基于LabVIEW 的軸承試驗機測控系統(tǒng)設(shè)計

楊丹峰，王芳，馬聰，朱川峰

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

軸承試驗機的性能很大程度上取決于測控系統(tǒng)，測控系統(tǒng)直接影響試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［1］。以往的試驗機測控系統(tǒng)采用C＋＋Builder編程環(huán)境，但其編程復(fù)雜，可用于界面設(shè)計的控件類型較少且樣式陳舊，難以滿足開發(fā)者在設(shè)計測控系統(tǒng)用戶界面時對控件、圖形及圖表的各種需求［2］。

虛擬儀器基于“軟件就是儀器”的理念，采用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的LabVIEW 編程語言摒棄了難懂的文本代碼，采用圖形方式編程，編程的同時進行同步編譯，有利于發(fā)現(xiàn)編程錯誤［3］，使計算機編程變得簡單。目前，LabVIEW 已應(yīng)用于工業(yè)自動化、測試測量、運動控制、計算機仿真等眾多領(lǐng)域。

在此，將LabVIEW 編程語言引入軸承試驗機測控系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了軸承溫度、振動、系統(tǒng)壓力、加載載荷等試驗數(shù)據(jù)的實時采集、處理、分析、記錄及保存，并對試驗機主軸轉(zhuǎn)速、加載載荷、潤滑溫度等參數(shù)進行精確控制，使軸承試驗機按照指定的狀態(tài)運行，同時具有互鎖、報警、急停等一系列保護功能。

1 軸承試驗機測控系統(tǒng)硬件組成

軸承試驗機測控系統(tǒng)硬件由工控機、ADLINK PCI總線的數(shù)據(jù)采集板卡、信號調(diào)理電路、傳感器、變頻器、伺服驅(qū)動器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

傳感器采集的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路放大、隔離、濾波后，由ADLINK數(shù)據(jù)采集板卡進行A／D轉(zhuǎn)換后進入計算機，通過LabVIEW 軟件分析、處理、顯示及保存，并以實時采集數(shù)據(jù)為依據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

2 LabVIEW 軟件設(shè)計

2.1 試驗主程序

LabVIEW 程序由前面板和程序框圖組成，前面板是程序與用戶交互使用的界面，程序框圖供用戶編寫程序代碼。軸承試驗機程序前面板如圖2所示，程序前面板以圖表和數(shù)值2種形式顯示試驗數(shù)據(jù)，同時還顯示當(dāng)前試驗所運行的周期、步驟、時間，以方便工作人員觀察，界面最下邊分別顯示當(dāng)前試驗機、變頻器的工作狀態(tài)。

圖2 軸承試驗機程序界面

試驗機程序結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由數(shù)據(jù)采集處理、運行循環(huán)控制、加載系統(tǒng)PID控制以及菜單選項處理4部分構(gòu)成。

圖3 軸承試驗機程序框圖結(jié)構(gòu)

2.2 程序功能實現(xiàn)

串口通信、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)庫存儲、記錄數(shù)據(jù)存儲和PID控制是實現(xiàn)試驗機測控系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。

2.2.1 串口通信

PLC、變頻器、伺服驅(qū)動器、溫控儀與工控機之間采用RS485通信協(xié)議。通過RS485通信，工控機可以很容易監(jiān)測各設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，了解設(shè)備運行狀態(tài)，對設(shè)備進行實時控制。RS485通信屬于串口通信，LabVIEW 軟件中的OPC Server可以直接實現(xiàn)。但是OPC Server在進行大量數(shù)據(jù)通信時工作效率會降低，而試驗機運行時需要進行大量信息的實時傳遞。為保證通信效率和質(zhì)量，針對試驗機設(shè)計的RS485通信程序如圖4所示。

圖4 RS485串口通信程序

該程序首先對串口進行初始化，調(diào)用VISA配置串口函數(shù)完成串口資源、波特率、數(shù)據(jù)比特、奇偶校驗、停止位的設(shè)置。將數(shù)據(jù)進行校驗后由VISA寫入函數(shù)發(fā)送到串口通信板卡，再發(fā)送至下位機［4］。經(jīng)過0.1 s的等待時間后調(diào)用VISA讀取函數(shù)對串口數(shù)據(jù)進行采集。將采集到的數(shù)據(jù)進行校驗，校驗正確則將數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)據(jù)輸出；否則將數(shù)據(jù)丟掉，重新進行1次問答。循環(huán)執(zhí)行3次問答，若還沒有采集到正確的數(shù)據(jù)，則判定通信出錯，結(jié)束通信程序。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集處理

數(shù)據(jù)采集包括數(shù)據(jù)采集板卡接收的傳感器數(shù)據(jù)和通信采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集板卡采用PCI總線數(shù)據(jù)采集板卡，其內(nèi)置了LabVIEW 驅(qū)動程序DAQpilot，可以方便進行數(shù)據(jù)采集。通信采集的數(shù)據(jù)包括變頻器、伺服驅(qū)動器、PLC的工作狀態(tài)、各種儀器儀表數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)采集處理的實現(xiàn)采用“生產(chǎn)者-消費者模型”［5］，流程如圖5所示。“生產(chǎn)者-消費者模型”采用隊列來實現(xiàn)，上半部分的循環(huán)產(chǎn)生（采集）數(shù)據(jù)，下半部分循環(huán)消費（處理）數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

試驗機系統(tǒng)中，變頻器、伺服驅(qū)動器產(chǎn)生大量的電磁干擾，往往會使測試信號疊加各種頻率的噪聲，影響測試的準(zhǔn)確性，所以需對采集數(shù)據(jù)進行濾波處理，以提高系統(tǒng)信噪比。濾波處理可分為硬件濾波和數(shù)字濾波，硬件濾波不僅成本較高，而且不易實現(xiàn)。而數(shù)字濾波通過軟件對信號進行處理，配置簡單，幾乎無成本，隨時間無老化效應(yīng)。LabVIEW 帶有多種數(shù)字濾波器，如中值濾波、數(shù)字形態(tài)濾波器、FIR加窗濾波器、小波分析等。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫存儲

試驗機程序中有大量需要設(shè)置和頻繁調(diào)用的數(shù)據(jù)，如設(shè)定試驗機運行狀態(tài)的載荷譜數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理時的一些變量、測量對象的報警值、試驗的基本信息等。針對數(shù)據(jù)需要頻繁調(diào)用和存儲的特點，采用數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲。

Microsoft Access是在Windows環(huán)境下非常流行的桌面型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，NI LabVIEW軟件提供了該數(shù)據(jù)庫的鏈接工具包（Database Connectivity Toolkit），可方便的對數(shù)據(jù)庫進行保存、修改、刪除和查詢等。數(shù)據(jù)庫操作流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫操作流程圖

2.2.4 記錄數(shù)據(jù)存儲

軸承試驗過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，必須按照要求存儲記錄。

LabVIEW 中常用的數(shù)據(jù)存儲格式有3種：ASCII文件格式、直接二進制存儲和TDMS文件格式。使用LabVIEW 設(shè)計的測控系統(tǒng)通過TDMS文件存儲形式對采樣數(shù)據(jù)進行存儲。TDMS兼顧了其他2種文件格式的優(yōu)點，高速、易存取、占用磁盤空間小，而且方便其他用戶或應(yīng)用程序訪問。

2.2.5 PID 控制

PID控制結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的控制策略。LabVIEW 提供了PID控制工具包，可快速有效地搭建數(shù)字PID控制器，精確可靠地完成系統(tǒng)控制需求。利用PID.vi搭建的液壓系統(tǒng)PID控制如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)PID控制

為驗證液壓系統(tǒng)載荷PID控制的有效性，在T60-120F軸承疲勞壽命試驗機上進行試驗。試驗數(shù)據(jù)如圖8所示，由圖可知，測控系統(tǒng)對載荷的控制精確快速，其響應(yīng)時間在3 s內(nèi)，控制精度可達到設(shè)定值的±1%。

圖8 液壓系統(tǒng)載荷PID控制

3 結(jié)束語

隨著我國軸承工業(yè)的技術(shù)進步，對軸承試驗機測控系統(tǒng)的測試精度、反應(yīng)靈敏度、自動控制程度、數(shù)據(jù)處理分析的能力等都將提出越來越高的要求。LabVIEW 編程語言在測試測量、控制、信號處理、振動分析等領(lǐng)域的開發(fā)研究達到了先進的水平，在軸承試驗機測控系統(tǒng)中的應(yīng)用將推動高性能軸承試驗技術(shù)迅速向前發(fā)展。

以LabVIEW 為開發(fā)平臺構(gòu)建了軸承試驗機測控系統(tǒng)，完成了試驗機監(jiān)測與控制的一系列要求，與傳統(tǒng)測控系統(tǒng)相比，提高了系統(tǒng)工作效率，保證了控制的可靠性?？紤]對軸承施加載荷是對軸承質(zhì)量考核的重要因素，單純的PID液壓加載控制雖然能夠達到良好的控制精度，但無法實現(xiàn)快速響應(yīng)，在后期的工作中可以引入系統(tǒng)辨識理論對液壓加載系統(tǒng)進行模型建立，在精確模型基礎(chǔ)上進行控制將提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間和精度。