多路溫度巡檢系統在軸承試驗機中的應用

王恒迪，秦超，翟鑫,2，鄭銀行

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.91362部隊，浙江 舟山 316215)

軸承作為重要的機械基礎件，廣泛應用于各工業領域，其質量的好壞直接影響設備的性能，而軸承試驗是評定軸承質量的有效途徑之一[1]。軸承試驗機主要是模擬軸承實際使用工況，對軸承進行試驗。試驗過程中，由于需要模擬特定的溫度環境，要求對溫度進行監控，以保證溫度在試驗要求范圍內。當試驗條件發生變化時，溫度也會發生相應變化，轉速以及施加載荷的改變都會引起溫度的變化，而且試驗條件與溫度變化具有對應的關系。增大轉速或載荷都會引起溫度的升高，當試驗機轉速達到90 000 r/min以上，即處于高速運轉時，溫度變化更為顯著，特別是當軸承出現故障等情況時，均會直接通過溫度這一參數顯示出來[2]。由此可見，溫度的檢測和控制直接與設備性能、試驗安全及其效率等重要指標相關聯，溫度監控在整個試驗過程中尤為重要。

1 主要技術及指標

1.1 主要技術指標

潤滑油供油溫度為100 ℃，潤滑油回油溫度不高于150 ℃，供油溫度相對誤差為±5%，試驗軸承外圈溫度不高于150 ℃，加載軸承外圈溫度不高于150 ℃，電主軸內部溫度不高于100 ℃，加熱器功率為9 kW。

1.2 工作原理

系統主要由溫度傳感器、信號調理盒、溫控儀、PCI多路串口卡、NI PCI-6221數據采集卡、控制計算機及加熱器等組成。系統結構如圖1所示。試驗時，主要對潤滑油供油溫度和回油溫度、電主軸內部溫度、試驗軸承外圈溫度、加載軸承外圈溫度以及油箱內潤滑油溫度等進行監測，其中回油溫度包括：試驗軸承左、右側回油溫度和加載軸承回油溫度。考慮到軸承外圈是存在一定弧度的金屬結構，系統選用德國歐普士CTLT20型在線式紅外溫度傳感器對外圈溫度進行測量。此傳感器測頭具有體積小、耐高溫、響應速度快等優點，通過信號調理盒，可以方便選擇信號輸出方式，響應時間小于300 ms，能夠快速測出外圈溫度。安裝前需在機殼對應的測點處加工螺紋通孔，將測頭旋入即可，這樣測頭處于密閉空間，避免了外界環境對測頭的影響，能夠較好地完成對外圈溫度的測量。潤滑油油溫測量采用Pt1000型鉑電阻溫度傳感器，而電主軸內部溫度由其自帶的Pt100型鉑電阻溫度傳感器進行測量。

圖1 系統結構圖

采用帶有調理電路和A/D轉換電路的溫控儀把溫度傳感器輸出的電壓信號轉變為數字信號，然后通過RS485接口傳輸給上位機，實現溫度數據的傳輸。為了快速讀取儀表數據，采用多路串口卡同時與其通信。多路串口卡的主要作用是將上位機的PCI接口轉換成多個串口，以滿足溫控儀對串口數量的需要，可以有效減少讀取溫度數據通信所用時間。上位機根據溫控儀的通信格式把指定的串口初始化為波特率9 600 b/s，數據位8位，無奇偶校驗位，1位停止位，上位機使用VISA寫入函數將輸出緩沖區中的數據發送到VISA 資源名稱指定的串口，利用VISA讀取函數從指定的串口中讀取返回的指令，并將返回的指令送至緩沖區，實現溫度數據從儀表到上位機的傳輸。

根據技術指標要求，潤滑油供油溫度應控制在100 ℃左右。具體做法為：啟動加熱器和供油電動機，由于潤滑油在低溫時黏稠度較高，需要關閉節流閥，潤滑油通過溢流閥進行內循環，使油溫均勻上升；當供油口溫度達到設定值后，上位機程序通過PID控制算法得到系統的控制量，由NI PCI-6221數據采集卡數字I/O口把控制量送至固態繼電器控制端，在控制加熱器工作狀態的同時開啟節流閥讓潤滑油通過試驗機，給試驗機機體預熱；用帶有上限報警功能的溫控儀對回油溫度進行顯示和控制，待回油溫度達到設定值后，儀表報警的同時加熱器停止運行，從而實現對潤滑油回油油溫的調節。潤滑油溫度控制流程如圖2所示。

圖2 潤滑油溫度控制流程圖

根據試驗機對電主軸的性能要求，電主軸在運行時，內部溫度不得長期高于100 ℃，否則會造成電主軸損壞。溫控儀報警回差值為5 ℃，使用前應先設置上限報警參數，當溫度超過設置值時，儀表內部繼電器吸合，利用這一原理，將繼電器的常閉觸點與接觸器的線圈串聯，電主軸一旦超溫，接觸器將自動斷開電主軸電源，實現對電主軸的保護。

在系統運行過程中，各溫度傳感器響應時間不同，經過溫控儀采樣、傳輸，上位機完成一次溫度巡檢所需要的時間為0.5 s左右，能夠滿足軸承試驗機的試驗要求。由上述技術指標可知，各溫度測試點都有上限要求，但由于溫度本身具有滯后性，再加上外界干擾和信號傳輸速度的影響，使得溫度并不能被實時地傳送到溫控儀和上位機中，這將導致當溫度測試點已經達到上限值時，溫控儀和上位機并沒有發出報警停機信號。為了保證系統長期穩定、安全運行，在實際操作中，需要根據試驗軸承類型和試驗時間來設定報警參數，一般可使溫控儀和上位機中的溫度上限報警參數設定值略低于實際要求的上限值。

2 軟件設計

該系統中的軟件部分由溫度數據采集、潤滑油供油溫度PID控制、數據存儲、報表生成與打印、歷史數據查詢及串口通信等模塊組成。上位機程序采用LabVIEW作為開發平臺，具有界面友好，操作簡單等特點。

2.1 數據采集與串口通信

串口通信是一種在計算機與外部設備以及計算機與測試系統之間最簡單、最普遍的數據通信方式。一般計算機都內置串口，使用相對方便，只需用串口線連接計算機和外部設備即可實現收發數據的目的[3]。本系統選用的溫控儀具有RS485接口，并支持標準Modbus RTU協議，可以輕松實現與上位機通信。

RS485接口標準主要是用于多站通信，最高傳輸速率為10 M/s；最大距離約為1 200 m，能夠滿足較遠距離傳輸；通過雙絞線實現主從通信，具有較強的抗干擾能力[4]。Modbus RTU通信協議指令包括地址碼、功能碼、數據區及校驗碼。指令的第1個字節為地址碼，用來確定接收指令的從機，每個從機都有唯一的地址碼，且每個從機只能接收與其地址碼相對應的指令；指令的第2個字節是功能碼，其作用是指示從機執行何種動作。本系統溫控儀只用到讀取和寫入寄存器2條指令，讀取寄存器功能代碼為03H，寫入寄存器功能代碼為06H。數據區根據不同的功能碼而不同，可以是實際數據、設置點等。校驗碼為二字節的錯誤檢測碼，系統中的四路溫控儀使用的是CRC-16校驗碼。

外界干擾可能引起讀取的數據不完整，為了防止程序一直處于讀取某一通道溫度的狀態，程序中加入了錯誤處理機制，規定讀取100次還沒有讀取到完整數據，上位機發送重新讀取指令，反復3次，如果還是讀取失敗，則放棄此通道并報警。程序流程如圖3所示。

圖3 錯誤機制處理邏輯流程圖

溫度巡檢開始時，上位機首先向儀表發送指令，例如使用上位機COM1口，向地址為1的儀表發送讀取通道1的溫度指令，其指令為：0103 0000 0001 840A。當1號儀表收到指令后，會將1通道溫度數據按照指令格式返回給上位機，此時程序處于讀取串口狀態，直到讀取到完整數據。然后通過程序實現寄存器地址的變化，并重新計算CRC值，依次實現各通道溫度數據的巡檢，通信子程序如圖4所示。

圖4 通信子程序

2.2 潤滑油供油溫度PID控制

軸承試驗過程中對潤滑油供油溫度要求比較精確，要求控制在100 ℃左右，且上下浮動范圍不能超過5 ℃。該系統采用PID控制算法對潤滑油供油溫度進行調節，以保證溫度在要求的范圍內。在工程實際中，PID控制算法廣泛應用于溫度、流量、壓力及液位等的控制。采用PID控制是為了得到響應時間短、超調量減小和穩態誤差為零的系統。其中比例(P)控制可以使系統誤差快速反應出來，減小靜態誤差，但并不能消除靜態誤差，且比例系數越大，系統越不穩定；積分(I)控制能夠不斷地積累系統誤差，然后輸出控制量消除誤差；微分(D)控制可以提高系統的穩定性，使系統超調量減小。

虛擬儀器中有應用于工控方面的PID工具包，工具包中主要包含PID和Fuzzy PID控制模塊。把PID工具包和LabVIEW的強大算法和邏輯功能相結合，可以很方便地編寫出軸承試驗機所需的溫度自動控制系統。由于基于LabVIEW的溫度控制是一種采樣控制，需要根據不同采樣時刻的溫度偏差值計算控制量，一般采用數值的方法來逼近[6]。例如，在采樣時刻t，PID控制器通過計算3個參數作用之和，可以得出PID控制器的輸出值。本系統PID控制流程如圖5所示。

圖5 PID控制流程圖

溫度傳感器鉑電阻Pt1000測量的溫度信號經過溫控儀的信號調理和模數轉換電路得到數據量，數據量通過RS485接口傳輸到上位機中，在LabVIEW程序中通過PID控制模塊對數據量進行處理，根據潤滑油溫度設定值計算調控量，用調控量改變方波的脈沖寬度，從而得到隨調控量變化的控制脈沖信號。然后通過數據采集卡PCI-6221的數字輸出I/O口AO輸出控制脈沖，控制固態繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作狀態。在虛擬儀器控制平臺中，對采集到的溫度信號進行控制、顯示和輸出，完成溫度控制系統的閉環負反饋，通過改變當前溫度值去逐步逼近設定值，最終達到控制溫度的目的，保證油溫在規定的范圍內[7]。溫度控制曲線和穩定情況下的溫度波動曲線如圖6和圖7所示。

圖6 潤滑油供油溫度測控曲線

圖7 穩定情況下的溫度波動曲線

2.3 數據存儲與查詢

2.3.1 數據存儲

軸承試驗中，試驗數據是最為關鍵的一部分，是考核軸承的重要依據，對工藝的改進和方案的修改具有指導作用。為了以后查看，同時方便其他程序調用處理，系統對采集到的溫度數據進行實時存儲。

LabVIEW保存數據主要有二進制文件、Excel文件和文本文件3種格式。每套軸承要求試驗過程長達1 000 h以上，至少需要試驗3套軸承，因此需要存儲大量的數據。綜合考慮確定選擇文本文件格式存儲溫度數據，這種格式按字節對文件進行讀寫，具有通用性較好，讀寫速率快，可以被其他應用程序調用等優點。文本文件默認屬性不具有獨占性，打開文件查看數據時不會影響上位機程序繼續寫入數據，既能夠方便查看數據，又不會占用太大的磁盤空間。

2.3.2 數據查詢

查詢歷史數據通過讀取溫度數據文件來實現。利用程序讀取溫度數據以及與之對應的存儲時間并創建波形，溫度數據最終被送入波形圖，以曲線形式顯示更加直觀。利用波形圖的圖形工具選板可以輕松實現對曲線的放大、縮小及移動等操作；波形圖的游標功能可以滿足對具體時刻溫度數據的查看。

2.4 報表生成與打印

溫度數據報表是記錄測量數據的重要憑證，也是顯示測量結果最直觀的方法之一，同時報表對軸承工藝的改進也非常重要。

2.4.1 試驗溫度報表

試驗溫度報表在每次試驗結束時生成，主要記錄每次試驗過程中的溫度曲線、試驗時間及時長、操作人員、軸承編號、試驗條件等內容。試驗溫度報表使用Report Generation Toolkit for Microsoft Office工具包和模板法生成[8-9]。

2.4.2 每套軸承試驗溫度報表

該報表主要記錄每套軸承試驗過程中試驗機各部分的溫度曲線、試驗時長、軸承編號及試驗條件等內容，由于包含全部溫度數據，所以對整個試驗起著至關重要的作用。當軸承在試驗過程中出現質量問題時，可以通過查看每套軸承試驗溫度報表查找分析原因。報表中最重要的數據是溫度曲線，為了更加直觀地顯示溫度曲線，每套軸承試驗溫度報表采用打印前面板的方法實現，該方法編程簡單，操作方便。

3 結束語

溫度巡檢系統工作穩定，溫度數據傳輸速度快，控溫精確，實現了對試驗機各測量點溫度的監控，可以較好地把潤滑油供油溫度控制在(100±3)℃的范圍內，同時可有效監測回油溫度、電主軸和軸承的溫度等，提高了試驗機的性能和穩定性。