基于LabVIEW的軸承試驗機控制系統(tǒng)設(shè)計

何宇

摘要 本文設(shè)計了基于LabVIEW的軸承試驗機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對試驗機主軸轉(zhuǎn)速、加載載荷、潤滑溫度等進行精確控制，同時具有互鎖、報警、急停等一系列保護功能。試驗結(jié)果表明：基于LabVIEW的軸承試驗機測控系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定可靠、控制精度高、系統(tǒng)操作簡單等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng) 軸承試驗機 虛擬儀器

1 引言

直升機主旋翼軸軸承處于重要地位，該軸承受力情況復(fù)雜，工作性能及壽命要求嚴格。軸承試驗機通過液壓驅(qū)動馬達和壓力缸，模擬軸承的轉(zhuǎn)速、載荷及彎矩，潤滑油站通過調(diào)節(jié)壓力溫度模擬軸承潤滑環(huán)境。其用途包括：軸承轉(zhuǎn)速及承受徑向、軸向和力矩靜載荷的性能試驗，軸承耐久性和動載荷譜疲勞壽命試驗等。目前，虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)成為基于計算機的自動化控制技術(shù)主要發(fā)展方向。LabVIEW軟件在數(shù)據(jù)采集及處理方面更具優(yōu)勢。在試驗機的控制方面也有很多成功案例。

針對軸承試驗機測點多，自動化程度高的要求，使用LabVIEW平臺開發(fā)控制系統(tǒng)。可實現(xiàn)軸承載荷、馬達轉(zhuǎn)速、供油壓力及溫度控制功能。同時完成各參數(shù)測試，試驗機工作狀態(tài)的監(jiān)測，參數(shù)報警及保護停車。本文主要分為結(jié)構(gòu)設(shè)計及軟件設(shè)計兩個方面介紹控制系統(tǒng)設(shè)計。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本試驗機與多個試驗機共用同一廠房，間隔緊密，干擾源多，而操縱間與試驗機距離遠，因此在控制系統(tǒng)中采用分布結(jié)構(gòu)，將控制器等硬件布置在現(xiàn)場，使模擬信號轉(zhuǎn)化為抗干擾能力強的數(shù)字信號，由工業(yè)以太網(wǎng)通訊至遠端的計算機。

控制系統(tǒng)以PLC為中心，試驗器的液壓馬達、電液比例閥、加熱器控制端其相連。控制命令可由計算機程序下達，也可通過調(diào)節(jié)操縱臺的電位器給定，而后PLC完成對試驗器的轉(zhuǎn)速、載荷、油溫油壓的自動或手動控制功能。

2.1 載荷及轉(zhuǎn)速控制

軸承載荷控制采用“油壓.力”雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，由液壓管路上的壓力傳感器及液壓油缸的力傳感器變送輸出電壓信號，經(jīng)采集通道傳入PLC，控制電液比例閥的開度，改變液壓油壓力，最終調(diào)節(jié)液壓油缸施加的載荷。

液壓馬達轉(zhuǎn)速控制采用“油壓.轉(zhuǎn)速”雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，由馬達管路上的壓力傳感器及馬達同軸安裝的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器實時提供反饋信號，通過程序計算，控制液達馬達的液壓油流量，改變液壓油壓力，最終控制液達馬達的輸出轉(zhuǎn)速。

載荷及轉(zhuǎn)速可由計算機程序控制，也可調(diào)節(jié)電位器來實現(xiàn)，所有控制及反饋信號經(jīng)過以太網(wǎng)及OPC通訊與計算機相連，實時性好。雙閉環(huán)方案控制精度高，保障試驗安全。

2.2 溫度及壓力控制

滑油溫度控制通過溫控儀實現(xiàn)，計算機下達目標溫度值，溫控儀控制固態(tài)繼電器功率。熱電偶反饋溫度測量值，經(jīng)采集通道傳入PLC及計算機構(gòu)成溫度閉環(huán)，完成自動控制。

滑油壓力控制由電位器或計算機命令調(diào)節(jié)，參照壓力傳感器的反饋，完成自動控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軸承控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW為語言編程開發(fā)，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)試驗件各系統(tǒng)之間通訊，實時性好，程序結(jié)構(gòu)易于維護拓展。

控制軟件采用Step 7編寫的梯形圖底層邏輯程序存入PLC運行，LabVIEW開發(fā)的圖形化程序安裝在計算機上實現(xiàn)交互的設(shè)計，通過以太網(wǎng)式計算機與PLC互聯(lián)，在交互界面收集控制命令，顯示試驗機工作狀態(tài)，并反饋控制效果。控制系統(tǒng)軟件可實現(xiàn)對試驗器的轉(zhuǎn)速、載荷、供油溫度的程控。在自動控制界面有試驗狀態(tài)表，包括轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、運行時間、過渡時間以及循環(huán)次數(shù)等，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定自動循環(huán)運行。控制軟件能在自動表格任一步中止退出，下次啟動可繼續(xù)運行，滿足長時間試驗需求。

控制軟件界面上有試驗件及各設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)，具有完備的報警保護邏輯，包括轉(zhuǎn)速變化時間超限報警、加載卸載超長報警、參數(shù)異常報警、通訊斷開報警等。

為實現(xiàn)控制功能，控制軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。Step 7程序采用順序控制設(shè)計法，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間順序，在試驗過程中有序控制各執(zhí)行機構(gòu)。LabVIEW程序框圖以事件機結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分類編寫數(shù)據(jù)通訊、自動控制，手動控制、報警保護等分支，由用戶操作觸發(fā)。事件機設(shè)計模式將事件驅(qū)動狀態(tài)機的狀態(tài)結(jié)構(gòu)和Event結(jié)構(gòu)的功能合并到一個模式中，可保證用戶操作逐一執(zhí)行，不遺漏不重復(fù)。

在控制軟件開發(fā)過程中，經(jīng)常遇到調(diào)試暴露的問題及用戶新增的要求。控制程序以LabVIEW事件機結(jié)構(gòu)為主體，修改某一功能只需要對其中某事件分支進行操作，新功能只需添加一個事件分支，對其他功能沒有影響，相比其他程序更易于維護拓展。

4 結(jié)論

軸承試驗機控制系統(tǒng)采用虛擬儀器與以太網(wǎng)相結(jié)合，分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計提高抗干擾能力，軟件設(shè)計自動化程度高。控制系統(tǒng)功能滿足試驗要求，具備擴展能力，可維護性好，投入使用以來受到廣泛認可，對其他類似試驗機控制系統(tǒng)設(shè)計有一定參考意義。

參考文獻

[1] Robert H.Bishop. LabVIEW 8 studentEdition [M].北京：電子工業(yè)出版社.2008.

[2]龍華偉，顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京：清華大學(xué)出版社，2 008.

[3]黃志亮，雷勇，基于LabVIEW的航空發(fā)動機臺架試驗通用測試系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2010 （01）：31-34.

[4]費景洲，石靈丹，馬修真，高峰，路勇.基于虛擬儀器的柴油機實驗臺測試系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2012，10 （05）：12-15.