氣動調節閥智能檢測系統的設計與實現

徐文明

(上海石化工業學校機電科，上海 201512)

0 引言

工業過程控制系統中的氣動調節閥，亦稱控制閥，是工藝生產過程自動調節系統中極為重要的部分。為了確保氣動調節閥的安全運行，在安裝、使用前應根據實際需要進行必要的檢查和校驗[1-4]。氣動調節閥相關技能競賽項目在全國石油和化工行業職業技能競賽、全國職業院校技能大賽和全國儀器儀表制造工職業技能競賽中相繼出現。其中，檢驗數據的采集和處理還是采用傳統的人工記錄、計算和評判[5-6]。

隨著“中國制造2025”行動綱領的推進，氣動調節閥智能檢測技術將迎來新的發展階段[7-8]。本文利用檢測儀表技術、物聯網技術、觸摸屏技術和網絡通信技術，設計了一款氣動調節閥智能檢測系統。

1 氣動調節閥檢測內容

1.1 氣動調節閥檢測工藝

氣動調節閥在安裝使用前，需根據實際需要進行檢查和校驗。氣動調節閥出廠檢驗項目包括基本誤差、回差、死區、始終點偏差、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、耐壓強度和外觀。其中：基本誤差、回差、死區、始終點偏差和額定行程偏差檢驗項目與調節閥的行程位移檢測相關；試驗點包括信號范圍的0%、25%、50%、75%和100%這5個點；泄漏量、填料函及其他連接處密封性、氣室密封性、耐壓強度檢驗項目與壓力試驗檢測相關，以泄漏量和氣室密封性的檢驗項目最為關鍵。為達到上述目的，本文設計了氣動調節閥檢測工藝流程，如圖1所示。

圖1 氣動調節閥檢測工藝流程圖

由圖1可知，壓縮空氣經過濾器和減壓閥輸出三路工作氣源。其中：第一路經球閥V1提供工作氣源；第二路經定值器、球閥V2提供可調節的定值氣源，經球閥V3提供氣動調節閥氣室密封性檢測或電-氣閥門定位器輸入氣源；第三路經球閥V4提供儲氣罐輸入氣源，儲氣罐出口經球閥V5送到閥體進口。檢測泄漏量時，閥體出口泄漏量經球閥V7流出，通過浮子流量計FI1和質量流量計FT1檢測[9]。

1.2 行程位移檢測流程

檢驗氣動調節閥時，將規定的輸入信號平穩地按增大或減小方向輸入電-氣閥門定位器，測量各點所對應的行程值。在智能檢測系統中，輸入信號可以手動給定，也可以智能給定。手動給定是以手動方式向電-氣閥門定位器施加各點所對應的輸入信號，必要時可調整電-氣閥門定位器的調零旋鈕和行程旋鈕，使調節閥行程符合精度要求[10]。智能給定是由智能檢測系統向電-氣閥門定位器施加各點所對應的輸入信號。各點所對應的行程值由位移檢測器ZIT1檢測，并轉換成標準信號送給智能檢測系統。智能檢測系統根據檢驗項目的要求，依次將規定的輸入信號接入電-氣閥門定位器；然后，將測量到的各點所對應的行程值保存起來；檢測完成后，系統可以對檢測的數據進行分析判斷。

1.3 壓力試驗檢測流程

泄漏量試驗選用介質為5～40 ℃的清潔空氣。在調節閥無外漏的情況下，先關閉球閥V6、打開球閥V7，排空調節閥空氣介質。此時，調節閥閥芯應處于全關閉位置。然后，打開儲氣罐的輸出端球閥V5,將壓縮空氣介質接到調節閥的進口，通過浮子流量計FI1檢測較大的泄漏量，或通過流量變送器FT1檢測較小的泄漏量，最終判斷泄漏等級。

在氣室密封性試驗中，將定值器輸出通過球閥V2、球閥V3直接連接到氣動執行機構的氣室，按照標準要求調整定值器輸出壓力，觀察定值氣源壓力PIT2是否達到要求。在額定氣源壓力下，關閉球閥V2。此時，記錄初始壓力，等待5 min后，再記錄結束壓力。計算初始壓力與結束壓力差值。氣室密封性的要求是5 min內薄膜氣室內的壓力下降不得大于2.5 kPa。

2 檢測系統硬件設計

2.1 檢測系統硬件組成

檢測系統硬件由觸摸屏一體機、位移檢測器、信號采集器、測量控制器、質量流量計、壓力變送器、聯鎖保護模塊和電源模塊等組成。觸摸屏一體機具有雙中央處理機(central processing unit,CPU)模式；ARM芯片用于處理圖形人機操作界面及數據記錄；單片機CPU用于保證人工智能(artificial intelligency,AI)邏輯比例積分微分(proportional integral defferential,PID)算法運算控制及采樣實時性。位移檢測器用于采集調節閥行程位移，具有設置絕對測量或相對測量的功能，分辨力為0.01 mm，能將行程位移轉換為數字信號。信號采集器用于采集氣動調節閥的泄漏量、工作氣源壓力和定值氣源壓力。測量控制器用于提供標準電流信號4～20 mA，同時也可以接收電-氣閥門定位器輸出的4～20 mA反饋信號。質量流量計用于測量氣動調節閥的泄漏量，檢測小流量氣體。壓力變送器用于采集工作氣源壓力和定值氣源壓力，能現場顯示并將壓力信號轉換為標準信號4～20 mA。聯鎖保護模塊用于在氣動調節閥泄漏量過高時，自動切斷質量流量計電源，以達到保護質量流量計的目的，避免質量流量計意外損壞。電源模塊有2個，分別為質量流量計提供DC 12 V的工作電源，以及為位移檢測器提供DC 5 V的電源。

檢測系統框圖如圖2所示。

圖2 檢測系統框圖

2.2 檢測系統電路設計

檢測系統原理如圖3所示。

圖3 檢測系統原理圖

檢測系統電路設計包括供電電源的設計、控制回路的設計和網絡通信的設計。

①供電電源設計。系統供電電源設計為AC 220 V。其中：觸摸屏一體機、測量控制器和信號采集器全部采用AC 220 V直接供電；位移檢測器工作電源設計為DC 5 V，選用AC 220 V/DC 5 V電源模塊供電；質量流量計工作電源設計為DC 12 V，選用AC 120 V/DC 24 V電源模塊供電。

②控制回路設計。電-氣閥門定位器控制回路，設計采用測量控制器，輸出4～20 mA標準電流信號給電-氣閥門定位器，同時也能接收電-氣閥門定位器反饋的4～20 mA標準電流信號。工作氣源壓力、定值氣源壓力及泄漏量檢測回路采用信號采集器，接收來自PIT1和PIT2轉換的4～20 mA標準電流信號，以及FT1質量流量計檢測的泄漏量轉換的DC 1～5 V標準電壓信號。同時，在FT1質量流量計檢測的泄漏量超量程時，信號采集器自動輸出KA1保護信號，立即切斷FT1質量流量計的電源，實現質量流量計的超量程檢測保護。

③網絡通信設計。以觸摸屏一體機作為主站、位移檢測器作為從站，設計位移檢測回路，采用RS-232與觸摸屏一體機進行通信。以觸摸屏一體機作為主站、測量控制器和信號采集器作為從站，采用RS-485通信協議與觸摸屏一體機進行通信。其中，測量控制器地址為1，信號采集器地址為2。

2.3 檢測系統箱體設計

在設計箱體時，正面開孔布置了相關部件。智能檢測系統箱體布置如圖4所示。

圖4 智能檢測系統箱體布置圖

①觸摸屏一體機，用于觸摸屏界面操作和顯示。

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

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轉子流量計，可以直接觀察泄漏量。

⑤電源開關，用于接通或切斷系統總電源。

⑥減壓閥，用于調節工作氣源壓力。

⑦校驗/側漏，用于氣室密封性試驗中的氣源壓力切換。

⑧定值器，用于調節定值氣源壓力。

⑨工作氣源和定值氣源，根據檢測要求連接使用。

3 智能檢測軟件設計

3.1 行程位移智能檢測程序設計

基本誤差試驗是將規定的輸入信號平穩地按增大或減小方向輸入電-氣閥門定位器，測量各點所對應的行程值，并按式(1)計算實際“信號-行程”關系與理論關系之間的各點誤差，其最大值即為基本誤差。試驗點包括信號范圍的0%、25%、50%、75%和100% 5個點。

(1)

式中：δi為第i點的誤差；li為第i點的實際行程，mm；Li為第i點的理論行程，mm；L為調節閥的額定行程，mm。

行程位移檢測程序流程如圖5所示。

圖5 行程位移檢測程序流程圖

檢測開始時，系統先初始化滿行程和記錄表，然后進行試驗點0%、25%、50%、75%和100%這5個點的正行程檢測。試驗點正行程檢測流程如圖5(a)所示。試驗點正行程檢測結束后，再進行試驗點100%、75%、50%、25%和0%這5個點的反行程檢測。試驗點反行程檢測流程如圖5(b)所示。

3.2 死區試驗智能檢測程序設計

死區試驗檢測有2項，分別為緩慢增大輸入信號和緩慢減小輸入信號。這2項檢測均需在觀察到1個行程變化時，記下這時的輸入信號值。這2項輸入信號值之差的絕對值即為死區。死區應在輸入信號量程的25%、50%和75%這3個點上進行試驗，其最大值不得大于標準中的規定。

死區試驗程序流程如圖6所示。

圖6 死區試驗程序流程圖

檢測開始時，系統先進行試驗點25%、50%、75%這3個點的死區正行程檢測。死區正行程檢測流程如圖6(a)所示。死區正行程檢測結束后，再進行試驗點75%、50%、25%這3個點的死區反行程檢測。死區反行程檢測流程如圖6(b)所示。

4 實現與應用

4.1 智能檢測系統界面

氣動調節閥智能檢測系統操作主界面由輸入輸出顯示、輸入信號按鈕和功能按鈕等組成。智能檢測系統操作主界面如圖7所示。

圖7 智能檢測系統操作主界面

功能操作按鈕有4個，分別為氣室密封性檢測、調節閥試驗檢測、閥門泄漏量檢測和技術要求設置。輸入輸出顯示有4個，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(%)。輸入信號按鈕有6個，分別為0%、-25%、+25%、100%、輸入逐漸增大和輸入逐漸減小，可用于設置電-氣閥門定位器的輸入量(%)。

4.2 調節閥試驗檢測操作

調節閥試驗檢測操作界面如圖8所示。

圖8 試驗檢測操作界面

操作界面顯示校驗點(%)、額定行程(mm)和輸入信號(mA)各5組；檢測數據記錄顯示位移檢測(mm)的正、反行程數據10個和死區檢測(%)的正、反行程數據6個；數據分析結果顯示6項，包括基本誤差(%)、回差(%)、死區(%)、始終點偏差(%)、額定行程偏差(%)和檢測結果。該操作實現了1臺氣動調節閥的試驗檢測，該氣動調節閥額定行程為20 mm,校驗精度為1%。檢測數據分析：基本誤差為0.9%，回差為0.55%，死區為0.27%，始終點偏差為0.16%，檢測結果為合格。

4.3 物聯網技術應用

利用計算機終端或智能手機等移動終端，能便捷、及時和有效地對檢測結果作出處理，極大地提高了工作效率。運用物聯網技術[11-13]，可實現計算機終端和移動終端對氣動調節閥智能檢測系統的數據訪問。

計算機終端可以與觸摸屏一體機組成局域網，通過交換機訪問氣動調節閥試驗的所有數據。計算機終端也可以通過以太網訪問云服務器接收的氣動調節閥試驗數據。移動終端可以通過無線訪問點獲取云服務器的相關數據。

物聯網架構如圖9所示。

圖9 物聯網架構圖

在職業院校相關專業教學和技能競賽中，參賽者在完成氣動調節閥的安裝、調校后，需由教師和裁判員對檢測結果進行核算和評判。核算和評判采用計算機終端或移動終端進行操作，能有效避免人為因素造成的錯誤評判。

5 試驗檢測

根據氣動調節閥國家標準GB/T4213-92技術要求，比較智能檢測系統與非智能檢測系統對氣動調節閥試驗的檢測結果，可知智能檢測系統在氣動調節閥額定行程偏差、泄漏量、氣室密封性和死區試驗等方面的檢測結果有明顯改進。試驗檢測結果對比如表1所示。

由表1可知：“額定行程偏差”和“死區試驗”均由“手動操作檢測、人工記錄計算”改進為“自動運行檢測、系統記錄計算”；“泄漏量”和“氣室密封性”均由“人工判斷記錄”改進為“系統判斷記錄”；所有試驗檢測結果全部保存到云端，為計算機終端和移動終端提供云端數據訪問，實現了氣動調節閥試驗檢測結果的可查詢和產品質量的可追溯。

6 結論

本文設計的氣動調節閥智能檢測系統，實現了氣動調節閥智能行程校驗、死區試驗自動運行檢測和氣動調節閥精度自動計算，解決了定量檢測氣室密封性和閥體泄漏量的問題。同時，該系統應用物聯網技術，為計算機終端和移動終端提供云端數據訪問。該氣動調節閥智能檢測系統已在全國職業院校儀表及自動化相關專業中用于教學，并已用于第三屆全國儀器儀表制造工職業技能競賽，在氣動調節閥裝配與校驗賽項中發揮了重要作用。該系統還能用于企業職工培訓、職業技能鑒定以及氣動調節閥安裝、使用前的校驗。