軸承模擬試驗設備測控的計算機實現

李靳東，郭紹鵬，程旭彥

（洛陽軸研科技股份有限公司試驗技術開發部，河南洛陽471039；）

1 前言

2 測控系統的實現形式及硬件構成

2.1 測控系統的實現形式

軸承模擬試驗設備用來模擬軸承在實際工況下的承載能力、運轉狀態以及使用壽命等指標，主要用于汽車輪轂軸承的模擬試驗[1]，可為整車試驗提供模擬數據支持。測控系統將軸承所承受載荷簡化為軸向以及徑向載荷進行監控，主軸轉速由變頻器驅動電機或者電主軸進行測控，同時在軸承外圈安置溫度傳感器和振動傳感器，用來監測軸承運轉中的溫度和振動變化以確定軸承的實際使用壽命，還可根據不同軸承的具體試驗要求輔以加熱或者泥水噴濺裝置。

2.2 測控系統的硬件構成

測控系統硬件由工業控制計算機、相應的數據采集以及信號控制板卡、通訊板卡、濾波裝置、外圍電氣系統、傳感器和液壓比例閥等構成。文章主要介紹與計算機相關的部分。

(1)工業控制計算機由工業用鋼質機箱（配合14槽PCI/ISA總線工業級底板，可提供極大的使用擴展）、PICMG1.0總線標準全長CPU卡、使用Inter主流芯片組配合雙核CPU、內存以及硬盤光驅組成，具有高可靠性、硬件配置可裝配擴充性、可維護性等特點，能夠滿足工業環境下長期高效的正常使用。

(2)整個系統要完成測控工作，必須通過各種數據采集板卡、信號控制板卡、通訊板卡等來實現。軸承模擬試驗設備需要測試軸承外圈溫度、軸向徑向載荷、振動信號等不超過10個現場信號,控制軸向徑向載荷的方向和大小、電機啟停等?；诳煽啃院徒洕缘男枰x擇一塊多功能數據采集卡，如凌華公司（ADLINK）的ACL-8112PG[2]就可以完成以上測控內容。此類板卡一般提供16路以上單端或者8路以上雙端信號輸入（A/D功能）；可編程指定增益從0.5～1000；16路以上數字輸出（DO）和數字輸入(DI)；2路模擬輸出(D/A功能)以及3個可編程的8254定時器/計數器；采用ISA總線形式[3]。可以完成現場數據采集、載荷控制、電機啟?？刂?、無人值守電機狀態監控等測控系統所需的全部功能。板卡提供單路100kHz以上的采樣頻率，自帶驅動可以調用函數使用所有功能，或者由使用者嵌入匯編語言訪問指定寄存器使用板卡各項功能。板卡12位的采樣數據位可以表示的數據精度為0.02%，軸承模擬試驗設備的信號采集精度要求最高不會超過0.2%，板卡高于一個數量級的精度完全能夠滿足其使用要求。

(3)該系統使用變頻器驅動電機使主軸旋轉，主流變頻器都支持標準的mobus通訊協議，利用485總線與計算機進行雙向通訊測控。使用RS485的接口卡來完成通訊任務，達到無級變速以及監視電機轉速電流等測試數據的作用。通訊板卡最好選擇帶光隔離器，可使計算機和其他設備不會被地環流損壞，增加惡劣環境下的可靠性。

(4)設備主要干擾源來自變頻器，在做好地線處理和變頻器抗干擾措施后，根據現場信號的具體情況，選擇合適的電阻電容，組成阻容濾波裝置，就可以得到準確的采樣信號，保證試驗的進行。

3 測控系統的軟件編程原理以及實現方式

3.1 軟件編程工具

編程軟件使用Borland公司出品的C++Builder5.0，這款軟件以C++為核心，內置了100多個完全封裝了Windows公用特性且具有完全可擴展性（包括全面支持ActiveX控件）的可重用控件，結合可視化開發環境可以高效靈活地編制工業級別的測控程序[4]。

3.2 軸承模擬設備測控軟件的實現方法

軟件是一個測控系統的核心，負責采集現場信號數值進行顯示保存，控制設備按照用戶要求正常運轉，監視設備運行，達到無人值守功能，所以一個測控系統是否完善，測控軟件具有決定性作用。下面將著重介紹軟件在軸承模擬試驗設備中的應用及實現方法。

每個城市都會有自己的蔬菜供給基地，湯翠就住在那兒，南菜村。本來，城市是朝北規劃的，湯翠他們就有些眼氣。眼氣也就那么一會兒，日子還得過下去，南菜雖不比新規劃的北區好，但趕上好形勢了，變化也算得上日新月異。

測控軟件按照其功能主要分為測試模塊、控制模塊以及其他譬如存儲、界面顯示、打印等輔助模塊。

3.2.1 測試模塊

測試模塊主要完成現場模擬信號的模數轉換工作以及與變頻器的數據通訊工作。

需要測試的現場信號有2個溫度、1個振動、軸向徑向力傳感器。傳感器通過各自配套的放大器輸出0～5V或者0～10V信號，對應其線性的信號輸出。比如溫度傳感器量程為0～200℃，電壓輸出為0～5V，1V電壓值即對應溫度值為40℃，同理，其他傳感器也有線性電壓輸出關系。測試信號通過前置的濾波裝置去除干擾信號，接入數據采集卡，測控軟件利用板卡提供的數據寄存器存儲地址以及偏移量，結合匯編語言編制數據采集驅動程序，完成現場信號的數模轉換（A/D）。

ACL-8112PG數據寄存器為12位表示，即2的12次方為4096個整數來表示現場的模擬信號。如果板卡輸入信號的電壓量程為0～5V，那么寄存器里存放的數字表示為0～4096；比如溫度一路信號在寄存器里存儲為1024，線性對應信號輸入電壓應為1024×5/4096等于1.25V，單位電壓值對應溫度值為40℃，可以得出此時的現場溫度為1.25×40=50℃。以此類推，力傳感器、振動傳感器均可以這樣得到計算機可以處理的采樣數值。

雖然信號經過前置的濾波處理，但是一些微小的雜波和線間干擾還是會影響到數據的精確。為了保證數據準確，軟件利用8112PG板卡具備100kHz的采樣頻率這個特點，全速采集所需的信號放入內存數組，進行軟件濾波，根據信號的特點采取不同濾波法。算術平均濾波法為連續取N個采樣值進行算術平均運算，N值越大，信號平滑度較高，但靈敏度較低，適用于溫度等變化較慢的信號；防脈沖干擾平均濾波法為連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值,然后計算N-2個數據的算術平均值，適用于現場環境復雜，可以消除可能出現的短暫脈沖干擾所引起的采樣值偏差；還有一些濾波法，比如滑動平均濾波法、限幅平均濾波法等，可以選擇使用來提高信號的準確性[5]。對于交流輸出的振動傳感器來說，不能使用軟件濾波來進行處理，可根據信號的干凈程度來選擇合適的高速采樣頻率對交流信號進行采集處理。

以臺達公司出品的VFD-B變頻器來說，軟件可以使用RS-485通訊功能來實現對變頻器的無級調速以及主機轉速、電流、電壓等參數的采集工作。RS-485通訊方式為上位機下位機模式，可以通過各個下位機（變頻器）的地址不同，上位機（工控機）來實現一控多的工作。

3.2.2 控制模塊

控制模塊是軟件的核心，主要完成設備的載荷調節。

模擬汽車實際工況就要求軸承徑向載荷一直保持單向施加來模擬汽車自重，而軸向力則是模擬汽車轉彎等受力情況，所以載荷的方向控制就集中在軸向載荷的換向上面。監控軟件通過ACL-8112PG板卡的數字輸出功能，控制相應繼電器吸合來驅動換向閥完成軸向載荷的換向功能。

載荷大小的控制則是利用ACL-8112PG板卡的數模轉換（D/A）功能，軟件內嵌匯編語言將指定位置寄存器寫入12位數據，即0-4096之間的整數值，板卡對應輸出0～5V直流電壓，通過放大器作用于液壓比例閥來控制對應油路的載荷大小。

試驗人員根據軸承的具體情況以及汽車模擬試驗的情況，總結出一套適合的轉速載荷譜，包含每一步要求的主軸轉速、軸向徑向載荷的大小、載荷的方向、本步運轉的時間等信息，轉速載荷譜可以無限添加或者刪除步驟。在其他輸入項目諸如存儲時間、循環次數以及報警參數等等輸入完畢保存后，軟件就會根據輸入的步驟進行自動試驗。測控軟件輸入界面見圖1。

圖1 測控軟件輸入界面

試驗中，軸向徑向載荷同時作用在試驗件的工裝上，懸臂的結構勢必會造成兩個方向載荷的互相干涉，由于徑向載荷方向保持不變，載荷大小一般也保持不變，所以在加載控制程序中對徑向載荷的大小進行適時調節，也就是不間斷地以100ms級別精度進行（設備中電信號傳輸為ms級別或者更高，比例閥芯動作為10ms級別，而油缸克服摩擦力及行程所用時間基本要到秒級別，所以此類設備最快的載荷調節周期單位為100ms）。由于徑向載荷不停受軸向載荷換向以及大小變化的影響，很難達到長時間穩態，所以其閉環反饋調節方式主要選用比例（P）+微分(D)方式。微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的變化率成正比關系，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。使被控量也就是徑向載荷能夠快速穩定在試驗要求的數值[6]。

但是對于軸向載荷的控制就不適宜使用簡單的PID調節方式，由于頻繁的在拉、壓中位之間轉換，載荷的大小發生變化，同時徑向載荷的實時調節也會對軸向載荷的調節造成很大的干涉影響，試驗要求軸向載荷在換向過程中，從開始調節到90%穩態控制在2s以內。為了解決這些控制中出現的問題，軟件設計了一種單步限次反饋調節的辦法，以圖1輸入的4步轉速載荷譜為例：載荷譜中DaFa、DaFr就是軸向載荷和徑向載荷的D/A調節電壓（敘述方便，正常使用的測控軟件此兩項不做顯示）。軸向載荷的調節以500ms時間間隔為調節定時器，比如在轉速載荷譜滾動到第三步時，頭兩個定時器周期（即1s內）DaFa控制量不進行調整仍發送2.2888 6V,之后以軸向載荷的采樣值為反饋進行調節，在滾動到第四步時，DaFa的數值一起存入轉速載荷譜用于下一周期第三步軸向載荷的初始控制量。由于兩種方向載荷的相互影響，就必須對其中一個載荷相對緩慢地調整以保證整個系統的穩定。徑向載荷以100ms為時間間隔實時快速調整，軸向載荷在步驟更替時需要換向變載，油缸運動到位也需要大概1s的時間。所以在頭兩個定時器周期也就是1s內，軸向載荷調節不根據反饋來調整，同時500ms為時間間隔的定時器也保證了軸向載荷調整的相對緩慢，平衡了整個控制系統的穩定性和快速性。

試驗要求的軸向載荷一般都有拉壓和零位，比如圖1中的第二步和第四步。在軸向載荷回零時，盡管DaFa發送0電壓信號，軸向載荷也會受到徑向載荷的拉力的影響無法回到零位，影響試驗精度。測控軟件可以智能判斷軸載由壓力方向回零，也就是圖1中第一步滾動到第二步的情況，軸向載荷在換向置中位，DaFa發送0V電壓時仍存在少許壓力，此時測控軟件內部將此步控制量0kN換為0.02kN（即換為拉力方向的一個很小的量），改變軸向載荷方向為拉力方向進行載荷調節，這樣就可以逐步抵消徑向載荷對于軸向載荷零位的影響。軸載由拉力方向回零同理可以處理。圖1中第二步，第四步的零位中DaFa就是軟件自動調整消除零位誤差的數值。圖2為軟件過零位的調節效果。

圖2 測控軟件監控界面

同時，軟件具備設備自動測控運轉、數據自動保存打印、采樣曲線實時顯示以及全程曲線的保存顯示（此功能可存儲整個試驗過程所有參數的曲線數據，可以宏觀地觀察整個試驗所有采樣參數的變化情況，對試驗結果的評價有參考作用）等功能。整個測控軟件在一次輸入完整的運轉信息后，可以實現無人值守的自動試驗過程。完備的報警處理機能可以在試驗出現所有故障時及時報警，停止設備運轉，關停所有電機，保護設備免受損害。

3 結束語

本文介紹的測控系統計算機實現方法主要包括硬件構成和軟件實現兩個方面，通過測試和控制兩個方面介紹了軟件實現的方法。文章介紹的軸承模擬試驗設備測控系統已經投入實際使用，客戶反饋良好，對其它設備的測控系統研發也有一定的參考價值。

[1]凌華公司.NI公司板卡說明資料[Z].

[2]張金煥，王大力.汽車輪轂軸承模擬試驗技術[J]，軸承,2002,(9)：24-26.

[3]任家富，虞先國，陶永莉.數據采集與總線技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]陳寬達.C++Builder深度歷險[M].湖北：華中科技大學出版社，2002.

[5]祝常紅，彭堅.數據采集與處理技術[M].北京：電子工業出版社，2008.

[6]Gene F.Franklin，J.David Powell，Abbas Emami-Naeini.自動控制原理與設計：第5版[M].李中華，張雨濃,譯.北京：人民郵電出版社,2007.