基于PXI模块化仪器的液压系统状态检测系统设计.pdf

基 于 P XI 模 块 化 仪 器 的 液 压 系 统 状 态 检 测 系 统 设 计 口任焱唏 口杨小强 z 口韩军 。 口高亚明 口杨有明 1 ． 总装工程兵科研二所 北京 1 0 0 0 9 3 2 ． 解放军理工大学 南京 2 1 0 0 0 7 摘要介绍 了一种工程装备液压 系统状 态检测诊 断系统。 该 系统以 P X I 总线 系统构成硬 平 台， 可更换适配 器构成 液压 系统测试传感器与测试 资源的物理连接 与各种信号的调理 ， 以 L a b wi n d o w s ／ c V I 构成软平台。 系统硬 件设计 中采 用了 标 准总线体 系和模块化仪 器方案 ， 软 件设计 中也采 用 了模 块化结构 ， 使 系统拥有 良好的 可扩展性 和X ．- 程 实用性 。 实践表 明， 该 系统在 工程车辆的液压 系统检测和故障诊 断领域具有广 阔的应用前景 。 关键词 P X I 总线模块化仪器L a b Wi n d o w s ／ C V l 液压 系统 状态检测 中图分类号 T H1 3 7 ； T P 2 7 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 0 0 70 0 7 0 0 3 P XI模 块 化 仪 器 平 台 是 在 C o mp a c t P C I总 线 基 础 上 ， 吸 收 了 VXI总 线 的 一 些 特 点 和 设 计 思 路 设 计 而 成 的 。 P XI 总 线 是 P C I总 线 面 向 仪 器 领 域 的 扩 展 ， 其 目的 是 吸 取 台式 P C机 的性 价 比高 的 优 点 以 及 VXI总 线 实 现 高 性 能 模 块 的 一 些 做 法 ， 形 成 了 价 位 以及 性 能 居 于 VXI总 线 平 台 与 P C插 卡 式 平 台 之 间 的 新 一 类 虚 拟 仪 器 平 台 。 本 文 介 绍 一 种 利 用 虚 拟 仪 器 技 术 ， 以 P XI 总 线 测 试 系 统 构 成 的硬 平 台 和 L a b wi n d o w s ／ cv I构 成 的 软 收稿 日期 2 0 1 0 年1 月 平 台 为 基 础 ⋯ ， 自行 开 发 的 液 压 系 统 的 状 态 检 测 与 故 障 诊 断 系 统 。 该 系 统 充 分 利 用 P XI总 线 测 试 系 统 的 模 块 化 、 高 可 靠 性 和 软 件 设 计 的 灵 活 多 样 等 特 点 ， 实 现 对 工 程 车 辆 与 装 备 液 压 系 统 的 状 态 检 测 、 全 面 评 价 、 故 障 隔 离 、 故 障定 位 ， 为 工 程 车 辆 的 使 用 、 保 养 、 维 修 提 供 科 学 的 依 据 。 1 系统硬件组成与工作原理 2 1 2 程 车 辆 液 压 系 统 状 态 检 测 与 诊 断 系 统 是 对 各 种 尺 下 垫 两 块 高 度 均 为 的 量 块 ， 一 同 放 置 在 平 板 上 ， 百 分 表 的 测 头 与 平 板 接 触 ， 旋 转 表 盘 ， 使 指 针 对 准 零 。 量 块 的 高 度 由 连 杆 大 头 孑 L 的 实 际 孔 径 之 半 所 确 定 。 检 测 杆 盖 如 图 5 所 示 ， 将 检 具 的 平 尺 放 置 在 杆 盖 的 结 合 面 上 ， 慢 慢 移 动 平 尺 ， 使 百 分 表 测 头 移 至 杆 盖 半 孑 L的 最 深 处 指 针 显 示 的 读 数 为 最 小 时 即 到 达 半 孔 的 最 深 处 ， 此 时 指 针 偏 离 零 位 的 数 值 即 为 杆 盖 的 半 径 差 。 用 同 样 的 方 法 可 检 测 出 杆 身 的 半 径 差 ， 如 图 6 所 示 。 同 一 连 杆 的 杆 盖和 杆 身半 径 差 的绝对 值 是相 等 的 ， 实 际 检 测 时 杆 盖 与 杆 身 两 者 选 一 即 可 ， 这 个 半 径 差 的 倍 数 就 是 连 杆 的 杆 盖 与 杆 身 结 合 面 对 大 头 孔 轴 线 的对 称 度 误 差 。 本 例 百 分 表 指 针 偏 离 零 位 的 数 值 ≤0 ． 0 6 2 5 mm 对 称 度 公 差 值 之 半 为 合 格 。 2 ． 3检 -g-．比 较 检 测 法 2 01 0／7 如 图 5 P i 示 ， 将 检 具 的 平 尺 放 置 在 杆 盖 的 结 合 面 上 在 这 之 前 检 具 不 必 用 量 块 在 平 板 上 对 零 ， 慢 慢 移 动 平 尺 ， 使 检 具 的 百 分 表 测 头 移 至 零 件 半 孔 的 最 深 处 ， 记 下 百 分 表 读 数 M。 ， 用 同 样 的 方 法 检 测 杆 身 ， 如 图 6 所 示 ， 记 下 百 分 表 读 数M2 ， 两 次 检 测 百 分 表 读 数 差 值 的 绝 对值 I ， 一 I即为 被测 连 杆 的杆 盖与 杆身 的结 合 面 对 大 头 孔 轴 线 的对 称 度 误 差 厂 。 本 例 厂 ≤0 ． 1 2 5 ram 对 称 度 公 差 值 为 合 格 。 3 总结 检 具 对 零 检 测 法 和 检 具 比 较 检 测 法 的 特 点 是 检 具 结 构 简 单 ， 操 作 方 便 ， 宜 在 生 产 现 场 进 行 。 值 得 注 意 的 是 图 样 上 连 杆 大 头 孔 的 轴 线 是 基 准 要 素 ， 杆 盖 和 杆 身 的 结 合 面 是 被 测 要 素 ， 实 际 检 测 时 ， 检 具 在 结 合 面 上 定 位 检 测 大 头 孔 ， 被 测 要 素 和 基 准 要 素 被 互 换 ， 而 使 检 测 基 准 与 设 计 基 准 不 一 致 ， 有 可 能 会 产 生 检 测 误 差 。 但 该 零 件 的对 称 度 公 差 较 大 ， 当 大 头 孑 L 的 圆 度 、 结 合 面 的平 面 度 均 较 好 时 ， 这 个 检 测 误 差 可 忽 略 不 计 。 △ 编 辑 小 前 机械制造4 8 卷 第5 5 1 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工 况 下 工 程 车 辆 装 备 液 压 系 统 的 压 力 、 流 量 、 温 度 以 及转 速 等 4 种 参 数 同时 进行 测 试 ， 所 以参 数 设 置 比较 复 杂 。 该 系 统 共 有 3 2 个 通 道 ， 根 据 实 际 测 试 需 要 分 配 通 道 数 为 1 6 通 道 压 力 、 8 通 道 温 度 、 6 通 道 流 量 、 2 通 道 转 速 。 数 据 采 集 时 ， 需 要4种 参 数 同 时 各 显 示 一 个 通 道 ， 要求 显 示 通道 可 以 由用 户 选 择 ， 压 力 、 温度 、 流 量 参 数需 要 显示 实 时波 形 、 最 大 值 、 平 均值 等 ， 转速 要 求 显 示 最 大值 及 平 均值 ， 所 以实 时 显 示 的要 求 比较 多 。 该 系 统 不 但 要 求 程 序 运 行 出 错 报 警 ， 还 要 求 在 实 时 显 示 的 同 时 ， 压 力 、 温 度 参 数 要 有 过 载 报 警 的 功 能 ， 报 警 要 求 比较 高 。 测 试 完 成 后 ， 要 求 快 速 出 具 完 整 的 测 试 报 告 。 1 ．1 总 体 结 构 设 计 根 据 上 述 要 求 ， 结 合 自动 测 试 系 统 的 硬 件 与 软 件 集 成 原理 ， 系统 硬件 的总 体结 构 采 用 “ 主 控计 算 机 含 嵌 入 式 控 制 器 P XI 模 块 化 仪 器 程 控 仪 器 连 接 器 一适 配 器 ” 的 结 构 方 式 ， 如 图 1 所 示 。 主 控 计 算 机 通 过 标 准 总 线 连 接 P XI 模 块 化 仪 器 、 程 控 设 备 和 外 部 资 源 ， 测 试 资 源 和 被 测 液 压 系 统 之 间 通 过 连 接 器 一适 配 器 结 构连接 。 计 算机 运行 系统 软件 和测 控程 序 ， 实现 对整个 检 测 系 统 的 管 理 和 控 制 ， 并 通 过 各 种 标 准 总 线 与 测 试 仪 器 连 接 ； 标 准 连 接 器 对 上 实 现 与 模 块 化 仪 器 相 连 接 ， 对 下 通 过 连 接 器 与 信 号 调 理 模 块 相 连 ， 测 试 仪 器 和 矩 阵 开 关 共 同 构 成 整 个 测 试 系 统 的 资 源 ， 完 成 测 试 和 激 励 功 能 ； 测 试 资 源 与 各 种 被 测 液 压 系 统 之 间 通 过 连 接 器 一适 配 器 接 口 相 连 接 。 连 接 器 与 测 试 资 源 相 对 应 ， 是 测 试 资 源 对 外 的 统 一 标 准 接 口 ； 适 配 器 与 被 测 对 象 相 对 应 ， 针 对 一 种 被 测 对 象 只 需 要 更 换 适 配 器 模 块 就 可 以 完 成 该 对 象 的 测 试 ， 从 而 较 好 地 实 现 了 系 统 的 通 用 性 。 由 于 本 通 用 测 试 系 统 中 的 测 试 资 源 不 直 接 面 向 用 户 ， 而 是 通 过 标 准 的 连 接 器 接 口提 供 给 用 户 ， 这 样 系 统 的测 试 资 源 可 以 根 据 实 际 需 要 进 行 灵 活 的 配 置 。 同 时 传 感 器 xI 嵌入式控制 x I 模块化仪 G P I B 、U S B 外部资源 开 关 矩 阵 模 块 I ▲图1 检测系统硬件总体方案 适配器 模块 传 感器激 连 接器模块 一 MAX4 0 5l 励 电源模 屯 - 块 阵 t _ J 、 P XI 模 块化仪 器系统 模拟 输入 连 连 vP C 连接 器 ， 多路 开关 传 感 器信 接 接 号调理 与 端 器 智 能 i}{ 别 斗 模 块 ▲图2 连接器 一适配器结构 图 机械制造 4 8 卷 第 5 5 1 期 由 于 连 接 器 接 口 的 标 准 性 和 统 一 性 ， 可 以 根 据 不 同 的 需 要 ， 开 发 不 同 的 适 配 器 ， 增 加 了系 统 的扩 展 性 和 灵 活 性 。 系 统 的传 感 器 选 用 上 海 8 1 2 所 、 中 航 机 电 公 司 等 单 位生 产 的 压力 、 温度 、 流量 和 转 速传 感 器 。 检 测 系统 的 硬件 总体 方案见 图1 。 1 ． 2 PXI模 块 化 仪 器 设 计 与 选 型 P XI 模 块 化 仪 器 资 源 的 选 用 和 搭 配 应 充 分 考 虑 被 测 对 象 的 测 试 需 求 和 系 统 扩 展 能 力 。 因 系 统 采 用 标 准 P XI 机 箱 嵌 入 式 控 制 器 结 构 ， 故 系 统 不 需 要 0 槽 等 模 块 。 P XI测 试 资 源 主 要 包 括 数 字 万 用 表 模 块 、 AD 模 块 、 DA 模 块 、 任 意 波 形 发 生 器 模 块 、 示 波 器 模 块 、 数 字 1 0模块 、 模 拟 1 0模 块 、 定 时 器模 块 、 多 路开 关模 块 、 矩 阵 模 块 、 计 数 器 模 块 等 。 数 字 万 用 表 模 块 该 模 块 与 多 路 开 关 配 合 以 实 现 多 路 扫 描 系 统 ， 实 现 对 低 速 、 高 精 度 信 号 的 采 样 。 A D 模 块 完 成 小 信 号 和 慢 变 信 号 的测 试 。 DA 模 块 提 供 测 试 系 统 所 必 需 的 激 励 信 号 、 自校 准 信 号 等 。 示 波 器 模 块 选 用 2 通 道 示 波 器 模 块 ， 实 现 对 交 流 快 变 信 号 的测 试 。 数 字 I O 模 块 实 现 对 数 字 信 号 的 输 入 、 输 出操 作 。 多 路 开 关 和 矩 阵 模 块 完 成 信 号 通 路 的 切 换 和 信 号 的 隔 离 。 定 时 器 计 数 模 块 完 成 具 有 严 格 时 间 约 束 的 测 量 任 务 。 1 ． 3连 接 器 一适 配 器 结 构 设 计 可更 换 适 配 器直 接 与 液 压 系统 检 测传 感 器 相 连 ， 其 内 部 嵌 入 了 适 合 于 各 种 液 压 系 统 测 量 的 传 感 器 调 理 模 块 ， 完 成 液 压 传 感 器 的 电 源 激 励 、 型 号 识 别 、 信 号 转 换 放 大 与 隔 离 等 功 能 。 根 据 工 程 机 械 液 压 系 统 特 点 ， 适 配 器 模 块 可 以 方 便 地 更 换 为 适 合 不 同 自动 化 程 度 的 液 压 自动 测 试 调 理 模 块 。 其 结 构 如 图 2 所 示 。 2系统 的软 件系统 设计 该 系 统 以 L a b Wi n d o w s ／C VI 为 开 发 平 台 ， 利 用 标 准 c语 言 开 发 。 液 压 系 统 的 故 障 检 测 内 容 包 括 标 准 参 数 值 库 、 液 压 系 统参 数 库 、 故 障信 息 库 等数 据 库文 件 ， 因 此 程 序 开 发 结 合 数 据 库 进 行 ， 利 用 L a b S QL扩 展 包 和 S QL S e r v e r数 据 库 开 发 平 台 开 发 了 系 统 的 整 个 软 件 系 统 。 L a b Wi n d o ws ／C VI 是 一 种 交 互 式 C 语 言 虚 拟 仪 器 开 发 平 台 ⋯ ， 将 C语 言 与 用 于 数 据 采 集 分 析 和 显 示 的 测 控 专 业 工 具 有 机 地 结 合 起 来 。 C VI的 开 发 环 境 由用 户 界 面 编 辑 器 、 c语 言 和 丰 富 的 驱 动 函 数 库 等 组 成 。 方 20l 0／7 回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 便 的界 面 编 辑 工 具 提 供 了开 发 界 面 友 好 的 专 业 测 控 程 序 界 面 的 手 段 ， 而 其 更 为 强 大 的 各 类 函 数 库 则 为 用 户 开 发 应 用 程 序 提 供 了基 础 。 检 测 系 统 软 件 采 用 模 块 化 结 构 ， 基 于 数 据 库 设 计 ， 将 故 障 检 测 诊 断 程 序 与 测 试 数 据 分 开 ， 即 把 检 测 任 务 流 程 按 规 定 要 求 写 入 数 据 库 中 ， 系 统 通 过 操 作 数 据 库 来 控 制 检 测 过 程 。 系 统 的 主 界 面设 计 为 主 菜 单 和 下 拉 菜单形 式 ， 各 功能模 块 通过 莱单 调用来 实现 。 主 菜单有 4 项 ， 分 别 是 “ 文 件 管 理 ” 、 “ 数 据 采 集 ” 、 “ 故 障 检 测 ” 和 “ 帮 助 ” 等 见 图 3 。 液压系统状态检测与故障诊断系统 硬 件 检 测 模 块 文 件 管 理 模 块 数 据 采 集 模 块 故 障 检 测 模 块 萋萋{J蓁l l蓁 J I l J蓁J J蓁 J J冀 J J蓁 系 统 帮 助 模 块 诊 断 报 ＆ 口 生 成 l 竺 壁 堡 里 下 面 仅 介 绍 其 主 要 功 能 模 块 的 设 计 与 特 点 。 2 ． 1硬 件 检 测 报 警 模 块 主 要 是 完 成 对 计 算 机 和 测 试 系 统 之 间 工 作 状 态 的 自我 检 查 与 测 试 ， 如 测 试 地 址 、 中 断 级 和 通 信 传 输 速 率 等 ， 检 测 数 据 采 集 卡 的 配 置 与 工 作 状 态 ， 如 系 统 自检 不 能通过 ， 则 提示相 应信 息 ， 终 止程 序运 行 。 另外 ， 传感器 的 接 入 状 态 、 型 号 识 别 及 传 感 器 故 障 判 别 等 也 由 该 模 块 完 成 。 2 ． 2过 程 数 据 采 集 提 供 液 压 系 统 工 作 状 态 数 据 采 集 功 能 。 过 程 数 据 采 集 主 要 用 于 对 液 压 系 统 各 个 测 点 所 测 得 的 工 况 参 数 进 行 连 续 记 录 ， 记 录 过 程 中 同 步 显 示 相 应 数 据 ， 此 时 如 按 下 主 界 面 的 存 贮 图 标 按 钮 ， 则 将 所 记 录 的 工 况 数 据 以 数 据 文 件 格 式 存 贮 于 数 据 库 系 统 中 ， 并 将 其 输 出 到 U盘 或 其 他 外 接 存 储 介 质 中 见 图 4 。 2． 3故 障 阈 值 设 定 工 程 机 械 液 压 系 统 的 各 个 测 点 的 参 数 测 量 值 随 转 速 、 负 荷 等 工 况 在 不 断 变 化 。 对 其 故 障 进 行 判 断 和 识 别 时 ， 必 须 在 不 同 的 工 况 下 检 测 各 测 点 的 参 数 值 ， 并 与 标 准 值进 行 比较 从 而进 行 故 障 的诊 断 。 故 障 阈值 的重 新 设 定 功 能 为 使 用 和 维 修 人 员 提 供 了 随 时 更 新 和 修 改 标 准 参 数 值 的 能 力 ， 便 于 故 障 的 检 测 与 诊 断 。 2 0 1 0／ 7 豫瞳辎臻黼雒 i j 鬃 嚣 滋稽 l 蕾母 誊 群 灏 簸 淄 蓉 i i i g 茹 誊 糯 l ～ 椭 I 鬈 嚣 麓 l f 糍 一 ⋯ 鬻 冀 霹 警 5￡ 一 秘窭 l 避 夔 * i 蝴磷黼 矗 登 罐 瀚 ；辍 嬲孽 爨 蘩 麓 囊 Ⅲ檀 鹕 ≥ ▲图4 过程数据采集界面 2 ． 4故 障 检 测 诊 断 工 程 机 械 液 压 系 统 结 构 的 复 杂 性 使 其 故 障 具 有 多 层 次 性 、 模 糊 性 和 不 确 定 性 等 特 点 ， 而 且 本 系 统 要 求 实 现 故 障 的 在 线 诊 断 和 离 线 分 析 两 种 功 能 ， 因 此 故 障 诊 断 模 块 采 用 了神 经 网 络 算 法 模 型 。 故 障诊 断模 块 工 作 时 ， 将 检 测 数 据 库 中采 集 的数 据 取 出 并 进 行 预 处 理 ， 作 为 神 经 网络 处 理 模 块 的 输 入 量 ， 神 经 网 络 的输 出 量 代 表 故 障 诊 断 的结 果 。 首 先 对 神 经 网 络 进 行 训 练 学 习 ， 即 将 特 定 故 障 对 应 的 状 态 参 数 作 为 样 本 ， 建 立 较 全 的 样 本 库 ， 然 后 用 所 有 的样 本 对 神 经 网 络 进 行 训 练 ， 这 样 就 可 以将 样 本 库 的知 识 以 网 络 节 点 的形 式 存 储 在 神 经 网 络 的 连 接 权 值 数 据 矩 阵 中 ， 最 后 ， 通 过 神 经 网 络输 人 量 的计 算 完 成 故 障 诊 断 与 分 析 。 3 结束语 本 文 研 制 的 工 程 机 械 液 压 系 统 状 态 监 测 与 故 障 诊 断 系 统 是 一 个 开 放 式 系 统 ， 硬 件 设 计 中 应 用 了 P XI 标 准 测 控 仪 器 总 线 技 术 和 模 块 化 仪 器 系统 方 案 ， 并 采 用 了虚 拟 仪器 L a b Wi n d o w s ／ c vI 平 台开 发 ， 能 够 满 足 液 压 系 统 状 态 实 时 监 测 与故 障 诊 断所 要 求 的 高 处 理 能 力 ， 并 且 适 合 于 工 程 机 械 特 殊 的 工 作 环 境 。 系统 在 硬 件 和 软 件 上 都 具 有 较 强 的 扩 展 能 力 。 根 据 工 程 机 械 液 压 系 统 故 障 的 特 点 ， 提 出 了传 统 专 家 系 统 、 人 工 神 经 网 络 技 术 和 在 线 数 据 采 集 与 处 理 技 术 相 结 合 的 诊 断 方 案 ， 对 工 程 机 械 其 他 系 统 的 监 测 与 诊 断 具 有 很 好 的 参 考 价 值 。 参 考 文 献 [ 1 】 宋宇峰． L a b Wi n d o w s ／ C V I 逐步深入与开发实例 [ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】 郭霞． 扫雷装备电控 系统通用 自动测试系统研究 [ D】 ． 南 京 解放军理工 大学 ， 2 0 0 7 ． 【 3 】 张立 刚 ， 乔立岩． 虚拟仪器 软件开发环境 L a b Wi n d o w s ／ C V I 6 ． 0编程指南【 M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ] 任 焱唏 ， 李 青霞 ， 陈俊达 ， 等． 基于软件的智能传感器 的设 计 与实现 [ J ] ． 计算机测 量与控制 ， 2 0 0 3 ， 1 1 8 ． [ 5 】 彭树梁． 液压挖掘机液压系统故障诊 断与排除 【 J l1 ． 露天采 矿技术 ， 2 0 0 3 2 ． △ 编 辑 功 成 机械制造4 8 卷 第 5 5 1 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m