基于虛擬儀器的液壓綜合試驗臺測控系統研究

黃丹平， 胡　勇， 田建平， 張良東

(四川理工學院 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室, 四川 自貢　643000)

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基于虛擬儀器的液壓綜合試驗臺測控系統研究

黃丹平， 胡勇， 田建平， 張良東

(四川理工學院 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室, 四川 自貢643000)

針對液壓測試臺所面臨問題,研發了一套基于虛擬儀器的液壓測控系統。首先對液壓試驗臺整體結構進行了設計,在此基礎上開發了測控系統的硬件和軟件部分。 該測控系統以工控機、PXI數據總線與LabVIEW為核心,現場各類傳感器、執行機構與工控機進行通信,并實現數據高速采集、分析與處理。進行了液壓馬達元件的性能試驗和泵控馬達系統的動態性能試驗,該液壓測控系統達到了設計要求。

液壓綜合測試臺； 虛擬儀器； 數據采集； 測控系統

液壓傳動技術和液壓元件在民用工程機械領域和武器裝備中得到廣泛應用,為使液壓系統及元件滿足實際工程要求,需對所設計液壓系統及元件進行相關測試,以便驗證其工作效能。隨著科學技術水平不斷進步,液壓傳動及控制技術的應用領域日益擴大,同時對液壓系統的整體穩定性和可靠性也提出了更高的要求。由此也促進了液壓測試技術的發展[1-6]。目前,液壓試驗設備核心技術的發展主要是在虛擬儀器的應用、分布式計算機測控、微泄漏量檢測等方面。液壓和計算機技術結合的輔助測控的液壓測控技術稱之CAT(computer aided test)技術,是現代液壓技術發展主要方向。該技術具有測試精度高、速度快、穩定性和可靠性好等優點。隨著現代測控技術的發展,CAT技術也用在了液壓試驗平臺上。CAT技術與液壓試驗平臺的結合,大大提高了液壓試驗平臺型式試驗和科學試驗的能力[7-11]。

目前,我國還缺少高水平的液壓試驗和監測平臺,特別是能夠測試高精度液壓元件和液壓系統動態性能的平臺。此外,大多數國內液壓綜合試驗臺主要是測試特定的元件或測試回路中的某一功能,這些液壓試驗臺的優點是具有很好的專用性,但是通用性較差。

為改進國內液壓測試臺不足之處,研發出一臺新型液壓綜合試驗臺。該試驗臺可對液壓系統中泵、馬達、缸等重要液壓元件性能進行試驗和分析,也可模擬工程機械實際工況,對液壓系統中流體的流量及壓力進行控制,實現動態加載控制和模擬加載測試試驗。

1　液壓綜合試驗臺液壓系統

為實現液壓元件性能試驗和模擬實際工況下液壓系統負載性能試驗,過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室項目采用負載傳感控制技術[12],設計了變頻調速泵控馬達和泵控缸的加載系統(定量泵子系統)、變量泵子系統、開式變量泵控馬達子試驗系統、開式變量泵控缸子試驗系統。為提高試驗臺的可靠性和穩定性,該套系統包含蓄能系統和輔助油路等。

根據實際工程和科研的需要,該液壓綜合試驗臺主要可進行兩方面試驗:

(1) 液壓元件試驗:可對變頻調速定量泵、開式變量泵、液壓馬達、液壓缸等液壓元件進行性能測試；

(2) 液壓系統研究試驗:利用試驗臺的液壓泵控馬達油路系統和液壓泵控油缸油路系統,可模擬多種工程機械使用的液壓系統,并在不同工況下進行負載動態測試。

該液壓綜合試驗臺具有液壓元件和液壓系統的試驗、控制、監測等功能,其系統框圖如圖1所示。液壓系統由被試系統、負載加載系統、液壓輔助系統和測控系統組成。其中,被試系統包括液壓元件測試系統和液壓油路系統。

液壓元件測試系統有變頻控制的定量泵子測試系統、變量泵測試系統、液壓泵控馬達測試系統和液壓泵控缸測試系統,所測泵、馬達、缸為現代工程機械所用的主流型號規格。

變頻控制的定量泵子測試系統是負載加載系統中一個子系統,通過控制系統可對定量泵進行性能試驗,可為加載系統提供液壓能、對液壓泵控馬達測試子系統和泵控缸測試子系統加載。

變量泵測試系統是開式泵控馬達測試系統中的一個子系統,通過控制系統可對變量泵進行性能試驗,可對泵控馬達測試子系統和泵控缸測試子系統提供液壓能。

液壓泵控馬達測試子系統的作用是與加載系統配合,實現泵控馬達油路系統動態性能試驗和液壓馬達性能試驗。

液壓泵控缸測試子系統的作用是與加載系統配合，實現泵控缸油路系統動態性能試驗和液壓缸性能試驗。

液壓油路系統有開式泵控馬達測試系統、開式泵控缸測試系統。

圖1　液壓系統框圖

2　液壓綜合試驗臺測控系統硬件搭建與研究

液壓測控系統硬件包括電控柜和測控操作臺等。電控柜內安裝有控制液壓綜合試驗臺電機工作的斷路器、交流接觸器、變頻器等,是整個液壓測控系統的強電部分。測控操作臺內安裝液壓測控電路的弱電部分,弱電系統分為測試系統和控制系統兩個單元。

測試系統電器部分含有數據采集卡(用于信號采集)、傳感器等,其作用是采集液壓綜合試驗臺工作狀態下的壓力、流量、溫度、轉矩、轉速、位移等物理量信號并將其轉換為電信號,通過抗干擾電路,由數據采集卡將模擬信號轉換為數字信號傳遞到上位機中,并在上位機中進行數據處理和顯示。它是測控系統的信號輸入單元。

測控系統(見圖2)電氣元件有PLC、繼電器、數據采集卡(用于信號輸出)等,作用為控制電機正常運行。比例電磁閥的作用是使液壓系統加載；換向閥的作用為使系統內流體換向。

圖2　測控系統框圖

在本液壓綜合試驗臺中,強電部分由三相交流電源與變頻器組成。可由力士樂公司的A11VO型柱塞式變量泵的參數得到驅動液壓泵的電機技術參數,并據此選擇驅動變量泵電機功率為100 kW、額定轉速選擇為1 480 r/min,驅動定量泵電機功率75 kW、額定轉速選擇為1 480 r/min。

液壓綜合試驗臺中定量泵電機和變量泵電機需要變頻器控制變頻調速。選用西門子S7-200 PLC和西門子MM440變頻器,使用Profibus現場總線通信。MM440變頻器具有強大的通信能力、豐富的控制功能和停車、制動功能。選擇合理的變頻器容量可以起到節能降耗的作用。根據現有資料和經驗,定量泵驅動電機額定功率為75 kW,選擇適配的變頻器型號MM440型6SE644075kW,參數為:電源3相380 V交流；額定輸入電流139 A；額定輸出電流145 A；額定功率為75 kW。

液壓綜合試驗臺弱電系統可對各信號采集點進行采集與監測,如壓力、流量、溫度、轉矩、轉速、位移等數據。信號被傳感器采集,經信號調理電路處理形成標準信號,并輸入到數據采集卡中。數據采集卡通過PXI總線將數據輸入到計算機中。

圖3所示為控制系統框圖,控制系統是通過控制變頻器、比例溢流閥、電測換向閥實現對液壓綜合試驗臺的控制。對變頻器啟停和換向閥的換向控制是通過工控機發送開關量信號給PLC,通過PLC控制變頻器的啟停。

圖3　控制系統框圖

控制系統可對轉速、流量、加載壓力、溫度等進行精確控制,其信號傳遞是由工控機通過數據采集卡(信號輸出)向被控對象發送模擬量信號實現的。由于需要實現精確控制并實時跟蹤,需要被控對象發送反饋信息到控制系統,控制系統根據反饋信息由相應PID算法消除偏差,由此可實現對轉速、流量、壓力的精確控制。

3　液壓綜合試驗臺測控系統軟件研究與設計

根據液壓綜合試驗臺的功能要求和測控系統硬件架構,對測控系統的軟件程序進行研究和設計。本試驗臺的軟件采用NI公司LabVIEW軟件。LabVIEW軟件最大的優點是能夠為用戶提供簡明、易用的圖形化編程方式。與傳統的編程語言相比,LabVIEW的圖形編程方式能夠節省大量的編程時間,而運行速度卻與其他編程語言相當,體現出了很高的效率[13]。本課題考慮到兼容性和擴展性等問題,采用NI公司的PXI-6229數據采集卡采集各個傳感器信號,可以充分利用PXI-6229板卡的功能和資源。

根據液壓綜合試驗臺的架構,可將測控系統程序分為液壓元件試驗和液壓系統試驗2個結構模塊和若干子模塊。整個測控系統程序流程圖如圖4所示。

每個結構模塊內包含有以下功能模塊。

(1) 采集模塊。其工作流程是將采集的物理量信號通過信號調理后轉換為采集卡可識別的電信號,該信號再被輸入到采集卡中。上位機中軟件通過采集模塊的驅動程序接收數據,并對數據進行測量和標定。

圖4　液壓測控系統程序流程圖

(2) 數據處理分析模塊。它將數據進行濾波、零漂補償和擬合之后,在顯示界面中顯示并保存。

根據傳感器信號種類不同,該試驗臺分為模擬量輸入和數字量輸入。模擬量輸入由數據采集卡完成信號與計算機的通信,對數字量的輸入與控制由PLC完成,上位機與PLC通信采用串口通信。根據各功能模塊的作用,將每個功能模塊編為一個子VI,并由主程序調用。所測量的壓力、流量和轉矩信號為模擬量，轉速為脈沖信號,在采集后測定其脈沖頻率。液壓綜合試驗臺的模擬量數據采集部分程序如圖5所示。

如圖6為變量泵信號數據采集部分程序代碼。在本程序中,流量、轉速、轉矩信號在while循環內求多次測量的平均值,使輸出曲線與被測物理量值的變化趨勢相一致；壓力信號首先經濾波器濾波,消除噪聲信號,然后在while循環外求平均值,所有信號再通過濾波器子程序進一步濾波,最終得到需要采集的電壓信號。通過以上方法可滿足變量泵的排量試驗、效率試驗等性能測試,并可滿足對液壓系統動態試驗數據測量的要求。

圖5　液壓綜合試驗臺數據采集子程序

圖6　變量泵數據采集子程序

該液壓綜合試驗臺軟件設計按照模塊化的思路,根據功能要求搭建子功能模塊,由主程序調用子功能模塊來實現了液壓綜合試驗臺的全部性能測試要求。

4　液壓綜合試驗臺性能試驗

為了驗證液壓綜合試驗臺測控系統的性能,本項目對70 t液壓挖掘機左履帶行走機構的液壓馬達效率(元件性能)進行測試；并在此基礎上完成了上述液壓系統的模擬動態負載性能測試,由此來驗證液壓綜合試驗臺虛擬儀器是否滿足工程與科研的要求。

液壓馬達效率試驗采用力士樂公司的A2FM型柱塞式定量馬達。該馬達轉速800～3 000 r/min,額定轉矩192 N·m,最大排量125 mL,最大流量400 L/min,工作壓力16 MPa；效率曲線如圖7所示。根據被測馬達樣本可知,隨著壓力升高,馬達泄漏流量也隨之增加,因此,容積效率隨壓力的升高而降低。

觀察容積效率曲線,在無負載時容積效率幾乎達到100%,但隨著負載壓力的升高，容積效率曲線顯向下趨勢,與樣本描述相符。根據被測馬達樣本可知,機械效率隨著壓力的增加而升高,總效率也隨之升高。觀察總效率曲線可知,隨著壓力的升高,曲線呈上升趨勢,與樣本描述相符。

圖7　液壓馬達效率曲線圖

壓力-流量特性曲線如圖8所示。隨著壓力升高,泄漏流量增大,曲線呈向下趨勢。

圖8　液壓馬達壓力-流量特性曲線圖

泵控馬達系統動態性能試驗如下:變量泵為馬達提供液壓源,使馬達順時針轉動,加載系統為馬達施加恒定負載,運行一段時間后負載壓力減小至0 Pa,變量泵停止工作。之后泵為馬達逆時針轉動供油,繼續施加恒定負載,運行一段時間后,負載壓力減小至0 Pa,馬達停止工作。圖9為系統動態曲線試驗圖。動態曲線圖顯示,通過對采集信號處理和分析后顯示的動態曲線與輸入控制量相一致,并真實地反映了液壓系統中液壓元件的固有特性。由此可知,該液壓綜合試驗臺測控系統能夠有效地對液壓系統動態負載工況進行測試。

圖9　泵控馬達系統動態曲線圖

5　結語

根據對70 t電動挖掘機液壓系統的性能測試說明,研發的基于虛擬儀器的液壓綜合試驗臺可實現對液壓系統和液壓元件穩態性能和動態性能的測試,且該液壓綜合試驗臺測控系統功能完善、測試精度高、響應時間快、系統兼容性強、系統組成更加簡單、靈活。

References)

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Research on measurement and control system of hydraulic integrated test bench based on virtual instrument

Huang Danping, Hu Yong, Tian Jianping, Zhang Liangdong

(Sichuan Provincial Key Laboratory of Process Equipment and Control, Sichuan Institute of Science and Engineering, Zigong 643000, China)

The performance of hydraulic transmission system has great influence on performance of construction machinery. According to problems faced by the hydraulic testing platform, a hydraulic measurement and control system based on the virtual instrument is researched and built. At first, the whole structure of hydraulic comprehensive test bench is researched. The hardware and software of the measurement and control system are built on this basis. Industrial control computer, PXI data bus and LabVIEW are the core of the measurement and control system and the industrial control computer is communicating with all kinds of sensors and actuators. High speed data acquisition, analysis and processing are realized in the measurement and control system. At last, by the performance test of hydraulic motor and the dynamic performance test of pump controlled motor system, it is verified that the hydraulic measurement and control system can meet the design requirements.

hydraulic comprehensive test bench; virtual instrument; signal acquisition; measurement and control system

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.032

2015- 06- 28

過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室項目(GKZY201102)；四川省科技廳項目(2014GZ0126)

黃丹平(1969—),男,四川南充,博士,副教授,碩士生導師,研究方向為現代智能測控技術.

E-mail：hdpyx2002@163.com

TH137；TP391.9

A

1002-4956(2016)1- 0127- 05