铁路车辆给风调整阀、操纵阀、波纹阀智能检测系统的设计_王兴.pdf
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1、第 51 卷收稿日期:2022年8月13日,修回日期:2022年9月26日基金项目:国家自然科学基金面上项目(编号:41372350);山西省高等学校大学生创新创业训练计划项目(编号:S202210109680X);山西省教学改革创新项目(编号:J20220712)资助。作者简介:王兴,男,博士,副教授,硕士生导师,研究方向:计算机应用,物联网工程。江忠浩,男,硕士,研究方向:计算机技术。王亦雷,男,硕士,研究方向:计算机科学与技术。杜辰,男,硕士,研究方向:计算机科学与技术。荀亚玲,女,博士,副教授,硕士生导师,研究方向:大数据分析及应用、并行与分布式计算等。1引言阀门作为管道系统中一种常用
2、的控制元件,能够控制流体的各项性能,比如方向、压力和流量。在密闭容器的使用过程中,如果发生泄漏并且泄漏量到一定范围,就会对使用的产品施加一定的负面影响,所以其气密性成为人们重点关注的指标之一1。给风调整阀、操纵阀、波纹阀是已有货车车辆的关键部件,它的作用是利用货车车辆的列车管气源实现K系列货车车辆卸货门的自动控制,以及为喷淋降尘系统提供200Kpa的安全压力。它们的性能,不但对系列货车车辆卸货门的正常动作至关重要,而且因为它的能量来自列车管气源,它们的性能还直接影响到列车的制动系统,进而影响到行车的安全。这些阀门的质量保证,对检测气密性技术以及设备都有了新的要求与挑战。国内外设备自动化程度不高
3、以及目前传统的人工检测方法不仅耗时耗力,而且检测效率低下,使其无法达到检铁路车辆给风调整阀、操纵阀、波纹阀智能检测系统的设计王兴江忠浩王亦雷杜辰荀亚玲(太原科技大学太原030024)摘要随着交通运输的发展,铁路车辆对于推动社会经济发展以及有效转运货物有着重要意义。铁路车辆的所用阀门会直接影响到制动系统,进而影响行驶列车整体的安全性。针对此种问题,论文提出了一种铁路车辆给风调整阀、操纵阀、波纹阀智能检测系统。主要介绍了系统的结构和工作原理,用下位机PLC与VB编写的软件进行控制和通信,采用专家系统判断数值以及用RBF算法进行设备的故障诊断,该系统可以提升列车的安全性。关键词智能检测;专家系统;R
4、BF算法;气路控制中图分类号TP391.4DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2023.03.009Design of Intelligent Detection System for Air Supply AdjustmentValve,Control Valve and Corrugated Valve of Railway VehiclesWANG XingJIANG ZhonghaoWANG YileiDU ChenXUN Yalin(Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan030024)Abstra
5、ctWith the development of transportation,railway vehicles are of great significance to promote social and economicdevelopment and effectively transfer goods.The valves used in railway vehicles will directly affect the braking system,thereby affecting the overall safety of the moving train.Aiming at
6、this kind of problem,this paper proposes an intelligent detection system for theair supply adjustment valve,control valve and bellows valve of railway vehicles.The structure and working principle of the systemare mainly introduced.The software written by PLC and VB is used for control and communicat
7、ion.The expert system is used tojudge the value and the RBF algorithm is used for equipment fault diagnosis.The system can improve the safety of the train.Key Wordsintelligent detection,expert system,RBF algorithm,air controlClass NumberTP391.4总第 401 期2023 年第 3 期计算机与数字工程Computer&Digital EngineeringV
8、ol.51 No.35842023 年第 3 期计算机与数字工程测的效率2。针对这种情况,本文设计了一种装置,该装置采用微机控制给风调整阀、操纵阀、波纹阀的检验过程:采用人机对话的方式,使操作人员根据界面提示即可完成多种阀门的试验;设备本身带有故障诊断功能,可最大化保证测试结果的准确性;通过自动采集的实验数据,用专家系统判断实验结果,并可以将试验数据保存,方便打印以及查询。2系统总体设计2.1性能测试需求分析给风调整阀的综合性能检测中,有3个检测项目:1)定压充风试验:主要包括在后端压力上升的同时,前端压力上升的情况;2)逆止试验:主要包括在前后端压力差到达一定程度后,保压一分钟前端压力的上升
9、程度。如果该试验如果不良,会影响列车在制动条件下发生自然缓解,对车辆的运行安全产生重大影响;3)充风时间检测:主要包括后端压力达到一定程度时所用的时间。操纵阀的主要综合性能检测是保压处是否泄漏、手动位是否泄漏以及AB腔的排风是否通畅,防止铸造缺陷。波纹阀测试气密性是否完好,如果气体泄漏,那么泄漏量的大小将严重影响气动元件的工作可靠性。2.2设备的结构铁路车辆给风调整阀、操纵阀、波纹阀智能检测系统由机械部分、硬件控制部分、软件部分组成3。机械部分包括工作台、电磁阀、风管路;硬件控制部分包括压力传感器、PLC(Programmable Logic Controller)和计算机;软件部分主要包括采
10、用VB(Visual Basic)语言编制的控制主程序。该检验系统具有手动、自动两用的功能。手动试验时,由工作台上的开关控制,接通相应电磁阀,可以脱离计算机系统独立工作。自动试验时,由计算机按试验流程自动控制系统工作,并可根据需要进行单步试验过程。操纵员可以根据实际需求来更换手动模式或自动模式。该检验系统有着灵活的操作、足够稳定的性能,并且系统本身的安全性较高。2.3工作原理通过压力传感器将压力信号转换为电信号,进入PLC系统的模拟输入模块(231)后,再将电信号转换可供计算机识别的数字信号,通过通信电缆传入计算机,计算机得到信号后进行运算处理,并将处理后的信号反馈给PLC,PLC发送控制指令
11、进一步控制试验系统中的电磁阀动作,从而完成阀的试验过程。工作原理如图1所示。图1系统原理图3硬件设计3.1气路元件选择气缸:是气动系统最重要也是使用最多的气路执行元件,由活塞分成上下两个腔室,压缩空气进入无杆腔的时候,其作用到活塞的力,使得活塞前进。有杆腔内的空气排入大气,使活塞杆伸出4,反之则退回。气缸活塞完成一次往复运动时所需的最大耗气量qmax计算公式为qmax=0.047D2sp+0.10.11t其中D为缸径,s为气缸行程,t为一次往复行程所需的时间,p为工作压力。根据此式可以选择合适的气源排放量。气缸在该检测装置中充当被测元件的夹持装置。电磁阀:直动式电磁阀是利用电磁力直接推动阀杆换
12、向,电磁线圈未通电时,阀体没有输出;线圈通电时,电磁铁推动阀芯向下移动,阀体有输出。该实验装置拟用开关连接电磁阀控制气路的通断。储气罐:专门是储存气体的装置,当空气进入空压机后,送到储气罐中,再由储气罐管道供给各个用气地点,作用就是要保证供气稳定,当流量变化较大时,储气罐的容积与空压机额定流量及工作压力的关系公式为V=30.1013Qp+0.1013V为储气罐容积,p为工作压力,Q为空压机额定流量。传感器:背压式传感器是利用喷嘴挡板机构的变节流原理构成的。稳定的工作气源经恒节流气阻到背压室,从喷嘴流入。在一定的结构参数和工作压力p下,背压室的气压p0(通常称为背压)是随挡板和喷嘴之间的距离s而
13、变化,变化过程可由以下方程来描述:p0p=11+16(Dd1)421s21为恒节流气阻的流量系数,2为喷嘴-挡板的流585第 51 卷量系数,D为喷嘴直径,d1为恒节流气阻直径。在程序控制中,可用作压力等物理量的检测。消声器:一般用阻尼消声器可降低噪声10dB25dB,消声效果是因阻尼而产生的整流和吸音材料对音响能量的吸收而得到的。3.2气路设计根据2.1的性能需求分析以及3.1的气路元件选型绘制了如图2的气路原理图。测试时,打开气源和8位阀,向工件充气,当压力传感器压力输出值达到规定值时即关闭8位阀,保压一分钟,待被测阀体密封腔室内压力稳定平衡后,读取传感器输出p1值,经一段时间T后,再读取
14、传感器p2值,可 计 算 出 被 测 阀 体 在 该 条 件 下 的 泄 漏 率=()p2p1T,随后打开2位、3位阀放气,将密封腔室内气体排空,为下一工件测试做好准备。底部的三位四通阀是用手动控制的,打开时,气源通过三位四通阀进入气缸中,气缸活塞伸出与被测阀体连接进行夹持,设置了3个气缸分别夹持3种被测阀体,关闭气体后,气缸内压强不足活塞收缩,被测阀体被松开,测量完毕。图2气路原理图3.3装置搭建根据以上分析结合给风调整阀、操纵阀、波纹阀性能检测的总体设计5搭建了试验台,如图3所示。图3左边图像为阀门检测台,右边图像为电气柜及显示器,其结构整体布局合理,主要由显示器操作界面、电气布线、阀门夹
15、持装置、仪表、电磁阀开关、气源设置等几部分组成。能够实现给风调整阀、操纵阀、波纹阀的自动化检测,基本满足工业的使用要求。图3试验台装置图王兴等:铁路车辆给风调整阀、操纵阀、波纹阀智能检测系统的设计5862023 年第 3 期计算机与数字工程3.4可编程控制器设计3.4.1PLC选型该设备选用的压力传感器将模拟量传到PLC中,通过PLC中的数据转换功能来反馈到软件中,从而可以继续控制PLC来实行电磁阀的通断。因此选用24输入16输出共40个数字量的Simens的S7-200型PLC,CPU为CPU 226CN6。该设备可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O 点或 35 路模拟量 I/
16、O 点。该设备连接扩展模块EM221、EM222 以及 EM231。EM221 具有 8 点 DC输入,EM222具有 8 点继电器可以满足继电器的输出,最后的EM231模拟量输入模块,可将外部的输入4通道模拟量转换为PLC内部可以处理的12位数字量。3.4.2通信方式串行通信接口有着低成本、高的抗干扰能力、较远的通信距离以及简单的通信方式,计算机与PLC之间采用串行通信78。选择串行通信方式后还需要进一步确定接口标准,目前适用于PLC的有RS-232、RS-422和RS-485,根据比较传输距离、传输带宽、传输模式等可得RS-485的优势明显,所以PLC上的串口通常默认为 RS-485,而计
17、算机端的串口默认为RS-232,通常需要专用的通信线缆实现RS-232转RS-485。4软件设计为便于现场使用和维护管理,系统采用VB6.0进行模块化编程,适用于Windows操作系统,可以自行采集数据,生成报表,便于日后查询。4.1模块设计系统软件根据测试要求分为系统设置模块,该模块可以设定试验的参数;用户权限模块,该模块可以设置操纵员与检测员的权限,不同级别的人员权限不同,保证安全性;硬件故障检测模块,该模块可以实现对硬件例如传感器、电磁阀等器件进行检测,当它们出现故障时,可以及时定位便于处理,该模块将在第5节进行详细介绍;系统测试模块,该模块用于微机检测脱轨自制动装置9的给风调整阀、操纵
18、阀、波纹阀;报表输出模块,该模块用以对被检测器件进行标准化输出,并可根据时间和编号来进行查询;数据上传模块,该模块提供 HMIS(Hospital Management Information System)接口,可方便的与使用单位的HMIS进行数据传递;数据库维护模块,该模块用于数据库的备份、恢复、过期数据的清楚以及无效数据的删除等功能。其主控界面如图4所示。图4系统主界面主控界面显示了软件的名称,菜单栏的功能,操作人员的信息,实验项目的名称,阀编号,监控电磁阀的通断情况以及压力显示等功能。4.2专家系统专家系统是人工智能研究的一个重要领域,专家系统的功能是利用计算机软件程序系统对人类专家决
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