基于OPC與LabVIEW的液壓泵和液壓馬達自動測試系統

□ 于 輝 □ 金俠杰 □ 邢科禮 □ 吳白羽

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

隨著液壓技術的發展，液壓泵和液壓馬達在現代工業應用中越來越廣泛，作為液壓系統的動力元件和執行元件，一臺液壓泵或者液壓馬達的好壞直接影響到整個液壓系統是否能正常運行，所以，對液壓泵和液壓馬達的檢測是十分關鍵的。隨著科技的進步，系統的自動化程度也越來越高，這不僅可以節省大量人力物力，同時也可以減少操作人員對測試過程的干預，提高檢測質量。傳統的開發環境，如C++、VB和C，不僅開發周期長，運行速度慢，而且調試和維護也比較困難。本系統采用LabVIEW編寫自動測控軟件，LabVIEW靈活、高效、面向對象，其強大的可視化編程環境及圖形化編程語言受到越來越多的開發人員的青睞。PLC作為現代控制工具的支柱之一，以其抗干擾能力強、性能穩定而在工業控制中得到廣泛應用，把LabVIEW與PLC結合到液壓測試系統中具有很好的應用前景。

OPC （OLE for Progress Control） 是基于 Windows NT技術的OLE、COM/DCOM接口的擴展，采用客戶端/服務器模式，其本質是OPC Client通過一種標準化、開放式的通信方式與OPC Server進行數據交換。使用第三方硬件時，只需要硬件方提供OPC Server，軟件開發人員無須編寫底層的驅動程序，只需要軟件的OPC Client就可與之通信。該自動測試系統運用Profibus現場總線控制，通過建立OPC服務器與客戶端完成SIEMENS S7-300 PLC與PC的通信。實現LabVIEW與S7-300實時、穩定的數據交換是該系統實現的關鍵及難點。

1 系統結構與功能實現

1.1 測控系統體系結構

該系統要求除必要的電源開關以及急停保護按鈕外，不允許面板上有控制液壓系統的其它按鈕，即不能手動進行液壓泵和液壓馬達的測試，只能通過PC完成對液壓泵或液壓馬達的自動測試并生成測試報告。但是當液壓系統出現問題時，自動測試系統無法進行調試，因此，該系統中又加入一個觸摸屏，該觸摸屏的主要功能為控制液壓系統中電機的啟停、電磁閥的開關及比例閥的調節，另外加入一些傳感器的數據顯示，方便工作人員在液壓系統出現問題時進行調試，該觸摸屏采用密碼保護，在自動測試過程中不允許使用。

根據以上介紹，在該液壓系統運行過程中，S7-300PLC需要完成與PC和觸摸屏兩種方式的通信，所以該PLC至少要有兩個通信接口。CPU 317-2DP擁有一個MPI/DP和一個DP通信口，而且功能強大，可滿足要求。其中，觸摸屏采用485串口線與PLC的MPI口連接，PC通過Profibus總線與PLC的DP口連接，完成兩種通信方式，兩種通信方式互不干擾。該系統體系結構如圖1所示。

1.2 通信的建立

1.2.1 系統軟、硬件組成

軟件：LabVIEW8.6、SIMATIC NET （包含 OPC）、STEP7 V5.5，其中LabVIEW8.6用于上位機編程，SIMATIC NET用于對通信進行組態并配置OPC Server，STEP7 V5.5用于S7-300PLC的編程。

硬件：PC、西門子 S7-300PLC（CPU 317-2DP）、西門子CP5611通信卡、Profibus總線及插頭。Profibus總線是西門子公司的一種適用于工業現場控制的總線，在100 m范圍內通信速率可達到12 Mbit/s。CP5611是一種PCI通信卡，用于PC與Profibus進行連接。

▲圖1 測試系統結構圖

1.2.2 通信方案選擇

在以上硬件條件下，要實現LabVIEW和S7-300PLC的通信，關鍵是要利用LabVIEW驅動CP5611通信卡。當通信卡被驅動后，LabVIEW就可以通過Profibus總線對PLC的地址塊進行讀寫數據，從而完成對液壓測試系統的自動控制。但CP5611通信卡沒有LabVIEW的驅動，要在LabVIEW環境下驅動CP5611主要有以下兩種方法。

（1）從底層動態鏈接庫開始編寫CP5611的驅動程序。

（2） 安 裝 西 門 子 OPC Server， 利 用 NI的DataSocket技術與之進行數據交換。

顯然，第二種方法更加方便，故選用第二種方案。

1.2.3 LabVIEW與S7-300通信

利用SIMATIC NET配置好OPC Server后，還需要LabVIEW與OPC Server進行數據通信。LabVIEW支持DataSocket技術，Data Socket技術能實現數據共享，該系統利用DataSocket技術實現對OPC Server的訪問。DataSocket技術是基于Microsoft COM和ActiveX，源于TCP/IP協議并對其進行高度封裝，面向測量和自動化應用，用于共享和發布實時數據，是一種易用的高性能數據交換編程接口。它不必像TCP/IP編程那樣把數據轉換為非結構化的字節流，而是以自己特有的編碼格式傳輸各種類型的數據，包括字符串、數字、布爾量以及波形等，還可以在現場數據和用戶自定義屬性之間建立聯系，一起傳送。盡管DataSocket與OPC的實現原理有所不同，但DataSocket與OPC在體系上比較相似，兩者結構上都是客戶機/服務器模式，都為跨網絡傳輸數據定義了各自的傳輸協議，并以URL的方式訪問服務器數據項目。在LabVIEW中，可以通過DataSocket數據綁定的方式將LabVIEW的數據變量與在SIMATIC NET中建立的變量進行綁定，在數據綁定中選擇要訪問的變量的路徑即可，路徑中localhost表示主機名，OPC.SimaticNET表示通過西門子SIMATIC NET建立的OPC服務器，最后一部分表示PLC內部數據地址，圖2所示為從MREAL塊中讀取從MREAL400開始的4個實數地址的路徑。

2 基于LabVIEW的自動測試軟件

程序主界面如圖3所示，該程序主要功能包括實驗信息錄入、實驗數據顯示、自動測試流程管理、手動數據處理、報警指示等。

▲圖2 DataSocket數據綁定

傳感器數值以及所設置的報警指示燈都是通過DataSocket與OPC Server進行穩定通信獲得的數據。程序左上角可以對測試信息進行設置，包括被測液壓泵或液壓馬達的型號、出廠編號、進行測試的工位及對被試液壓泵或液壓馬達測試采用開式還是閉式系統、試驗員名稱。自動流程可在流程設置子界面中進行設置，主要包括跑合試驗（即液壓泵和馬達的磨合試驗）中每一階段中壓力、轉速以及跑合時間的設置。壓力實時曲線可以顯示實驗過程中壓力與流量的變化過程。壓力實時曲線下方的表格可以手動記錄想要的數據，并可導出到Excel表格，方便技術人員分析。報警指示區會顯示液壓系統中的一些異常情況，當液壓系統出現問題時，如過濾器堵塞等，相應的指示燈會高亮顯示，并且報警指示燈下方的信息欄會顯示具體的報警信息，并在PLC中做好了停機等異常處理方法。該系統采用水冷的方式進行冷卻，當油溫達到規定的上限（56℃）后，程序會自動打開冷卻水閥，使冷卻水進入散熱器，同時會啟動循環泵，加速散熱；當溫度降到規定的下限（44℃）后，程序會關掉冷卻水閥及循環泵。

為了檢測液壓泵和液壓馬達的性能，液壓泵和液壓馬達需要在不同的壓力、轉速下運行，所以在整個自動測試過程中，需要對系統壓力和電機轉速進行控制。系統采用比例溢流閥作為加載元件，試驗中可以通過控制其工作電壓實現對系統壓力的自動調節。系統采用西門子MICROMASTER 440變頻器對電機進行控制，通過設置變頻器參數，可以設置變頻器為外部電壓控制，即可通過調節外部電壓來控制變頻器的頻率，進而可以調節電機的轉速，另外變頻器可以實現PID閉環控制，可以實現對轉速的精確控制。對于轉速和壓力的控制，均通過西門子S7-300PLC的AO模塊實現。

▲圖3 程序主界面

▲圖4 液壓馬達實時測試曲線

按下自動程序開始按鈕之后，程序會自動檢測相關的閥是否到位，以保證自動測試過程的順利進行。程序會按照預先設置好的流程進行自動試驗，下方的指示燈及右下方的實驗信息欄會顯示程序運行到的步驟及試驗狀態。當自動測試過程中出現問題且軟件并沒有檢測出來時，可按下自動程序停止按鈕或直接按下面板上的急停按鈕。當排除問題后，若要繼續試驗，先按下程序底端的參數恢復按鈕，該按鈕會將系統中的所有參數恢復到默認的規定值，以防某些參數沒有恢復而對測試過程以及系統造成影響。自動測試完成后，程序會根據每個階段的運行參數（壓力、流量、容積效率、機械效率等），判斷液壓泵或液壓馬達是否合格，并打印出檢測報告。

3 液壓馬達測試

利用該測試系統對液壓馬達進行測試，馬達型號為A2FE1256.1RVAL10，其理論排量為125 mL/r，額定壓力為31.5 MPa，額定轉速為1 450 r/min。將該馬達安裝好后在軟件中設置自動測試流程：①空載，20%額定轉速，跑合30 s；② 40%額定轉速，20%額定壓力，跑合30 s；③60%額定轉速，50%額定壓力，跑合30 s；④80%額定轉速，80%額定壓力，跑合30 s；⑤額定轉速、額定壓力下跑合60 s；⑥排量驗證試驗；⑦額定轉速、額定壓力下容積效率和總效率計算。試驗過程中，馬達進油口和出油口壓力及流量曲線如圖4所示。

在整個測試過程中，主要是對加載壓力和電機轉速進行調節。電機轉速通過西門子變頻器進行控制，只需將需要的轉速傳遞給變頻器，變頻器會自動調節電機至需要的轉速（轉速實時曲線未在圖中顯示，系統流量為轉速與被測馬達排量的乘積，由于馬達排量是固定的，所以系統流量的變化過程即為轉速的變化過程）；壓力調節采用PID算法控制，由于比例溢流閥具有良好的線性關系，采用P參數控制即可滿足要求。由圖中流量曲線可以看出，在調節轉速過程中有時會出現超調的情況，但在短時間內會恢復至目標轉速。對比馬達的A口壓力（即馬達正轉時的進油口壓力，馬達反轉時進油口為B口）曲線，在轉速變化的瞬間，壓力會隨之波動上升，所以壓力調節要在轉速穩定后進行。從測試曲線圖可以看到，該馬達在整個測試過程運行比較平穩。根據測試過程中的數據，計算得到該馬達的參數為：實際排量125.96 mL/r，額定壓力和轉速下容積效率為97.65%，總效率為87.53%，均在測試標準范圍內，該馬達合格。

4 結束語

該系統利用LabVIEW自帶的DataSocket技術與OPC Server之間進行實時通信，方便而且穩定，該方法適用于西門子幾乎所有的通信總線及通信卡，當更換通信卡時，只需要在硬件配置時將通信卡換成實際應用的通信卡并設置通信參數即可。利用虛擬儀器技術開發測試系統大大節省了開發時間，且人機界面友好，運行穩定，方便維護。該系統已經穩定運行半年，提高了測試的自動化水平，減輕操作人員的負擔。

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