液压系统功率远程在线监测.pdf

2 0 1 0年 5月 第 3 8卷 第 l 0期 机床与液压 MACHI NE T 0OL ＆ HYDRAUL I CS Ma y 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ．1 0 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 0 ． 0 2 8 液压系统功率远程在线监测 张永超 ，魏秋 月 ，魏展鹏 ，谷立 臣 1 ．西京学院机 电工程 系，陕西西安 7 1 0 1 2 3 ；2 ．西安邮电学院，陕西西安 7 1 0 0 6 1 ； 3 ．陕西重型汽车有限公司，陕西西安 7 1 0 2 0 0；4 ．西安建筑科技大学，陕西西安 7 1 0 0 5 5 摘要为了监测液压系统的输入输出功率，设计一个数据采集系统，该系统实时采集液压动力系统电机的电流值和电 压值，利用无线数传模块将采集值向远程计算机发送。结合液压动力系统各环节效率参数，借助 MA T L A B强大的计算能 力，远程计算机即可获得液压动力系统的输入功率和输出功率。该方法为液压系统的远程状态监测提供了一种新的方法。 关键词无线数传；C O M组件 ； 权值矩阵；远程监测 中图分类号 r P 7 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 00 7 8 3 Re mo t e On l i n e M o n i t o r i ng a n d M e a s u r i ng o f Po we r f o r Hy dr a u l i c S y s t e m Z H A N G Y o n g e h a o ，WE I Q i u y u e ，WE I Z h a n p e n g ，G U L i c h e n 1 ． C o l l e g e o f M e c h a n o E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ，X i j i n g U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 1 2 3 ，C h i n a ； 2 ．Xi ’ a n Un i v e r s i t y o f Po s t a l Te l e c o mmu n i c a t i o n． Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 1． Ch i n a 3 ． S ha a n x i He a v y Du t y Au t o mo b i l e Co ．， L t d ．，Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 2 0 0， Ch i n a 4 ． Xi ’ a n U n i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y，Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 5 5．C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o mo n i t o r t h e i n p u t a n d o u t p u t p o w e r o f h y d r a u l i c s y s t e ms ，a d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m Wa S d e s i g n e d ． I n t h i s s y s t e m 。 c u r r e n t a n d v o l t a g e v a l u e s o f t h e mo t o r i n h y d r a u l i c p o we r s y s t e m we r e c o l l e c t e d r e a l t i me，a n d t h e e o H e e t e d v a l u e s w e r e s e n t t o t h e r e mo t e c o mp u t e r u s i n g wi r e l e s s mo d u l e ． T h e i n p u t a n d o u t p u t p o we r o f h y d r a u l i c p o w e r s y s t e m c o u l d b e g o t u s i n g MAT L A B i n r e mo t e c o mp ut e r ． Th e me t ho d p r o v i d e s r e f e r e nc e f o r t he r e mo t e c o n di t i o n mo n i t o ring o f h y dr a u l i c s y s t e ms ． Ke y wo r d s Wi r e l e s s d a t a a n s f e r ；COM c o mp o n e n t ；We i g h t ma t rix ；Re mo t e mo n i t o rin g 在机械设备 中，液压传动是主要传动方式之一。 液压系统具有响应快 、功率大、性能高等特点 ，被作 为一种 主要 动力装置 广泛应 用于各 种机械设 备中。然 而 ，液压 系统 由于其 特殊性 往往运 行于恶 劣环境 或不 宜靠近的工作场合 ，其在线状态监测和故障诊断很难 实现。目前 ，液压系统状态监测与故障诊断的主要参 数有油压、流量、温度、振动、功率和污染度等。在 这些参数 中 ，液压 系统 的功率损失一方 面会造成 系统 效率的下降，另一方面损失的能量会转变成热能，使 液压油的温度升高，油液变质导致液压设备 出现故 障。因而 ，功率的监测成为液压系统状态监测的重 点。为此 ，作者通过对液压动力 系统 电动机 的电流值 和电压值的实时采集来监测液压动力系统的输入功率 和输出功率 ，为液压系统的远程状态监测提供一种新 的实现方法 。 1 监测系统组成及工作原理 为了监测液压系统的输入输出功率 ，设计一个数 据采集处理系统 ，该系统主要由信号获取电路、低通 滤波电路、模数转换电路、单片机、无线数传模块和 图1 系统结构框图 在液压动力系统的电机上分别接入电流传感器和 电压传感器以及变送器组成信号获取电路 ，低通滤波 电路去除信号获取电路中产生的信号中的高频噪声干 扰。除噪后的信号进入模数转换电路使采集到的模拟 电流、电压信号转换为可以被单片机接收的数字信 号，单片机通过 R S 2 3 2接 口与无线远程发送模块进 行通信，并将采集到的数据向无线数传模块传递。无 线远程接收模块将传递过来 的数据送入远程 P C进行 运算处理，远程 P c将处理结果进行即时显示和必要 的报警。 2关键问题与解决途径 2 ． 1 液压 系统输 出功率的计算 电机从电网吸收的功率 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 2 1 作者简介张永超 1 9 7 7 一 ，男，硕士，助理工程师，主要从事机械、仪器仪表及其 自动化专业及相关领域的教学和研究 开发工作 。电话 1 3 8 9 1 9 8 5 4 2 8 ，Em a i l n i h a o z h r c h 1 2 6 ． c o rn。 第 1 0期 张永超 等 液压系统功率远程在线监测 7 9 P l 3 U 1 ， l c o s p 1 电机输出功率 P2 P1 叼 d 2 式中 叼 为电机效率 。 液压泵 的输入 功率 P i P 2 叼 3 式中 。 为弹性连轴器传递效率。 将式 1 、 2 代入式 3 可得 Pi 3 l ， I c o s p r ／ d 7 7 l 4 液压泵 的输 出功率 P。P i 叼 。 5 式中叩 。 为液压泵的效率。 将式 4 代入式 5 得 P。 3 U l I l c o s p r ／ d l 6 即P 。 P l 7 7 d l 。 7 式 7 为液压 系统 的输 出功率。 2 ． 2 交流电参数的测量 从式 7 可知 ，只要 测 出电流和 电压 的有效 值 及 电机的功率 因数 即 可通 过计 算 获得 系统 的输 入 功 率 ，根据输入功率，结合液压系统各环节的效率参 数 ，即可获得液压系统的输出功率。电流值 、电压值 及 功率 因数 可通 过准 同步采样 算法获得 。 根据准同步采样算法的理论基础 ，结合被测信号 的精度需要 ，可 以得到 电压有效值 、电流有效值 、有 功功率、视在功率、无功功率、功率因数的公式分别 如下 。 电压有效值 _ U √ 叩 u 8 电流有效值 ， √ 叼 9 有功 功率 nN P ， 叼 “ i 1 0 视在功率 SU I 1 1 无功功率 QJs 一 P 1 2 功率因数 p c o s b 1 3 工频情况下 ，电流与电压通过抗混叠滤波器后最 高谐 波 均 为 2 0次 ，信 号 的 频 率 变 化 范 围 为 4 9 5 1 H z ，需要确定电压有效值和有功功率 功率因数 大于 0 ． 2 ，要求测量误差 1 0 假定采样保持、 模数转换、数字运算等不产生误差 。 中心频率 5 0 H z ，选择采样时间间隔 ， V N 使对 实现同步采样 ，从 而 △ 一 2 1 T 0 ． 0 4 1 T ，按式 7 取 0 ． 0 2 △ 为采样时可能产 生的最大周期偏差 ， 。 取测有功功率和电压有效值时可能的最高谐波次 数 M 4 0 ，取 N 5 0 ，有 l I 0 ． 0 2及 l y l 1 0 一， 故取 n 3即能满足测量准确度要求 。 总采样 次数 Ln N11 5 1 次 ，采样 时间 间 1 1 隔 赢 。 。 4 2 ． 3 电机效率、油泵效率、联轴器效率等参数的 计算 如果直接测取电机、油泵和联轴器的效率则会 显著提高整个系统的成本 同时还会降低系统的实时 性 ，因而作者 采用人 工智 能 领域 中发展 迅速 的神经 网络 ，利用其 学习特性对效率 参数动态 值进行训 练，把经过训练的权值矩阵与其他已经测获的参数 相结合即可算出液压动力系统的输 出功率。此项工 作的难点是要进行大量的神经 网络训练来获得满意 的权 值矩 阵 。 3监测 系统硬件设计 该系统测量 电路 主要 由电流传感器、电压传感 器、变送器和接线端子组成。为使系统方便使用，电 流传感器和电压传感器选用 P C B连接方式的型号以 便与采集系统集成在同一块印制板上。电流传感器的 测量范 围视液压动力 系统 电机的额定参数而定 ，电压 传感器的测量范围一般略大于3 8 0 V。 由于液压 动力 系 统 的电机 一 般采 用 工频 电压驱 动，因而所采集到的电流信号是一个经工频调制的调 幅信号，所以该系统中要加入低通滤波电路以滤掉大 于5 0 H z 的高频信号。 模数 转换 部分采用 T L C 1 5 4 3组成 A ／ D转 换 电路 。 T L C 1 5 4 3是一种 集成多路 转换 的 1 1 通 道 l 0位 S P I 模 数转换器件 ，其片内有 1 4通道多路器 ，可选择 1 1 个 输入 中的任何 1 个或 3个 内部 自测试 电压 ，采样 保持 自动进行 。 该系 统 单 片 机 采 用 与 5 1指 令 系 统 兼 容 的 A T 8 9 C 5 2单 片机 ，该单 片机 具有 8 k B可 反复 擦写 的 程序存储器和 2 5 6 B的随机读写存储器 ，2个外中断 口和 2 个全双工串行通信 口，可以满足数据采集和与 P C机通讯 的需要 。 无线远程收发模块由小功率高速无线数传模块充 当。其具有良好的外部接 口和丰富的数据传输率供用 户选择。鉴于串口通信易实现和结构简便 ，该系统无 8 O 机床与液压 第 3 8 卷 线数传模块与数据采集系统和远程终端的通信均采用 串口通信方式。 4 监测系统软件设计 4 ． 1 通 讯模 块设 计 该系统中单片机和无线发送模块之间的通讯以及 无线接收模块和 P C机之 间的通讯均采 用 R S 2 3 2串行 口来完成 。 为使数据在各模块之间无差错的传送，该系统采 用通信协议来规约数据的传输。P c机、数传模块和 单片机的通信协议约定如下 波特率9 6 0 0 b ／ s 数据格式8位数据位 ，1 位停止位 ，无奇偶校 验 传送方式P c机、数传模块和单片机都采用查 询方式收发数据，传送的数据为二进制格式。单片机 收到 P C机经无线数传模块发送的握手信号 “ 5 5 ”后 就命令 A ／ D转换器开始转换并将转换结果 向无线数 传模块发送。P C机将收到的数据信息保存在特定的 堆栈中等待数据处理程序的调用。 4 ． 2数 据 处理模 块 设计 V i s u a l B a s i c 软 件更 适 于编 写程 序 的界 面 ，如 果 用来进行数据处理尤其是大量数据的运算时就显得力 不从心。而被誉为 “ 工业实验室” 的 MA T L A B则擅 长于数值处理和运算 ，该软件具有简洁丰富的应用函 数 ，可完成绝大部分工程数值的运算处理。如果把 V B和 M A T L A B结合起来则可发挥二者的优点从而提 高程序 的设 计质 量 。该 系 统首 先应 用 M A T L A B语 言 编写 电流信号 的解调程序 ，然后 通过 M A T L A B的 C o m t o o l 工具生成 可 以被 V B语 言调 用 的 C O M 组 件 ， 这样就可在 V B语言中利用 M A T L A B程序进行高效的 数值计算。 4 ． 3 功 率显 示模块 的设 计 由式 ‘ 7 结合电流有效值、电压有效值、功率 因数以及电机效率、联轴器效率和液压泵效率即可获 得液压动力系统的输出功率。 5 结束语 通过对远程电动机电流值和电压值的测量在线监 测液压动力系统的输入功率和输出功率，为液压动力 系统的远程在线状态监测提供了一种全新的方法。该 方法通过以单片机为核心的采集系统结合无线数传模 块并与 P c机软件系统的协调运作来完成。该方法的 应用将进一步扩大液压系统在线状态监测的应用范 围，为恶劣环境 中的液压系统在线状态监测提供参 考 。 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u n t r a c k i n g s y s t e m w i t h P L C c o n t r o l [ J ] ． E n e r g y C o n v e r s i o n a n d Ma n a g e m e n t ， 2 0 0 4， 4 5 1 9 311 93 9． 【 3 】 程子华， 刘小明． P L C原理与编程实例[ M] ． 北京 国防 工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 1 0 ． 【 4 】 王雪文． 太阳能电池板 自 动跟踪控制系统设计[ J ] ． 西 北大学学报 自然科学版， 2 0 0 4， 3 4 2 1 6 31 6 4 ． 【 5 】薛建国． 基于 H Y M 8 5 6 3和单片机的低功耗太阳能电池 自动跟踪系统设计 [ J ] ． 沈阳工程学院学报 自然科学 版 ， 2 0 0 5 2 1 1 3 1 1 6 ．