基于LabVIEW的叉車動力單元總成測試系統設計

許敏影

（杭州水表有限公司，杭州 310000）

0 引言

LabVIEW作為常見的圖形化編程語言，在測試儀器、數據采集、工業環境下的系統控制和仿真領域的應用頗為廣泛。開發流程基本分為需求收集、設計、編碼、測試、發布與維護等。本文所開發了測試系統軟件——動力單元總成測試系統，采用虛擬儀器LabVIEW 13.0設計開發，基于界面操作事件結構與隊列狀態機架構模式設計了動力單元泵源與電動機相關的性能測試[1]。該軟件系統在功能設計上可實現傳統工業PLC在數據采集、流程控制、數據存儲等方面的需求；圖形化編程語言，在界面設計、邏輯控制等方面優勢明顯。

1 測試項目介紹

叉車系列噸位動力單元作為供油裝置可集成控制回路、回油過濾回路，采用齒輪泵為動力源，可集成閥塊、電動機、油箱等，通過閥塊管路系統與外部液壓油缸、控制閥組等液壓元件相連，組成閉式回路控制系統。動力單元可集成多元化功能平臺，模塊化設計方便采用標準元件。

動力單元性能測試采用裝機模擬實測方式，測試項目主要圍繞齒輪泵電動機組、換向閥等開展以下測試項目包括負載特性試驗、比例特性試驗、耐久特性試驗、油路機能試驗等4個項目。

圖1 動力單元外型與原理圖

2 LabVIEW項目管理設計

上位機軟件設計基于LabVIEW 13.0虛擬儀器平臺開發，為了便于管理和配置設置，采用測試功能模塊化并基于Project工程管理程序[2]。

首先，關鍵參數設置放置在配置文件，供主程序Main調用。這樣可在日后關鍵參數變更時直接修改配置程序，而不必修改主程序，配置文件需放置在指定文件夾并加密。其次，完整程序必須有相應的錯誤處理機制。針對不同類別的錯誤，例如測試設備出錯、偶然因素中斷測試、產品測試參數不合格等，做好有效錯誤和無效錯誤的分類判斷。最后，設計者需要將功能相似的模塊編寫為子VI形式，方便程序后期的可擴展性等。

圖2為本項目的Project列表，其中，NI USB-6000系列采集卡作為數據采集硬件，軟件采用與之配合對應的驅動NI-DAQmx[3],DAQmx函數配有VI函數和開發工具，設計者可利用面板現有的封裝函數編寫底層驅動程序，并結合DAQ采集硬件，便可實現多線程實時數據采集工作。

圖2 Project-項目樹列表

圖3中AI/AO數據采集調用了DAQmx任務形式，采集流程按照配置采集端口、開始數據采集、讀取/寫入數據循環及停止數據采集構成。程序的數據流傳遞采用了For循環結合順序結構，可實現按照配置文件要求執行完所有程序要求讀取或寫入的所有系統模擬信號。其中AO任務主要實現了對液壓系統比例電磁鐵控制命令信號的輸出與控制[4]。

圖3 AI/AO數據采集與控制程序圖

3 主要功能模塊開發

3.1 主界面設計

該測試系統的被測對象主要是適用于不同噸位叉車的動力單元。主界面設置如圖4所示，主要包含了儀表顯示區、主要控制參數輸入窗口區、人機交互操作區等幾部分。首欄菜單由文件、測試項目、表格數據及幫助組成，其中測試項目下拉菜單包含了負載特性試驗、比例特性試驗、耐久特性試驗、油路機能試驗。其他菜單功能便于人機交互與試驗數據設置與保存。

圖4 操作主界面示圖

主界面由Main程序控制，底層程序設計如圖5所示，數據流采用基于事件的生產者/消費者設計模式[5]。其中生產者循環基于用戶界面處理模式，用戶事件主要包含[0]前面板關閉、[1]菜單選擇（用戶）、[2]“打印報表”：值改變、[3]“保存”：值改變、[4]“測試結果、型號”：值改變、[5]“查詢型號”：值改變、[6]“查詢隱藏”：鼠標進入、[7]“查詢型號”：鼠標離開等等。消費者循環基于通知器讀取數據，執行相應的指令任務，例如初始化、保存、耐久特性試驗等，并開始在本循環內按照程序設定執行或調用子VI設定執行完相應的測試命令。以子VI2為例，在生產者循環內基于用戶事件[1]菜單選擇，執行“負載特性試驗”；VI2為負載特性試驗的獨立設計模塊，以子VI形式按照順序結構調用執行；此時的消費者循環讀取到通知器內“負載數據”的相關執行命令，并在消費者循環內調取執行對于負載數據如電動機的電流、電壓，系統壓力、流量；負載上升、下降速度等相關測試參數的采集與顯示[6]。

圖5 Main底層程序設計框圖及部分菜單

3.2 負載特性試驗功能模塊設計

負載特性試驗基于生產者/消費者（事件）模式[7]，操作運行界面-程序框圖設計如圖6所示。啟動后，需要設置實驗負載參數，系統與采集實際負載進行對比，并給出相關提示。然后按照測試順序，負載上升-停止-負載下降執行。其中“復位”是為確認測試系統初始位置設置，“比例閥”用來調節上升下降速率，以測試不同工況下的負載特性參數。

圖6 負載特性操作運行部分界面

該底層程序如圖7所示，采用常用的生產者/消費者（事件）設計模式進行編輯。生產者程序設計首先由“負載試驗-初始化”開始，循環內基于用戶界面事件模式執行相應測試流程的參數設置或試驗進程，當出現誤操作時以彈窗形式提示后續正確操作流程[8]。消費者循環內基于通知器讀取數據，并執行相關指令任務。各指令任務程序內嵌套層疊順序結構，可有序執行“開始測試-傳感器數據讀取-測試數據數據寫入顯示”。

圖7 負載特性試驗底層程序設計框圖

3.3 耐久特性試驗功能模塊設計

耐久特性試驗模塊為自動測試模式，主要針對動力單元裝機后按照預定負載，設置邊界條件如電動機溫度上限、油溫，叉車在最低位與最高位的停止時長等，進行耐久測試。如圖8所示，主界面以曲線形式實時顯示系統壓力、流量、電流、電動機溫度、油溫。

圖8 耐久特性試驗主界面

底層程序框圖如圖9所示，采用隊列消息處理嵌套用戶界面事件處理器模式，并通過移位寄存器實現狀態跳轉。最外層隊列消息處理模式按照“初始化、讀取測試序列、執行測試序列、退出”測試流程運行。前置的嵌套用戶界面事件處理器用于耐久測試總體參數設置，并將設置結果傳遞至順序結構內，以支持完整測試流程的進行。該程序框架內采用了屬性節點、全局變量的典型設置方式，以實現程序的簡化。

圖9 樣品照片

圖9 耐久特性試驗底層程序設計框圖

4 結論

本文基于圖形化編程方式，對叉車動力單元總成測試系統軟件進行了開發，得出以下結論：

1）程序設計按照Project項目管理方式進行，主要包括主界面、DAQ數據采集、報表、文件等類別子VI的程序設計，更有益于程序的后續擴展和可讀性。

2）依據測試內容進行模塊化程序設計，主要包含負載特性試驗、比例特性試驗、耐久特性試驗、油路機能試驗等4個項目。模塊化架構設計可實現更復雜的邏輯控制。

3）生產者/消費者模式在人機互動測試系統中更有利于響應用戶界面操作與數據流傳遞。

4）上位機采用圖形化編程較其他傳統編程語言工具更便捷。