基于LabWindows/CVI的軸承試驗機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

王虎強(qiáng)，李旭明，吳強(qiáng)，張振潮，朱博文

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽鐵路信息工程學(xué)校，河南 洛陽 471900)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷進(jìn)步，軸承的類型大幅增加，主機(jī)廠家對軸承在不同工況下的性能要求也在提高，因此，軸承試驗的重要性越來越得到重視。

軸承試驗機(jī)中數(shù)據(jù)采集軟件的性能差異直接影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。現(xiàn)代數(shù)據(jù)測試技術(shù)大多通過在前端數(shù)據(jù)傳感器與計算機(jī)之間增加接口電路實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采樣頻率及精度由兩者共同決定。現(xiàn)有的軸承試驗機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較多采用以下2種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信：1)上位機(jī)與伺服控制系統(tǒng)串口通信，受傳輸距離限制，不便于系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與拓展；2)通過控制系統(tǒng)廠家自帶的標(biāo)準(zhǔn)接口程序，但需要授權(quán)的軟件與硬件設(shè)備，費用較高。

針對上述問題，采用以下設(shè)計方案改進(jìn)軸承試驗機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：上位機(jī)基于LabWindows/CVI開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲及分析；下位機(jī)采用S7-200 PLC 控制驅(qū)動系統(tǒng)并記錄軸承位置，同時讀取伺服驅(qū)動器數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲；上位機(jī)與下位機(jī)之間通過網(wǎng)口進(jìn)行通信，通信基于TCP/IP協(xié)議，采用LIBNODAVE開源驅(qū)動庫，無需在工控機(jī)部署任何第三方軟件，僅需要一根網(wǎng)線即可通信，開發(fā)、維護(hù)難度較低，且在通信速率與可擴(kuò)展性等方面有較大提升。

1 LabWindows/CVI概述

LabWindows/CVI 是以ANSIC為核心的開發(fā)平臺[1]，其將前端儀器硬件的數(shù)據(jù)采集處理和測量控制與功能強(qiáng)大、兼容性好的C語言高效結(jié)合在一起，可提供強(qiáng)大的函數(shù)庫功能，兼容的開發(fā)環(huán)境，直觀的函數(shù)面板，為原有了解C語言的開發(fā)設(shè)計人員提供了一個很好的開發(fā)環(huán)境[2]。

在LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境中，可以通過已有的庫函數(shù)實現(xiàn)軟件的開發(fā)編輯、鏈接、編譯。在設(shè)計測試軟件時，可調(diào)用外部已編譯好的動態(tài)鏈接庫(DLL)、驅(qū)動程序、靜態(tài)庫等。因此，嘗試通過LabWindows/CVI平臺開發(fā)數(shù)據(jù)采集和儀器控制的應(yīng)用程序，充分利用其提供的函數(shù)庫完成數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)

軸承試驗機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology diagram of data acquisition system

下位機(jī)系統(tǒng)采用的伺服電動機(jī)自帶速度反饋，可通過PLC實現(xiàn)調(diào)速和速度監(jiān)控，保證長時間的運轉(zhuǎn)和控制精度，并可同時實現(xiàn)電動機(jī)電流的實時監(jiān)測，當(dāng)被試軸承摩擦力矩出現(xiàn)異常波動，會引起電流的變化，設(shè)備自動進(jìn)行報警或停止運行。

電氣部分主要包括驅(qū)動控制系統(tǒng)、摩擦力矩測量系統(tǒng)、振動測量系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)。驅(qū)動控制系統(tǒng)由交流伺服電動機(jī)及其驅(qū)動器組成，實現(xiàn)被測軸承的驅(qū)動及其他控制功能。摩擦力矩、振動、溫度測量系統(tǒng)由相應(yīng)的傳感器、變送器及A/D轉(zhuǎn)換電路組成，實現(xiàn)試驗機(jī)的實時數(shù)據(jù)采集功能。溫度、振動與扭矩等物理信號由PLC數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)采集，通過A/D轉(zhuǎn)換為PLC可讀的數(shù)字量并存儲到指定的存儲地址。PLC控制器通過讀取指定存儲位置的數(shù)據(jù)，對伺服驅(qū)動器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取與寫入基于TCP/IP協(xié)議與PLC進(jìn)行通信，直接調(diào)用相關(guān)的接口函數(shù)讀取或?qū)懭胫付ù鎯δK的數(shù)據(jù)，即完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制。

3 LabWindows/CVI與PLC間的通信

西門子生產(chǎn)的S7系列PLC具有體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點，但與上位機(jī)的通信相對較弱[3-5]。常見的西門子上位機(jī)形式有：西門子 HMI、西門子 PRODAVE、第三方組態(tài)軟件和OPC Server；通信接口形式為 MPI，PROFIBUS 或工業(yè)以太網(wǎng)[6-7]。這些數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)方式都需要特定授權(quán)的軟件和硬件設(shè)備，整體成本較高。LIBNODAVE具有比PRODAVE 更強(qiáng)大的接口程序, 其具有的接口函數(shù)、支持的硬件以及連接方式都比 PRODAVE 多，且其具有免費、配置簡單等優(yōu)點。

3.1 LIBNODAVE庫函數(shù)導(dǎo)入

試驗機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中需導(dǎo)入libnodave.lib，libnodave.lib及nodavesimple.h文件，并在程序主文件中定義增加define BCCWIN 語句。nodavesimple.h文件為庫函數(shù)頭文件，主要包含所定義的通信接口函數(shù)等。

3.2 常量定義

1)char ip[200]=″10.0.0.24″；

定義PLC地址。

2)_daveOSserialType fds；

定義結(jié)構(gòu)體。

3)daveInterface * di；

定義結(jié)構(gòu)體指針。

4)daveConnection * dc.

定義結(jié)構(gòu)體指針。

3.3 庫函數(shù)連接PLC控制器

1)fds.rfd= openSocket( 102,ip);

fds.wfd=fds.rfd;

打開指定IP地址的PLC控制器通信接口，并將返回的句柄存儲到結(jié)構(gòu)體_daveOSserialType 的變量中。

2)di=daveNewInterface(fds,″IF1″,0,122,2);

將結(jié)構(gòu)體指針傳遞給新生成的結(jié)構(gòu)體，PLC的硬件連接信息可通過daveNewConnection 傳遞，實現(xiàn)功能函數(shù)調(diào)用的不相關(guān)性。

3)res=daveInitAdapter(di);

對設(shè)備適配器進(jìn)行初始化。

4)dc=daveNewConnection(di,2,0,1);

res=daveConnectPLC(dc);

與PLC進(jìn)行連接。

3.4 釋放PLC控制器連接

在程序調(diào)用結(jié)束后，需要將PLC控制器釋放，防止程序重新啟動后出現(xiàn)錯誤。

1)res=daveDisConnectPLC(dc);

關(guān)閉PLC控制器連接。

2)res=daveDisconnectAdapter(di);

關(guān)閉PLC設(shè)備適配器。

3)res=closeSocket(ph);

關(guān)閉對應(yīng)的設(shè)備通信端口。

3.5 PLC設(shè)備數(shù)據(jù)寫入與讀取

3.5.1 數(shù)據(jù)寫入

1)daveWriteBytes(daveConnection * dc,int area, int DB, int start, int len, void * buffer);

該命令用于數(shù)據(jù)寫入，表示向PLC中寫入len字節(jié)；Area表示數(shù)據(jù)是否要寫入FLAG，DATA BLOCKS，INPUTS或OUTPUTS等；DB表示所使用數(shù)據(jù)塊的位置；start為確定第1個字節(jié)； buffer是指向要寫入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。當(dāng)Area為其他區(qū)域類型時設(shè)置為0，在S7-200 SMART中會將整個V區(qū)默認(rèn)為數(shù)據(jù)塊DB1。

2)daveWriteManyBytes(daveConnection * dc,int area, int DB, int start, int len, void * buffer);

對于要寫入多個連續(xù)性的數(shù)據(jù)，可以調(diào)用該函數(shù)進(jìn)行一次性處理。

3)daveWriteBits(daveConnection * dc,int area, int DB, int start, int len, void * buffer)；

與daveWriteBytes函數(shù)功能類似，表示要向PLC寫入一位的數(shù)據(jù)。

3.5.2 數(shù)據(jù)讀取

1)daveReadBytes(daveConnection * dc, int area, int DB, int start, int len, void * buffer);

該命令用于數(shù)據(jù)讀取，表示從PLC中讀取 len字節(jié)；Area表示數(shù)據(jù)是否來自FLAG，DATA BLOCKS，INPUTS或OUTPUTS等；DB表示要使用的數(shù)據(jù)塊位置，其他區(qū)域類型設(shè)置為0；start表示要讀取第1個字節(jié)位置；緩沖區(qū)buffer指向調(diào)用程序提供的內(nèi)存塊指針，如果指針不為空，結(jié)果數(shù)據(jù)將被復(fù)制到其中。

2)daveReadManyBytes(daveConnection * dc, int area, int DBnum, int start, int len, void * buffer);

從PLC讀取len字節(jié)。start確定第1個字節(jié)。與daveReadBytes()不同的是，這個函數(shù)可以讀取對于單個事務(wù)來說太長的塊。要實現(xiàn)這一點，需要將數(shù)據(jù)與多個后續(xù)的對CPU的讀請求一起獲取。

3)daveReadBits(daveConnection * dc, int area, int DB, int start, int len, void * buffer);

從PLC中讀取一位的數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)庫用于存儲采集軟件所采集的試驗數(shù)據(jù)，以便用于后期的設(shè)計分析。利用結(jié)構(gòu)化查詢語言(Structured Query Language，SQL)是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語言，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的各種交互式操作，如對數(shù)據(jù)的查詢、導(dǎo)入、刪除等。在本項目中，采用的MariaDB數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是MySQL的一個分支，基于LabWindows的版權(quán)限制，數(shù)據(jù)庫操作采用MariaDB原有的數(shù)據(jù)庫接口函數(shù)。

4.1 常量聲明

1)MYSQL conn；

定義數(shù)據(jù)庫連接。

2)MYSQL_RES *res；

定義數(shù)據(jù)結(jié)果集結(jié)構(gòu)體指針。

3)MYSQL_ROW row；

定義用于存儲數(shù)據(jù)行信息的結(jié)構(gòu)體常量。

4.2 數(shù)據(jù)庫連接與釋放

1)mysql_library_init(0, NULL, NULL)；

初始化MYSQL數(shù)據(jù)庫。

2)mysql_init(&conn);

初始化連接句柄。

3)mysql_real_connect(&conn, ″127.0.0.1″, ″root″, ″123456″, ″data″, 0, NULL, 0)；

連接MYSQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4)mysql_close(&conn);

關(guān)閉MYSQL服務(wù)器的連接。

5)mysql_library_end();

終止使用MYSQL庫。

4.3 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的寫入與讀取

1)mysql_real_query(&conn,sql,strlen(sql));

執(zhí)行查詢或者寫入語句。

2) mysql_store_result(&conn);

獲得整個查詢語句的查詢結(jié)果。

3)mysql_num_rows(res);

獲取查詢結(jié)果條數(shù)。

4)mysql_num_fields(res);

獲取查詢結(jié)果行數(shù)。

5) mysql_fetch_row(res)；

獲取查詢結(jié)果每一行的具體數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)運行情況

安裝有基于LabWindows/CVI開發(fā)平臺所設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的某型試驗機(jī)已進(jìn)行了7 000 h的軸承壽命試驗，模擬了軸承工況，考核了軸承在壽命期內(nèi)的振動、摩擦力矩和溫升指標(biāo)，并且一臺試驗機(jī)可以精確試驗和檢測多套軸承，操作簡單。軸承試驗過程中，試驗數(shù)據(jù)、報警信息、試驗狀態(tài)等數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確的上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)控制界面如圖2所示，軸承運行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3所示。在軸承試驗過程中，該系統(tǒng)可實時的將軸承的試驗狀態(tài)、報警信息、試驗機(jī)運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的采集到數(shù)據(jù)服務(wù)器中。查詢客戶端可調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)器接口程序，通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)實時查看相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 上位機(jī)的軟件界面Fig.2 Software interface of host computer

圖3 軸承運行數(shù)據(jù)截圖Fig.3 Screenshot of bearing operation data