基于LabVIEW的叉車動力單元總成測試系統(tǒng)設計

許敏影

（杭州水表有限公司，杭州 310000）

0 引言

LabVIEW作為常見的圖形化編程語言，在測試儀器、數(shù)據采集、工業(yè)環(huán)境下的系統(tǒng)控制和仿真領域的應用頗為廣泛。開發(fā)流程基本分為需求收集、設計、編碼、測試、發(fā)布與維護等。本文所開發(fā)了測試系統(tǒng)軟件——動力單元總成測試系統(tǒng)，采用虛擬儀器LabVIEW 13.0設計開發(fā)，基于界面操作事件結構與隊列狀態(tài)機架構模式設計了動力單元泵源與電動機相關的性能測試[1]。該軟件系統(tǒng)在功能設計上可實現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)PLC在數(shù)據采集、流程控制、數(shù)據存儲等方面的需求；圖形化編程語言，在界面設計、邏輯控制等方面優(yōu)勢明顯。

1 測試項目介紹

叉車系列噸位動力單元作為供油裝置可集成控制回路、回油過濾回路，采用齒輪泵為動力源，可集成閥塊、電動機、油箱等，通過閥塊管路系統(tǒng)與外部液壓油缸、控制閥組等液壓元件相連，組成閉式回路控制系統(tǒng)。動力單元可集成多元化功能平臺，模塊化設計方便采用標準元件。

動力單元性能測試采用裝機模擬實測方式，測試項目主要圍繞齒輪泵電動機組、換向閥等開展以下測試項目包括負載特性試驗、比例特性試驗、耐久特性試驗、油路機能試驗等4個項目。

圖1 動力單元外型與原理圖

2 LabVIEW項目管理設計

上位機軟件設計基于LabVIEW 13.0虛擬儀器平臺開發(fā)，為了便于管理和配置設置，采用測試功能模塊化并基于Project工程管理程序[2]。

首先，關鍵參數(shù)設置放置在配置文件，供主程序Main調用。這樣可在日后關鍵參數(shù)變更時直接修改配置程序，而不必修改主程序，配置文件需放置在指定文件夾并加密。其次，完整程序必須有相應的錯誤處理機制。針對不同類別的錯誤，例如測試設備出錯、偶然因素中斷測試、產品測試參數(shù)不合格等，做好有效錯誤和無效錯誤的分類判斷。最后，設計者需要將功能相似的模塊編寫為子VI形式，方便程序后期的可擴展性等。

圖2為本項目的Project列表，其中，NI USB-6000系列采集卡作為數(shù)據采集硬件，軟件采用與之配合對應的驅動NI-DAQmx[3],DAQmx函數(shù)配有VI函數(shù)和開發(fā)工具，設計者可利用面板現(xiàn)有的封裝函數(shù)編寫底層驅動程序，并結合DAQ采集硬件，便可實現(xiàn)多線程實時數(shù)據采集工作。

圖2 Project-項目樹列表

圖3中AI/AO數(shù)據采集調用了DAQmx任務形式，采集流程按照配置采集端口、開始數(shù)據采集、讀取/寫入數(shù)據循環(huán)及停止數(shù)據采集構成。程序的數(shù)據流傳遞采用了For循環(huán)結合順序結構，可實現(xiàn)按照配置文件要求執(zhí)行完所有程序要求讀取或寫入的所有系統(tǒng)模擬信號。其中AO任務主要實現(xiàn)了對液壓系統(tǒng)比例電磁鐵控制命令信號的輸出與控制[4]。

圖3 AI/AO數(shù)據采集與控制程序圖

3 主要功能模塊開發(fā)

3.1 主界面設計

該測試系統(tǒng)的被測對象主要是適用于不同噸位叉車的動力單元。主界面設置如圖4所示，主要包含了儀表顯示區(qū)、主要控制參數(shù)輸入窗口區(qū)、人機交互操作區(qū)等幾部分。首欄菜單由文件、測試項目、表格數(shù)據及幫助組成，其中測試項目下拉菜單包含了負載特性試驗、比例特性試驗、耐久特性試驗、油路機能試驗。其他菜單功能便于人機交互與試驗數(shù)據設置與保存。

圖4 操作主界面示圖

主界面由Main程序控制，底層程序設計如圖5所示，數(shù)據流采用基于事件的生產者/消費者設計模式[5]。其中生產者循環(huán)基于用戶界面處理模式，用戶事件主要包含[0]前面板關閉、[1]菜單選擇（用戶）、[2]“打印報表”：值改變、[3]“保存”：值改變、[4]“測試結果、型號”：值改變、[5]“查詢型號”：值改變、[6]“查詢隱藏”：鼠標進入、[7]“查詢型號”：鼠標離開等等。消費者循環(huán)基于通知器讀取數(shù)據，執(zhí)行相應的指令任務，例如初始化、保存、耐久特性試驗等，并開始在本循環(huán)內按照程序設定執(zhí)行或調用子VI設定執(zhí)行完相應的測試命令。以子VI2為例，在生產者循環(huán)內基于用戶事件[1]菜單選擇，執(zhí)行“負載特性試驗”；VI2為負載特性試驗的獨立設計模塊，以子VI形式按照順序結構調用執(zhí)行；此時的消費者循環(huán)讀取到通知器內“負載數(shù)據”的相關執(zhí)行命令，并在消費者循環(huán)內調取執(zhí)行對于負載數(shù)據如電動機的電流、電壓，系統(tǒng)壓力、流量；負載上升、下降速度等相關測試參數(shù)的采集與顯示[6]。

圖5 Main底層程序設計框圖及部分菜單

3.2 負載特性試驗功能模塊設計

負載特性試驗基于生產者/消費者（事件）模式[7]，操作運行界面-程序框圖設計如圖6所示。啟動后，需要設置實驗負載參數(shù)，系統(tǒng)與采集實際負載進行對比，并給出相關提示。然后按照測試順序，負載上升-停止-負載下降執(zhí)行。其中“復位”是為確認測試系統(tǒng)初始位置設置，“比例閥”用來調節(jié)上升下降速率，以測試不同工況下的負載特性參數(shù)。

圖6 負載特性操作運行部分界面

該底層程序如圖7所示，采用常用的生產者/消費者（事件）設計模式進行編輯。生產者程序設計首先由“負載試驗-初始化”開始，循環(huán)內基于用戶界面事件模式執(zhí)行相應測試流程的參數(shù)設置或試驗進程，當出現(xiàn)誤操作時以彈窗形式提示后續(xù)正確操作流程[8]。消費者循環(huán)內基于通知器讀取數(shù)據，并執(zhí)行相關指令任務。各指令任務程序內嵌套層疊順序結構，可有序執(zhí)行“開始測試-傳感器數(shù)據讀取-測試數(shù)據數(shù)據寫入顯示”。

圖7 負載特性試驗底層程序設計框圖

3.3 耐久特性試驗功能模塊設計

耐久特性試驗模塊為自動測試模式，主要針對動力單元裝機后按照預定負載，設置邊界條件如電動機溫度上限、油溫，叉車在最低位與最高位的停止時長等，進行耐久測試。如圖8所示，主界面以曲線形式實時顯示系統(tǒng)壓力、流量、電流、電動機溫度、油溫。

圖8 耐久特性試驗主界面

底層程序框圖如圖9所示，采用隊列消息處理嵌套用戶界面事件處理器模式，并通過移位寄存器實現(xiàn)狀態(tài)跳轉。最外層隊列消息處理模式按照“初始化、讀取測試序列、執(zhí)行測試序列、退出”測試流程運行。前置的嵌套用戶界面事件處理器用于耐久測試總體參數(shù)設置，并將設置結果傳遞至順序結構內，以支持完整測試流程的進行。該程序框架內采用了屬性節(jié)點、全局變量的典型設置方式，以實現(xiàn)程序的簡化。

圖9 樣品照片

圖9 耐久特性試驗底層程序設計框圖

4 結論

本文基于圖形化編程方式，對叉車動力單元總成測試系統(tǒng)軟件進行了開發(fā)，得出以下結論：

1）程序設計按照Project項目管理方式進行，主要包括主界面、DAQ數(shù)據采集、報表、文件等類別子VI的程序設計，更有益于程序的后續(xù)擴展和可讀性。

2）依據測試內容進行模塊化程序設計，主要包含負載特性試驗、比例特性試驗、耐久特性試驗、油路機能試驗等4個項目。模塊化架構設計可實現(xiàn)更復雜的邏輯控制。

3）生產者/消費者模式在人機互動測試系統(tǒng)中更有利于響應用戶界面操作與數(shù)據流傳遞。

4）上位機采用圖形化編程較其他傳統(tǒng)編程語言工具更便捷。