混凝土泵車泵送系統數據采集及分析系統研究

高艷玲，揭琳鋒

（1.博世電動工具（中國） 有限公司，浙江 杭州 310052；2.揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

混凝土泵車是當前建筑行業的工程主力軍，滿足高層建筑的混凝土輸送要求，具備運輸效率高、整體費用低、單位時間內運輸量大等優點。混凝土泵車實現混凝土泵送，對液壓技術有很高的要求，當前液壓控制研究中仍以開發液壓試驗臺為主，開發和維護費用高，技術更新周期長，與其他設備連接困難，越來越不能滿足泵車液壓系統的設計及檢測要求。采用虛擬設備軟件硬件開發的泵車泵送系統數據采集及分析系統，測試精度高，操作方便，性能可靠，能夠滿足液壓系統的研發實驗要求。

1 系統硬件組成

1.1 具有緩沖結構的混凝土泵送系統工作原理

高壓油從主油泵輸出到主換向閥、插裝閥，進入一主油缸的有桿腔，該活塞收回，同時油缸的無桿腔液壓油受擠壓，通過插裝閥進入另一主油缸的無桿腔，推動該活塞向外運動。當活塞向外運動到緩沖點時，泵送緩沖機構擺動機構液動換向閥在油壓差的作用下，換向閥換向。此時，液控閥也開始換向，從而使泵送系統主換向閥換向，泵送系統在主油泵的高壓油循環輸出下往復工作，實現混凝土的泵送工作[1]。

1.2 數據采集及分析系統總體框架

根據泵送系統工作原理，搭建的數據采集及分析系統的硬件構成見圖1。信號采集部分由壓力傳感器、流量傳感器、數據采集卡組成；數據分析部分由調理電路、屏蔽盒和中央處理器等組成。系統的基本工作原理是：混凝土泵車為被測對象，壓力傳感器將泵送系統壓力信號轉換為電壓信號，流量傳感器將流量信號轉換為脈沖信號。直接采集的傳感器信號比較微弱，也容易受到干擾，本系統采用調理電路對信號進行濾波和放大，數據采集卡的作用就是將經濾波放大后的模擬信號轉換為數字信號輸出給中央處理器處理[2]。

圖1 數據采集與分析系統總體框架

由于泵送系統工作時產生強烈的振動和沖擊，各油路的壓力和流量信號都表現出以下特點：信號本身的頻譜分布很寬，又受到各種干擾，造成波形亂，不規律；時變與非平穩性明顯；信號交變，不穩定；信號紊亂、脈沖波動大，同時出現許多峰值。針對這些信號特點，SCXI 系列信號調理模塊連接到測試系統進行放大和濾波處理來自傳感器的弱信號。

1.3 硬件的選擇

1） 信號傳感器的選擇。信號傳感器能將各種物理參數通過傳感器的傳感原理轉換成電信號，系統的測試精度需要傳感器性能來保證。

壓力傳感器：在對現場分析基礎上，選用上海自動化儀表有限公司生產的型號為BPR-40 的電阻應變式壓力傳感器采集液壓系統壓力信號。

流量傳感器：流量傳感器選用的是WEBSTER公司的LTE400 型渦輪流量計，其性能為：每轉脈沖數6 個、每升流量脈沖數146 個、最小輸出頻率15 Hz、最大輸出頻率800 Hz。其在測量低粘度、大流量油液時精度好，也有一定的動態響應。同時體積小、重量輕、使用方便，能夠滿足系統要求。

電流變送器：現場實驗測定主泵排量電流范圍為200～600 mA，故該系統選用北京萊姆電子有限公司生產的LEM 直流漏電流變送器，型號為CB-CNS6B1，可測量10～600 mA 的小電流信號。

2） 數據采集卡的選擇。本數據采集及分析系統，選用NI 公司生產的M 系列的PCI6232 數據采集卡。它具備單端和差分模擬量組合輸入方式，擁有16 路單端采樣率為250 kS/s 的16 位模擬輸入、2 路最大輸出率為500 kS/s 的16 位模擬輸出、6 路24 V 漏極或源極數字輸入、4 路源極數字輸出、2 個計數器/定時器和數字觸發功能。該數據采集卡還具備A/D 轉換和頻率計數功能，可對采集的壓力傳感器輸出的電壓信號進行A/D 轉換；對流量傳感器輸出的脈沖信號進行計數。因此，該采集卡能夠滿足本系統信號采集的要求。

2 數據采集及分析系統軟件

系統軟件設計主要內容：采集模塊、分析處理模塊、數據存儲模塊。其中采集模塊具備對采集集卡輸入數據的采集功能，同時還能做一些簡單的數據分析；分析處理模塊完成對采集信號進一步的分析，如時域分析、頻域分析等；存儲模塊把分析處理的結果保存。

2.1 系統功能

1） 人機交互。Labview 軟件功能強大，有與測控相關的大量前面板控件，如按鈕、表格、曲線，及專門的裝飾控件。操作員可以實時更改測試系統參數，確認現場運行數據，圖形界面簡單、方便、直觀。界面和實際的儀表表盤相似。

2） 數據采集與數據分析。NI 公司提供有豐富的數據采集硬件設備，能與Labview 建立通信，Labview 可通過其采集函數庫進行采集程序編寫，方法簡單方便。本系統對采集的壓力信號分別進行了時域統計分析和頻域功率譜、FFT 分析。

3） 歷史數據存儲。存儲模塊根據操作員要求，可將數據結果自動或手動保存到指定的電子表格中，可以很方便地調用，進行后續處理[3-5]。

2.2 系統程序操作主界面

前面板包括兩張選項卡，第一頁選項卡為測試結果，第二頁選項卡為數據分析和數據保存。前面板設置開始按鈕和停止按鈕控制測試系統的開始和停止，可隨時開始或者停止測試，操作相當方便；測試結果顯示選項卡主要通過數值顯示控件、波形圖表顯示測試結果，波形圖和多列列表用實時顯示數據分析結果，圖形界面簡單、方便、直觀。

測試系統前面板：前面板第一頁選項卡主要分為4 個框：上左框是控制程序開始停止的按鈕，上中框是采集的參數區域，上右框是緩沖流量的顯示區域，下面是主泵壓力、活塞進油口壓力、連通腔壓力的顯示區域。第二頁選項卡主要是數據分析的結構顯示。數據采集及分析系統前面板見圖2。

圖2 數據采集及分析系統前面板示意圖

3 現場實驗

現場試驗時，該數據采集及分析系統采用泵車調試場三相電經變壓后供電。首先將各傳感器安裝到指定的信號采集位置，沒有安裝孔的需設置相應的安裝孔。其中采集主泵壓力信號的壓力傳感器接入混凝土泵車液壓系統主換向閥進油油路上，采集活塞進油口壓力信號的壓力傳感器接入主缸進油油路上，采集連通腔壓力信號的壓力傳感器接入指定缸的進油油路上，采集緩沖通道流量信號的流量傳感器接入主缸緩沖通道上，通過引線傳感器信號輸出端接入數據采集卡，電源線接經變壓后的直流電源提供電能。所有采集到的信號通過數據采集卡輸入到計算機，完成混凝土泵車泵送系統的壓力和流量信號的采集，以便于后期的分析處理[6-7]。測試結果見圖3、圖4。

圖3 主泵壓力曲線圖

圖4 主泵壓力局部放大圖

該測試系統在硬件方面采取了濾波和放大的信號處理，在軟件方面也進行了軟件濾波處理，所以從圖3 和圖4 可看出，所采集的主泵壓力信號已不似原始波形的峰值波動過大，信號過于紊亂；在泵送穩定階段壓力波形比較平滑。從圖4 可知：液壓系統在3.65 s 換向時的主泵壓力變化值由80 ～110 MPa，壓力變化范圍明顯縮小，這說明了泵送壓實階段和換向階段的壓力突變范圍過大的現象得到改善。另外，從現場試驗也可以看出：活塞進油口壓力和連通腔的壓力曲線也比較平滑，壓力變化范圍也有明顯縮小；緩沖通道流量值顯示為42 L，這與該款泵車的實際緩沖流量比較接近。

4 結論

本項研究結合混凝土泵車泵送液壓原理，運用虛擬儀器軟件Labview 開發了混凝土泵車泵送系統數據采集與分析系統。該系統不僅實現對液壓系統中關鍵壓力和流量數據的采集，還能夠實時將數據顯示出來，分析結果可通過自動和手動方式錄入電子表格進行保存。現場試驗表明：該測試系統用戶操作界面友好，操作簡單，數據的記錄和整理更為方便, 為泵車泵送系統的研究提供了可靠的數據，可以極大提高液壓系統的實驗測試能力，促進混凝土泵車液壓系統的技術提升。