基于LabVIEW 的軸承試驗機測控系統設計

楊丹峰，王芳，馬聰，朱川峰

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

軸承試驗機的性能很大程度上取決于測控系統，測控系統直接影響試驗數據的準確性［1］。以往的試驗機測控系統采用C＋＋Builder編程環境，但其編程復雜，可用于界面設計的控件類型較少且樣式陳舊，難以滿足開發者在設計測控系統用戶界面時對控件、圖形及圖表的各種需求［2］。

虛擬儀器基于“軟件就是儀器”的理念，采用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化的應用。在此基礎上研發的LabVIEW 編程語言摒棄了難懂的文本代碼，采用圖形方式編程，編程的同時進行同步編譯，有利于發現編程錯誤［3］，使計算機編程變得簡單。目前，LabVIEW 已應用于工業自動化、測試測量、運動控制、計算機仿真等眾多領域。

在此，將LabVIEW 編程語言引入軸承試驗機測控系統的設計，實現了軸承溫度、振動、系統壓力、加載載荷等試驗數據的實時采集、處理、分析、記錄及保存，并對試驗機主軸轉速、加載載荷、潤滑溫度等參數進行精確控制，使軸承試驗機按照指定的狀態運行，同時具有互鎖、報警、急停等一系列保護功能。

1 軸承試驗機測控系統硬件組成

軸承試驗機測控系統硬件由工控機、ADLINK PCI總線的數據采集板卡、信號調理電路、傳感器、變頻器、伺服驅動器等組成，結構如圖1所示。

圖1 測控系統硬件結構

傳感器采集的信號經過信號調理電路放大、隔離、濾波后，由ADLINK數據采集板卡進行A／D轉換后進入計算機，通過LabVIEW 軟件分析、處理、顯示及保存，并以實時采集數據為依據實現系統閉環控制。

2 LabVIEW 軟件設計

2.1 試驗主程序

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，程序框圖供用戶編寫程序代碼。軸承試驗機程序前面板如圖2所示，程序前面板以圖表和數值2種形式顯示試驗數據，同時還顯示當前試驗所運行的周期、步驟、時間，以方便工作人員觀察，界面最下邊分別顯示當前試驗機、變頻器的工作狀態。

圖2 軸承試驗機程序界面

試驗機程序結構如圖3所示，主要由數據采集處理、運行循環控制、加載系統PID控制以及菜單選項處理4部分構成。

圖3 軸承試驗機程序框圖結構

2.2 程序功能實現

串口通信、數據采集處理、數據庫存儲、記錄數據存儲和PID控制是實現試驗機測控系統功能的關鍵。

2.2.1 串口通信

PLC、變頻器、伺服驅動器、溫控儀與工控機之間采用RS485通信協議。通過RS485通信，工控機可以很容易監測各設備的運行數據，了解設備運行狀態，對設備進行實時控制。RS485通信屬于串口通信，LabVIEW 軟件中的OPC Server可以直接實現。但是OPC Server在進行大量數據通信時工作效率會降低，而試驗機運行時需要進行大量信息的實時傳遞。為保證通信效率和質量，針對試驗機設計的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行初始化，調用VISA配置串口函數完成串口資源、波特率、數據比特、奇偶校驗、停止位的設置。將數據進行校驗后由VISA寫入函數發送到串口通信板卡，再發送至下位機［4］。經過0.1 s的等待時間后調用VISA讀取函數對串口數據進行采集。將采集到的數據進行校驗，校驗正確則將數據進行處理，轉換為所需的數據輸出；否則將數據丟掉，重新進行1次問答。循環執行3次問答，若還沒有采集到正確的數據，則判定通信出錯，結束通信程序。

2.2.2 數據采集處理

數據采集包括數據采集板卡接收的傳感器數據和通信采集的數據。數據采集板卡采用PCI總線數據采集板卡，其內置了LabVIEW 驅動程序DAQpilot，可以方便進行數據采集。通信采集的數據包括變頻器、伺服驅動器、PLC的工作狀態、各種儀器儀表數據等。

數據采集處理的實現采用“生產者-消費者模型”［5］，流程如圖5所示。“生產者-消費者模型”采用隊列來實現，上半部分的循環產生（采集）數據，下半部分循環消費（處理）數據。

圖5 數據采集處理流程圖

試驗機系統中，變頻器、伺服驅動器產生大量的電磁干擾，往往會使測試信號疊加各種頻率的噪聲，影響測試的準確性，所以需對采集數據進行濾波處理，以提高系統信噪比。濾波處理可分為硬件濾波和數字濾波，硬件濾波不僅成本較高，而且不易實現。而數字濾波通過軟件對信號進行處理，配置簡單，幾乎無成本，隨時間無老化效應。LabVIEW 帶有多種數字濾波器，如中值濾波、數字形態濾波器、FIR加窗濾波器、小波分析等。

2.2.3 數據庫存儲

試驗機程序中有大量需要設置和頻繁調用的數據，如設定試驗機運行狀態的載荷譜數據、數據處理時的一些變量、測量對象的報警值、試驗的基本信息等。針對數據需要頻繁調用和存儲的特點，采用數據庫進行數據存儲。

Microsoft Access是在Windows環境下非常流行的桌面型數據庫管理系統，NI LabVIEW軟件提供了該數據庫的鏈接工具包（Database Connectivity Toolkit），可方便的對數據庫進行保存、修改、刪除和查詢等。數據庫操作流程圖如圖6所示。

圖6 數據庫操作流程圖

2.2.4 記錄數據存儲

軸承試驗過程中產生大量的數據，必須按照要求存儲記錄。

LabVIEW 中常用的數據存儲格式有3種：ASCII文件格式、直接二進制存儲和TDMS文件格式。使用LabVIEW 設計的測控系統通過TDMS文件存儲形式對采樣數據進行存儲。TDMS兼顧了其他2種文件格式的優點，高速、易存取、占用磁盤空間小，而且方便其他用戶或應用程序訪問。

2.2.5 PID 控制

PID控制結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便，是控制工程中技術成熟、應用廣泛的控制策略。LabVIEW 提供了PID控制工具包，可快速有效地搭建數字PID控制器，精確可靠地完成系統控制需求。利用PID.vi搭建的液壓系統PID控制如圖7所示。

圖7 液壓系統PID控制

為驗證液壓系統載荷PID控制的有效性，在T60-120F軸承疲勞壽命試驗機上進行試驗。試驗數據如圖8所示，由圖可知，測控系統對載荷的控制精確快速，其響應時間在3 s內，控制精度可達到設定值的±1%。

圖8 液壓系統載荷PID控制

3 結束語

隨著我國軸承工業的技術進步，對軸承試驗機測控系統的測試精度、反應靈敏度、自動控制程度、數據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、振動分析等領域的開發研究達到了先進的水平，在軸承試驗機測控系統中的應用將推動高性能軸承試驗技術迅速向前發展。

以LabVIEW 為開發平臺構建了軸承試驗機測控系統，完成了試驗機監測與控制的一系列要求，與傳統測控系統相比，提高了系統工作效率，保證了控制的可靠性。考慮對軸承施加載荷是對軸承質量考核的重要因素，單純的PID液壓加載控制雖然能夠達到良好的控制精度，但無法實現快速響應，在后期的工作中可以引入系統辨識理論對液壓加載系統進行模型建立，在精確模型基礎上進行控制將提高系統的響應時間和精度。