和I /O 控制设备。为提高测试效率，试验系统中设计了4个测试通道。每一只被试阀都要测量其开通和关闭时的电流，整个试验气路装置中的模拟量有：供气压力P 1、减压器的进口压力P 2、减压器调压后压力P 3和被试阀进口压力P 4四个压力值，供气气源温度值T 1和被试阀进气温度T 2。另外开关量控制需要6路I /O 信号，故在考虑系统采样精度、兼容性和冗余的基础上选择了PC

10、I2005多功能测控板卡。该卡可以实现针对每一只被试阀的单独控制、单独数据采集，提高了试验的灵活性。多功能测控板卡I /O 输出的信号I m数曲线从零开始增加，衔铁所受到的电磁吸力也相应上升。当电磁吸力上升至足以克服负载力时，衔铁开始运动，并切割磁力线产生很强的反电势，使电流急剧下降，直至衔铁完全吸合。之后，电流按指数曲线继续增至稳态。在电磁阀的工作过程中，衔铁的释放过程与其吸合过程相似。通过这种机电耦合的关系，可以把阀门内部的机械运动与电流变化情况相关联，监测励磁线圈上加载的电流在时域上变化的情况，可获得电磁阀动作时的电流曲线，如图1所示12。经过自制的驱动板卡放大隔离后控制电磁阀切换动作，

11、实现电磁阀全开和全闭的动作过程。自制的功率驱动板电路原理是利用高电压、高电流的达林顿晶体管驱动芯片ULN2003A 作为前置放大，再利用GX27223/5系列小尺寸固体继电t 0t 1t /mst 2电流I /AI 1I 2器对驱动信号进行功率放大和电压隔离，以驱动图1典型电流曲线DC24V 供电的电磁阀46。22自动配气系统气路设计气路系统是根据被试阀的试验要求设计开发的新型试验系统，主要由试验件模块、高、低压管路及固定台架等组成。各模块的安装配备可调整固定支架完成，可以调整安装支架的位置支撑和拆卸被试阀。气路系统如图3所示，图中K 1、K 2、K 3为手动阀，Fig1Typical cur

12、rent curves由电流曲线可以知道阀门的开启和释放的响应时间t 1和t 2，电流储备系数K =I m /I 1以及时间常数T c =t ，这些参数都是反映阀门性能优劣的重ln K 要指标3。T 1、T 2为温度传感器，G 为过滤器，P 1、P 2、P 3为压力传感器，J 1为减压器（被试验件），DK 1、DK 2为气路控制电磁阀，D 1、D 2、D 3、D 4为被试件电磁阀。2硬件系统设计测试系统的硬件部分主要包括计算机测量与控制系统和自动配气系统。结构原理如图2所示。3软件设计系统基于LabVIEW 的虚拟仪器图形化编程语21计算机测量与控制系统测试系统主机为研华工控机，采用阿尔泰测控

13、言，采用结构化模块程序设计，便于调试与维护，系统操作简单、快捷，具有多种实时检测功能和友好的自动化与仪表2011(3 高压管路经减压器调压后次压管路（5）用户自设定的数据处理（计算灵敏度、电磁阀开通时间、电磁阀关闭时间等参数）及其他测试项选择、传感器故障判断工作为用户提供灵活而又友好的操作界面。P 1DK 1P 2气源入口K 1T 1GK 2排空J 1A 1P 3DK 2035MPa32D 1P 4T 2D 2D 3K 3排空电磁阀动作时瞬态电流测试界面电磁阀动作时瞬态电流测试是整个测试软件的KB 1KB 2KB 3KB 4核心部分，用于对被试阀动作时流经线圈的电流值、试验气体介质温度及压力状

14、况进行监测、检测、报警屏蔽等处理。测试界面如图5所示。试验件模块D 4图3气路原理图Fig3Pneumatic schematic人机界面，并具有系统自检、容错和完善的试验数据回放功能。31软件总体结构及功能介绍电磁阀动态响应特性测试软件设计主要包括用户登录、测试数据检测、测试系统数据管理及辅助系统等部分。电磁阀动态响应特性测试系统软件框图如图 4所示。电磁阀动态响应测试软件图5测试界面Fig5Test Interface在运行数据采集程序之前，可以在对应输入框中输入相应测量参数，并通过操作屏幕左下方的按辅助系统用户登录数据检测数据管理钮来实现对电磁阀信号的采集和处理功能。33用户信息验证用户

15、管理用户操作权限启动电流检测压力检测温度检测系统初始化系统参数设置数据存储检测曲线回放数据检测模块设计为了避免采集到的数据出现丢失或重复，在程序设计中利用LabVIEW 提供的Queue 技术实现缓冲区的作用。Queue 数据结构7是一种先进先出（FIFO ）的结构。编程中利用Queue 技术，可以将一组有序的数据从一个应用程序传递到另一个与之相独立的并行运行的应用程序中。程序开始运行时，该系统主要具有以下几个功能和特点：（1）能够高精度地实现试验气体回路对被试电磁阀的自动精确配气（配气误差小于02MPa）。（2）可同时测试14只电磁阀，各个测试支路通过各自的传感器采集测试信号，以达到各个测试

16、支路的测试数据相互独立。（3）能够实时采集、存储、显示被试电磁阀的动态响应信号和工作环境的温度及气源压力等参数。（4）试验供气回路气体通断由电磁阀控制，配合多功能测控板卡的数字口控制被试电磁阀的供气时间，可使测试环境更精确地接近电磁阀实际工作环境。先创建一个Queue ，再将采集到的AD 数据送到这个Queue 中。Queue 结构起到数据缓存的作用，保证了程序运行中不会出现丢失或复制数据的现象。数据采集模块的程序框图如图6所示。34数据管理模块设计测试数据的显示与储存是数据管理模块要实现的主要功能。在此程序中，将数据检测模块作为一个子VI 来调用，将采集到的AD 数据源源不断地送到Queue

17、 中。数据显示储存模块将采集到的数据从Queue 中读出并清空，这样不断循环，就实现了连续高速数据的采集和显示。采集到的数据经处理后可以以波形或数字方式显示，也可以将数据储存到数Automation Instrumentation 2011(3 18据库或文件中，便于离线分析。力传感器的测试值与真实值之间的近似关系。在数据处理程序中，将每次压力传感器采集得到的压力值，依据式（4）进行变换，求得y 值，即得到修正后的压力值，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修正前后的采集数据图6数据采集模块（2）（3）（4）Tab1Gathering data of around revision（MPa ）Fig6Data acquisition module实际传感器采采集值采集值相修正后修正后修正后相压力值集压力值绝对误差对误差/%压力值绝对误差对误差/%4试验内容及试验数据分析按照试验气路设计要求正确连接试验气路接口0102030405060133437500334383343750099800001501501350406019603160023735

19、37003734418671901998650000135034179690041797139323030040600004060445468800454691136720400196000019605488281004882806530468005304797656049968400003168841106与被试阀，并保持供气气源压力恒定。试验开始前调节试验气路回路中的减压器使被试阀进气口压力值与试验所需压力一致。准备就绪即可开始试验。41功能检查在规定试验条件下通过听觉、视觉、触觉来判通过对比表1中修正前后的绝对误差和相对误差，可以看出修正后的压力值接近实际压力值。从中可以看出，压力传感器

20、的相对误差的最大值达到了334375，最小值也达到了88411，与系统要求的精度在05以内相差甚远；而经过修正以后，相对误差最大值仅为0406，最小值甚至达到了0，完全在系统要求的精度范围之内。断被试电磁阀及其控制阀是否能够正常运行，观测电磁阀切换动作是否正常，是否卡死，是否存在可检测到或能听到的泄漏，记录明显的非正常特征。42气密性检测打开“气密性检测”界面，根据试验要求设置参数，系统根据试验参数的设置自动进行被试电磁阀的气密性试验，被试阀保压时间达到设定值时系统自动结束试验。在测试过程中实时监测及记录气路中压力状态和环境温度变化，绘制出压力时间曲线作为测试员评定被试阀气密性合格与否的判断依

21、据。根据试验测试工艺要求，整个测试系统的压力误差必须保持在05以内。在对压力传感器的标定中，发现压力在06MPa以下时，原始数据准确度超出了本系统05的要求，故系统采用曲线拟合的办法来进行修正。具体步骤如下：在006MPa之间，每01MPa测量出一个压力传感器的示数，如表1第43电磁阀动作时瞬态电流测试本试验有2种测试模式：自动模式和手动模式。自动模式是系统根据事先设置的试验参数自动完成试验，绘制电流时间曲线并记录试验数据。手动模式是通过点击试验界面上电磁阀的控制按钮来控制该阀的开闭，从而完成该试验的每一个测试步骤。在试验中测试系统要高速采集大量的试验数据来绘制电流时间曲线，为了减少干扰数据对

22、测试数据的影响，选用巴特沃思滤波器作为数字滤波，这个滤波器在Analyze Singnal Processing filters ，它的过渡带比较宽，而且通带比较平直，此外还添加了滤波类型、滤波阶次和截止频率的设置，以适应不同的测试系统要求。经过滤波处理后系统绘制的曲线比较平滑和精确。试验结果如图7所示。（下转第30页）2列所示，采用最小二乘法8，由式（1）、（2）、（3）拟合出直线y 103806x 0029703，其中：y 为压力传感器的示数；x 为当前的压力真实值，这样就得到了压自动化与仪表2011(3 19北京：中国标准出版社，20057Department of CommerceNa

23、tional Institute of Standards and17冯冬芹，金建祥，褚健工业以太网关键技术初探J 信息与控制，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应用密码学手册M 胡磊，王鹏，等译北京：电子工业出版社，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北京思源新创信息

25、安全资讯有限公司，等GB /T 202712006信息安全技术，信息系统通用安全技术要求S 北京：中国标准出版社，200611National Institute of Standards TechnologyNISTI ndustrial200520William Stallings密码编码学与网络安全：原理与实践M 2版北京：电子工业出版社，200121Bruce Schneier应用密码学：协议、算法与C 源程序M 吴世忠，祝世雄，张文政，等译北京：机械工业出版社，200722重庆邮电大学，等20031040T604工业控制网络系统安全通用技术条件S 北京：中国标准出版社，200523I

26、SO /IEC 15408Common Criteria for Information TechnologyC ontrol S ystem S ecurity A ctivities S NIST，200512王芬，赵梗明嵌入式网络接入的安全通信机制研究J 单片机与嵌入式系统应用，2005（9）：7913王春喜，孙大林，金青透明工厂网络的安全性分析与解决方案J 仪器仪表标准化与计量，2006：4614Stephen Northcutt深入剖析网络边界安全M 北京：机械工业出版社，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网络安全原理与实践M 王宝生，朱培栋，白建军，译北京：人民邮电出版社，200325浙江大学，等用于工业测量与控制系统的EPA 网络安全规范S 北京：中国标准出版社，200326阳宪惠现场总