軸承試驗機多點溫度監控系統設計

王恒迪，翟 鑫，秦 超，鄭銀行

(河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471003)

0 引言

軸承壽命試驗機主要是模擬軸承實際使用工況，對軸承進行壽命試驗[1］。壽命試驗過程中，由于需要模擬特定的溫度環境，這就要求對其溫度進行監控，以保證試驗溫度在試驗要求范圍以內。傳統的溫度監控系統存在傳感器類型單一、測量溫度范圍小、數據傳輸速度慢、不能存儲溫度數據等問題[2-7］，對工業控制人員根據溫度變化及時做出響應有影響，無法滿足試驗機對溫度監控系統的要求。特別是航空軸承，必須在高溫惡劣條件下具有高可靠性，這就對試驗機溫度監控系統的性能提出了更高的要求。在這樣的情況下，開發一種具有多種輸入類型、同時進行多點溫度采集、實時性強、能夠綜合處理多點溫度信息的溫度監控系統就顯得尤為必要。本文介紹一種高速軸承試驗機多點溫度監控系統，采用溫控儀表采集多路溫度信號，以PC機為主機，通過串口傳輸溫度參數并加以顯示，使潤滑性能、電主軸動態性能及試驗機的可靠性和實用性能大大提高。根據試驗機對溫度和點數要求，本文的多點溫度監控系統可以相應調整傳感器類型或者增減溫控儀表數量，方便快速，滿足各種類型試驗機對溫度監控的要求，測試性能好，溫度數據更新快、溫度控制準確，適用范圍廣。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

系統主要由溫度傳感器、溫控儀表、PCI多路串口卡、NI PCI-6221數據采集卡、控制計算機、加熱器等組成。系統結構圖如圖1所示。對潤滑油供油溫度、回油溫度、電主軸內部溫度、試驗軸承外圈溫度、加載軸承外圈溫度以及油箱內潤滑油溫度等進行監測。其中回油溫度包括:試驗軸承左側回油溫度、試驗軸承右側回油溫度、加載軸承回油溫度。考慮到軸承外圈是存在一定弧度的金屬結構，本系統選用德國歐普士CTLT20型在線式紅外溫度傳感器，響應時間小于300 ms，能夠快速測出外圈溫度;測量潤滑油油溫采用Pt1000型鉑電阻和硅半導體溫度傳感器;電主軸自帶Pt100型鉑電阻溫度傳感器，可有效地測量出電主軸內部溫度。

1.2 工作原理

溫度傳感器輸出的電壓信號經過溫控儀表的調理電路和A/D轉換電路轉變為數字信號，通過RS485接口傳輸給上位機，實現溫度數據的傳輸，上位機通過控制算法得到系統的控制量，由NI PCI-6221數據采集卡數字I/O口控制固態繼電器控制端，從而改變加熱器工作狀態，實現潤滑油油溫的調節。根據電主軸性能要求，電主軸內部溫度不得長期高于100℃，否則會造成電主軸損壞。本系統選用具有上限報警功能的溫控儀表，設定上限報警參數為100℃，為了避免溫度處于報警參數邊緣時內部繼電器頻繁動作，設置報警回差值為5℃，當溫度超過設置值時，儀表內部繼電器會吸合，利用這一原理，將繼電器的常閉觸電與接觸器的線圈串聯，電主軸一旦超溫，接觸器自動斷開電主軸電源，最終達到對電主軸的保護。

圖1 系統結構圖

2 軟件設計

LabVIEW是美國NI公司開發的一種圖形化編程語言的虛擬儀器開發工具[8］，利用其可以輕松構建測試系統和儀器面板。上位機程序采用LabVIEW作為開發平臺，具有界面友好，操作簡單等特點，由溫度數據采集、數據存儲、報表生成與打印、歷史數據查詢及串口通訊等模塊組成。

2.1 數據采集與串口通訊

串口通訊是一種在計算機與外部設備以及計算機與測試系統之間最簡單、最普遍的數據通訊方式。一般計算機都內置串口，使用相對方便，只需用串口線聯接計算機和外部設備即可達到收發數據的目的[9］。選用的溫控儀表具有RS485接口，并支持標準Modbus RTU協議，可以輕松實現與上位機通訊。

2.1.1 RS485通訊接口

RS485接口標準主要是用于多站通訊，最高傳輸速率為10 Mb/s;最大距離約為1 200 m，能夠滿足較遠距離傳輸;通過雙絞線實現主從通訊，具有較強的抗干擾能力。

2.1.2 Modbus RTU通訊協議

Modbus RTU通訊協議指令包括地址碼、功能碼、數據區及校驗碼。指令的第1個字節為地址碼，用來確定接收指令的從機，每個從機都有唯一的地址碼，且每個從機只能接收與其地址碼相對應的指令。指令的第2個字節是功能碼，功能碼的作用是指示從機執行何種動作，本系統溫控儀只用到讀取和寫入寄存器指令兩條指令，讀取寄存器功能代碼為03H，寫入寄存器功能代碼為06H。數據區是根據不同的功能碼而不同，可以是實際數據、設置點等。校驗碼為二字節的錯誤檢測碼，本系統的四路溫控儀表使用的是CRC-16校驗碼，儀表溫度數據寄存器地址如表1所示。

2.1.3 循環冗余校驗

循環冗余校驗(CRC)是一種最常用的、最有效的差錯檢測編碼[10］。CRC碼由上位機根據發送信息計算，并放置于發送指令的尾部。下位機收到信息后重新計算接收到信息的CRC碼，比較接收的CRC碼與計算得到的CRC碼是否一致，如果一致，表明信息無誤，否則說明信息在傳輸中出現錯誤。

表1 溫度數據寄存器地址

數據讀取時，根據溫控儀表的通訊格式要求把指定的串口配置為波特率9 600 b/s，數據位8位，無奇偶校驗位，1位停止位。為了快速讀取數據，采用多路串口卡同時對儀表通訊。多路串口卡的主要作用是將上位機的PCI接口轉換成多個串口，以滿足設備對串口數量的需要。上位機首先向儀表發送指令，例如使用上位機COM1口，向地址為1的儀表發送讀取通道1溫度指令，指令為:0103 0000 0001 840A，當1號儀表收到指令后，會將1通道溫度數據按照指令格式返回給上位機，此時程序處于讀取串口狀態，直到讀取到完整數據。然后通過程序實現寄存器地址的變化，并重新計算CRC值，依次實現各通道溫度數據的讀取。上位機與溫度儀表通訊程序如圖2所示。

圖2 上位機與溫度儀表通訊程序

外界干擾可能會引起數據讀取的不完整，為了防止程序一直處于讀取某一通道溫度，程序中加入了錯誤處理機制，規定讀取100次還沒有讀取到完整數據，上位機重新發送指令，重新讀取，反復3次，如果仍然讀取失敗，則放棄此通道并進行報警提醒。

2.2 數據存儲與查詢

對于軸承試驗來說，試驗數據是最為關鍵的一部分，是考核軸承的重要標準，對工藝的改進和方案的修改具有指導作用。為了滿足以后查看，又方便其他程序調用處理，系統對采集到的溫度數據進行實時存儲。試驗要求每套軸承試驗過程長達1 000 h以上，至少需要試驗3套軸承，這就需要存儲大量的數據。綜合考慮文件格式的性能，選擇通用性較好，讀寫速率高，可以被其他應用程序調用的文本文件格式存儲溫度數據，這種格式按字節對文件進行讀寫，不具有獨占性，打開文件查看數據時不會影響上位機程序繼續寫入數據。查詢歷史數據是讀取溫度數據文件來實現的。選擇需要查看的溫度數據文件并讀取，利用溫度數據與時間創建波形，最終以波形圖形式顯示，使得更加直觀。

2.3 報表生成與打印

溫度數據報表是記錄測量數據的重要憑證，也是顯示測量結果最直觀的方法之一，同時報表對軸承工藝的改進也起著非常重要的作用。本系統中溫度數據報表分為本次試驗溫度報表和每套軸承試驗溫度報表兩種類型。

本次試驗溫度報表是在每次試驗結束時生成的，主要記錄每次試驗過程中的溫度曲線、試驗時間、試驗時長、操作人員、軸承編號、試驗條件等內容。本次試驗溫度報表使用Report Generation Toolkit for Microsoft Office工具包和模板法生成。首先，利用New Report.vi新建報表，設置類型為Excel，并把報表模板地址送到New Report.vi中;然后，根據模板格式使用Set Report Orientation.vi設置報表打印方向為橫向，Set Report Font.vi設置報表字體;最后，通過Append Report Text.vi把打印時間、操作人員、軸承編號、試驗條件、備注等參數寫入到模板中相應位置[11］。本次試驗溫度報表在記錄溫度曲線時采用的是添加VI前面板到報表的方法，這種方法相對于傳統文字報表具有信息量大、顯示直觀、曲線無失真以及圖片樣式可以自定義等特點。具體操作:通過子VI截取并顯示需要的溫度曲線，調用Append Front Panel Image to Report.vi函數把子VI前面板添加到報表中，使用Print Report.vi完成對報表的打印，同時對生成的本次試驗溫度報表電子文檔進行存盤，以備查詢。

每套軸承試驗溫度報表主要記錄軸承試驗過程中爐室的溫度曲線、試驗時長、軸承編號、試驗條件等內容，由于包含全部溫度數據，所以對整個試驗起著至關重要的作用。當軸承在試驗過程中出現質量問題時，可以通過查看每套軸承試驗溫度報表查找并分析原因。在每套軸承試驗溫度報表中最重要的數據是溫度曲線，為了更加直觀地顯示溫度曲線，每套軸承試驗溫度報表采用打印前面板的方法實現，該方法編程簡單，操作方便。具體方法為:新建一個VI，其前面板包括每套軸承試驗溫度報表所需要的數據，通過設置VI自動打印前面板方法完成打印功能。在每套軸承試驗結束時，操作人員通過選擇本套軸承所有溫度數據文件即可實現該套軸承的溫度數據的合并。通過點擊溫度曲線顯示界面的“打印”按鈕即可調用上述VI，并把數據傳輸到該VI中，由于上面已經進行了打印設置，調用結束時會自動完成打印，最終實現每套軸承試驗溫度報表的生成和打印。

3 試驗測試

在試驗機試驗過程中，采用設計的多點溫度監控系統進行溫度監控試驗。系統加熱設備總功率為9 kW，程序通過控制固態繼電器改變加熱器工作狀態，使得潤滑油供油溫度控制在(100±3)℃。測得電主軸正常運轉時內部溫度為40～50℃，當電主軸內部溫度超限時，系統能夠快速控制接觸器做出斷開動作，響應時間＜0.1 s，起到保護電主軸的作用。測試結果表明:溫度數據刷新速率高，全部數據更新用時＜1 s。測試過程中得到的供油溫度和回油溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 供油、回油溫度變化曲線

4 結論

溫度監控系統通過串口與下位機溫控儀表進行通訊，把采集的溫度數據進行實時顯示，同時，根據采集的溫度調整加熱器等設備的工作狀態，實現了對試驗機各測量點溫度的監控，上位機軟件界面友好，操作簡單，降低了對操作人員的技術要求。通過使用本系統以后，潤滑油溫度控制在要求范圍內，有效地監測電主軸和軸承溫度。在軸承試驗機實際應用中，本系統工作穩定，溫度數據傳輸速度快，溫度控制精確，可提高軸承試驗機的性能，具有較強的實用價值。

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