基于模糊控制的壓力開關性能檢測系統的研制

李兵豐，蔣 慶，湯建斌，謝 斌

（中國計量學院 計量測試工程學院，杭州 310018）

壓力開關是空調系統的保護元件，能夠在系統壓力異常時，自動控制壓縮機的供電通斷，實現欠壓或過壓保護功能，其性能直接關系到空調系統的運行狀態。目前，有關企業對壓力開關的檢測主要依靠人工作業，效率較低，且無法保證檢測精度。

為彌補傳統檢測方式的不足，本文設計了一套壓力開關性能檢測系統。該系統能夠實現產品綜合性能的自動檢測，同時針對壓力開關耐壓強度的測試壓力調節，提出了基于模糊控制的壓力-速度控制，從而提高測試精度和效率。

1 壓力開關的工作原理與測試內容

1.1 壓力開關的工作原理

根據工作原理，將壓力開關分為常開型和常閉型2種，常開型壓力開關在空調系統中起欠壓保護功能。當系統壓力P正常時，膜片翻轉，通過彈簧維持導桿，公共觸點C與常閉觸點NC短路、與常開觸點NO斷路，此時壓縮機供電線路導通，如圖1（a）所示；而當系統壓力P過低時，膜片復位，壓縮機供電被壓力開關切斷[1]，如圖1（b）所示。常閉型壓力開關的工作原理與常開型類似，它起到過壓保護功能。為避免贅述，下文均針對常開型壓力開關講述。

圖1 壓力開關工作原理簡圖Fig.1 Operating principle of pressure switch

1.2 壓力開關的測試內容與現狀

依據對壓力開關工作原理的分析，其作動壓力（觸點接通或斷開壓力）、耐壓強度（觸點接通前承受過電壓的能力）、觸點接觸電阻和同步性能（膜片翻轉和觸點間導通/斷開的時間差）[2]是影響產品質量的4個重要指標，尤其是作動壓力和耐壓強度，兩者直接關系著產品整體性能。

目前各企業的檢測方式主要依靠人工操作，如作動壓力的檢測通過工人手動控制測試壓力升降，根據觸點通斷指示燈和膜片翻轉聲響等信息讀取壓力表，并做記錄。這種方式過分依賴主觀評判，誤檢率高。另外，不同指標的檢測需要不同工人先后操作，檢測方式離散、檢測周期長。在制冷行業迅速發展的今天，傳統檢測方式難以滿足大批量空調系統零缺陷的生產需求。

2 系統概述

本文設計的檢測系統工作原理如圖2所示，采用PLC讀取各測試數據，實現產品性能的綜合測試；并將實時壓力P反饋給PLC，利用控制算法驅動電磁閥組，實現耐壓測試壓力快速、準確調節。因篇幅有限，為突出重點，下文著重介紹系統對作動壓力和耐壓強度的檢測。

圖2 系統工作原理Fig.2 Operating principle of the system

根據壓力開關的生產要求，系統設計的主要技術指標如表1所示。

表1 系統的各項技術指標Tab.1 Technical indices of the system

測試流程如圖3所示，分4個階段：①沖擊：氣路壓力上升、下降，膜片翻轉、復位，使得產品達到預檢狀態；②第一作動壓力測試：升壓至膜片翻轉測得第一閉合壓力，降壓至膜片復位測得第一斷開壓力；③耐壓強度測試：逐步調壓至耐壓測試壓力區間，啟動耐壓儀后保壓數秒，判斷壓力開關觸點加過電壓后，漏電流是否超標；④第二作動壓力測試。

圖3 測試流程內壓力升降圖Fig.3 Diagram of changes of pressure in the measure process

3 系統硬件設計

系統的結構如圖4所示，采用4工位并行獨立運行。硬件部分由壓力控制模塊、檢測模塊和控制模塊組成。

圖4 系統結構Fig.4 Constitution of the system

系統的壓力控制模塊由氣源、電磁閥組、壓力傳感器和AD采集模塊組成，該模塊用于耐壓測試壓力的調節。電磁閥組由6個不同速度的進、排氣閥組成：快速進氣閥（簡稱快進閥）、快排閥、中進閥、中排閥、慢進閥和慢排閥。PLC根據控制策略驅動閥組，實現快速、準確地調壓。

檢測模塊由耐壓儀、被測壓力開關以及讀取觸點間通斷信號和耐壓儀報警信號的PLC輸入口組成。當氣路壓力使得膜片翻轉、復位，或因耐壓測試所得漏電流超限報警時，PLC做相關記錄。

控制模塊是整個系統的核心，由PLC和觸摸屏組成。PLC選用歐姆龍公司的CP1H-XA40DR系列，該型號的PLC具有高效穩定的優點，自帶的AD采集模塊分辨率達到了1/6000[3]。觸摸屏用于實現系統的人機交互，實時顯示系統工況和測試數據，用戶也可在更換不同批次產品時，設置測試參數、查詢生產記錄等。

4 系統軟件設計

系統的軟件分為自動運行、參數設置和生產記錄3個模塊。軟件流程如圖5所示。

圖5 系統軟件流程Fig.5 Flow chart of the software of the system

自動運行模塊具備實時壓力采集、驅動閥組調壓、記錄各測試結果等檢測功能，也可自檢系統氣路泄漏、傳感器斷線等故障并報錯。參數設置模塊用于進行壓力傳感器的零點標定、線性修正，以及檢測時間、判定合格的閾值等設定。為方便生產管理，系統的生產記錄模塊可查詢本系統檢測過的所有產品信息，或導出生產記錄表。設置、查詢完成后，返回到自動運行模塊繼續檢測。各軟件模塊中，最關鍵的是自動運行模塊中的檢測工藝，其流程如圖6所示。

5 控制算法設計

被測壓力開關的耐壓測試壓力較接近閉合壓力 （第一閉合壓力-0.01）MPa，壓力控制精度±0.003 MPa也較高，為得到準確的檢測壓力，調壓速度應盡量緩慢才不會出現超調，但這嚴重影響生產節拍。因此需引入具備不同速度的電磁閥組來實現逐步調壓，使氣壓快速、穩定地進入壓力區間內[4]。現有常規調壓方法為通過壓力傳感器氣路讀取實時壓力，隨著壓力上升到達預設的2個變速點，控制器逐步由快進閥切換至中進閥、慢進閥，直至進入壓力區間，則關閥開始耐壓強度測試[2]。但因上升氣流的慣量和傳感器讀取壓力的滯后性，在實際測試中，常出現變速點掉壓、壓力超調和區間內難以控制等問題，如圖7所示，這些問題影響了檢測節拍和調壓精度。

圖6 檢測工藝流程Fig.6 Flow chart of measure program

圖7 壓力超調示意Fig.7 Diagram of the overshooting of pressure

為此本文采用“模糊-壓力/速度”的控制算法，以提高調壓效率和精度。它的控制過程如圖8所示。

圖8 模糊控制原理框圖Fig.8 Principle diagram of fuzzy control

圖8中：yr（t）為目標壓力值（耐壓測試壓力區間中值）；y（t）為當前壓力檢測值；e（t）為壓力誤差；ec（t）為壓力誤差變化量（當前壓力檢測值-前一時刻壓力檢測值），對 e（t）和 ec（t）做如下定義：

e（t）和 ec（t）2 個輸入量經模糊控制器處理，得到電磁閥組速度v，系統以此驅動電磁閥組，實現壓力/速度控制[3]。

對于壓力誤差的模糊變量E、壓力誤差變化量的模糊變量EC，根據實際需要分別取5個模糊子集，相應的模糊語言為負大 （NB）、負小 （NS）、零（ZO）、正小（PS）、正大（PB）。記 v 為輸出調節因子，v有 7 種類型：+M（慢進）、+Z（中進）、+K（快進）、-M（慢排）、-Z（中排）、-K（快排）和 T（關所有閥），慢、中、快 3檔速度分別調至±0.003 MPa/s、±0.006 MPa/s和±0.03 MPa/s。模糊控制規則如表2所示。

表2 模糊控制規則表Tab.2 Table of fuzzy control rules

表2中的模糊控制規則可用以下模糊條件語句表 示 ：If e is Aiand ec is Bjthen v is Cij。 其中，i=1，2…5， j=1，2…5；Ai，Bj和 Cij分別表示論域e、ec和 v上的模糊子集[3]。

調壓時，PLC只需計算出當前壓力誤差e和壓力誤差變化量ec，即可從模糊控制查詢表中讀取增、降壓速度，以此實現氣路壓力快速、準確調節。

6 實驗結果及分析

6.1 3種調壓方法所得結果的對比

本系統采用模糊控制算法對壓力開關耐壓測試壓力進行調節。為判定調壓效果的優劣，隨機選取一個待測壓力開關（常開型，閉合點壓力0.129 MPa，耐壓測試壓力區間范圍0.119±0.003 MPa），分別用文中提到的3種方法對其進行調壓實驗。結果如圖9所示，在調壓過程中引入控制算法后，在9 s左右即到達調壓目標區間，并在耐壓測試期間穩定在標準測試壓力（區間中值）附近。可見，引入控制算法不僅解決了其他2種方法節拍慢的問題，而且消除了超調的現象，同時保證了調壓精度和速度。

圖9 3種調壓方法對比曲線Fig.9 Contrastive graph of 3 adjusting pressure methods

傳統人工檢測中，由于主觀影響大和檢測方式離散等因素，1個熟練的操作工在1個工作日內（8 h）最多僅檢測500～600個產品的耐壓強度。本系統采取4個工位并行檢測模式，1個工人相同時間內至少能完成1700～1800個產品所有指標的檢測。由于系統實現了快速、準確地調壓和作動壓力的自動記錄，誤檢率也因此下降了12%左右。

6.2 機器性能指數的評定

為了客觀評定系統的調壓精度和測得作動壓力的準確性，采用機器能力指數Cmk進行相關評估。Cmk反映了在工序穩定情況下，設備自身所具有的保證被測件質量的能力，目前各企業在驗收新設備時普遍要求Cmk＞1.67[5]。其計算公式為

式中：xi為第 i次測試值（i＝1，2，…，n）；x 為測試平均值；x0為理論中心值；δ為公差；Sm為標準差。

選取一個標準的常開型壓力開關，其閉合點壓力為0.153 MPa。根據技術指標，其耐壓強度的測試壓力需調節到0.140～0.146 MPa之內，因此x0＝0.143 MPa，δ＝0.006 MPa。將此壓力開關在系統各個工位上分別重復進行10次調壓實驗，所得40個調壓終值xi、平均值xˉ和標準差Sm如表3所示。

表3 調壓實驗數據表Tab.3 Table of data of adjusting pressure experiments壓力單位/（MPa）

根據表3中的數據，計算得到Cmk為1.7189＞1.67。

采用相同方法，對同一壓力開關反復進行40次作動壓力測試。對測得的數據計算、Sm以及Cmk值，如表4所示。

表4 作動壓力測試數據表Tab.4 Table of data of act pressure measurements

由各測試指標的Cmk值可知，系統的機器性能指數滿足新設備驗收要求，準確性達標[6]。

7 結語

本檢測系統實現了壓力開關作動壓力的自動檢測；并且采取模糊控制算法，快速、準確地對耐壓強度的檢測壓力進行調節。實驗結果證明系統充分滿足壓力開關生產線的檢測需求，相比傳統檢測方式，系統提升了測試節拍和精度。該系統現已在一壓力開關生產企業內運行一年多，狀態穩定可靠，節省了大量人力資源。

[1]張振興.壓力開關自動檢測系統研究[D].西安：西安理工大學，2009.

[2]蔣慶，蔡晉輝，梁國偉.傳感器在壓力開關綜合測試裝置中的應用[J].傳感器技術學報，2006，19（3）：120-123.

[3]余海慶，張炎，蔣慶，等.一種新型膨脹閥自動擰緊系統的設計[J].自動化與儀表，2012，27（12）：34-37.

[4]雷龍玉.真空爐進氣速度控制系統的研究[J].硬質合金，2008，25（3）：175-178.

[5]潘頌哲，蔡晉輝，姚燕，等.燃氣調壓器性能檢測系統的研制[J].現代制造工程，2014（12）：86.

[6]朱正德.機器能力指數及其應用[J].設備管理與維修，2004（12）：12-13，20.