軸承試驗(yàn)機(jī)LabVIEW測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊丹峰，朱川峰，尤冬梅

（洛陽軸研科技股份有限公司,河南 洛陽 471039; 2.鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院 電子工程系,河南 鶴壁 458030）

軸承試驗(yàn)機(jī)LabVIEW測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊丹峰1，朱川峰1，尤冬梅2

（洛陽軸研科技股份有限公司,河南 洛陽 471039; 2.鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院 電子工程系,河南 鶴壁 458030）

根據(jù)軸承試驗(yàn)機(jī)對控制、檢測、數(shù)據(jù)存儲等方面的一系列要求，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的軸承試驗(yàn)機(jī)的測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)。

LabVIEW；軸承試驗(yàn)機(jī)；測控系統(tǒng)

1 前言

軸承試驗(yàn)是軸承設(shè)計(jì)、制作過程中針對質(zhì)量的一個驗(yàn)證過程[1]，其測控系統(tǒng)的優(yōu)劣很大程度上決定了軸承試驗(yàn)機(jī)的性能。LabVIEW是目前最為流行的一種編程語言，其在測試測量、控制、信號處理、振動分析等領(lǐng)域的開發(fā)研究達(dá)到了先進(jìn)的水平[1]，所以將LabVIEW引入試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)是十分重要的。本文設(shè)計(jì)了軸承試驗(yàn)機(jī)的LabVIEW測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速、加載載荷、潤滑溫度等的精確控制，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、分析、記錄及保存，使軸承試驗(yàn)機(jī)按照指定的狀態(tài)運(yùn)行，同時(shí)具有互鎖、報(bào)警、急停等一系列保護(hù)功能。

2 軸承試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)硬件組成

軸承試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)硬件由工控機(jī)、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。傳感器采集的信號經(jīng)過放大、隔離、濾波、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)，用LabVIEW軟件來分析、處理、顯示、保存，并以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)為依據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

圖1 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)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，程序框圖是用戶編寫程序代碼的地方。

程序前面板以圖表和數(shù)值的兩種形式顯示溫度、振動、壓力、載荷等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)還顯示當(dāng)前試驗(yàn)所運(yùn)行的周期、步驟、時(shí)間，以方便工作人員觀察。界面下方的狀態(tài)欄分別顯示當(dāng)前試驗(yàn)機(jī)、變頻器的工作狀態(tài)。試驗(yàn)機(jī)程序前面板如圖2 所示。

圖2 軸承試驗(yàn)機(jī)程序界面

試驗(yàn)機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、記錄及保存功能，控制功能，互鎖、報(bào)警、急停保護(hù)功能等。

3.2 程序功能實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)功能主要由數(shù)據(jù)采集處理、串口通信、數(shù)據(jù)庫存儲、PID控制和記錄數(shù)據(jù)存儲實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集處理

數(shù)據(jù)采集處理程序由“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型”實(shí)現(xiàn)[2]，該數(shù)據(jù)采集處理流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型”上半部分的循環(huán)是產(chǎn)生（采集）數(shù)據(jù)的，而下半部分循環(huán)是消費(fèi)（處理）數(shù)據(jù)的。這樣使數(shù)據(jù)采集與處理同步進(jìn)行，從而避免先采集后處理，處理完成后再采集的循環(huán)弊端。

“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型”采用隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)。將一次采集到的數(shù)據(jù)送入隊(duì)列，由隊(duì)列將本次采集數(shù)據(jù)由“生產(chǎn)”循環(huán)傳遞給“消費(fèi)”循環(huán)。在“消費(fèi)”循環(huán)開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的同時(shí)，生產(chǎn)循環(huán)釋放資源進(jìn)入下一輪生產(chǎn)，兩個循環(huán)同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和資源的合理運(yùn)用。

3.2.2 串口通信實(shí)現(xiàn)

PLC、變頻器、伺服驅(qū)動器、溫控儀與工控機(jī)之間采用RS485通信協(xié)議。工控機(jī)通過RS485通信可以很容易監(jiān)測到各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。為了保證通信的效率和質(zhì)量，針對試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)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(jìn)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(yàn)、停止位的設(shè)置。將數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)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(jī)[3]。經(jīng)過100ms的等待時(shí)間，調(diào)用VISA讀取函數(shù)對串口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確則將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)據(jù)輸出；否則采集到的數(shù)據(jù)錯誤，將數(shù)據(jù)丟掉，重新進(jìn)行一次問答。循環(huán)執(zhí)行問答三次若還沒有采集到正確的數(shù)據(jù)，則通信出錯，結(jié)束通信程序。

3.2.3 PID控制實(shí)現(xiàn)

PID(Proportional Integral Derivative)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)用廣泛的一種控制策略。LabVIEW提供了PID控制工具包，可快速有效地搭建一個數(shù)字PID控制器，精確可靠地完成系統(tǒng)控制要求。利用PID.vi搭建液壓系統(tǒng)PID控制如圖5 所示。

圖5 液壓系統(tǒng)PID控制

3.2.4 數(shù)據(jù)庫存儲實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)機(jī)程序中有大量的需要設(shè)置和頻繁調(diào)用的數(shù)據(jù)，如設(shè)定試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的載荷譜數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理時(shí)的一些變量、測量對象的報(bào)警值、試驗(yàn)的基本信息等。針對這些數(shù)據(jù)需要頻繁調(diào)用和存儲的特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)庫的存儲形式。

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)，可方便地對數(shù)據(jù)庫進(jìn)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

3.2.5 記錄數(shù)據(jù)存儲實(shí)現(xiàn)

軸承試驗(yàn)機(jī)對軸承的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須按照要求存儲記錄。

LabVIEW中常用的數(shù)據(jù)存儲格式有三種：ASCII文件格式，直接二進(jìn)制存儲和TDMS文件格式，LabVIEW軸承試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)采用TDMS文件存儲形式對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。TDMS是NI公司專門為存儲數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型，兼顧其他兩種文件格式的優(yōu)點(diǎn)，即高速、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。

4 結(jié)論

以LabVIEW為開發(fā)平臺構(gòu)建了軸承試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)，完成了試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測與控制的一系列要求，與傳統(tǒng)測控系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）載荷、溫度、振動等信號的現(xiàn)場采集、分析，確保了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性；

（2）LabVIEW的通信模塊實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)與變頻器、溫控儀等儀器的通信功能，圖形化的編程環(huán)境使得解決通信故障等問題變得簡單容易，很大程度地提高了通信的效率與可靠性；

（3）利用先進(jìn)的PID算法對載荷進(jìn)行控制，大大提高了加載系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度；

（4）采用可靠的Access數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，降低了因數(shù)據(jù)庫不穩(wěn)定而帶來的數(shù)據(jù)丟失問題；

（5）采用LabVIEW獨(dú)有的TDMS文件存儲形式對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，該種存儲形式不僅在精度和占用存儲空間方面可以與二進(jìn)制存儲形式相媲美，而且其可讀性也非常好，可以在Microsoft Excel中直接讀取。

5 結(jié)束語

隨著我國軸承產(chǎn)品的大量研發(fā)，對軸承試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)的測試精度、反應(yīng)靈敏度、自動控制程度和數(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(dá)到了先進(jìn)的水平，所以LabVIEW在軸承試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)中的應(yīng)用，將推動高性能軸承試驗(yàn)技術(shù)迅速向前發(fā)展。

[1] 張宇,黃偉志,郝巖等.基于LabVIEW的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動化儀表,2013,34(8):24-26.

[2] 阮奇楨.我和LabVIEW.北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2012.

[3] 胡寶權(quán),趙榮珍,馬再超等.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與反饋控制通訊系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011,(12):32 -34,48.

（編輯：王立新）

Design of bearing tester control system based on LabVIEW

Yang Danfeng1, Zhu Chuanfeng1, You Dongmei2
(1.Luoyang Bearing Science & Technology Co. ,Ltd. , Luoyang 471039 ,China;2. Department of Electronic Engineering, Hebi Automotive Engineering Professional Collage, Hebi 458030, China)

According to requirements of the bearing testing machine in such aspects as control, detection, data storage and so on, a measurement and control system based on LabVIEW for bearing testing machine was designed. The system has simple system operation, stable operation, high control accuracy, strong anti-interference ability, etc.

LabVIEW; bearing tester; measurement and control system

B

1672-4852（2014）04-0046-03

2014-08-13.

楊丹峰（1987-），女，助理工程師.