基于模块化仪器与数据库测试技术的液压系统自动检测系统设计.pdf

2 0 1 0年 3月 第 3 8卷 第 6期 机床与液压 MACHI NE T00L ＆ HYDRAUL I CS M 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 2 7 基于模块化仪器与数据库测试技术的液压系统 自动检测系统设计 姜小菁 ，杨小强 ，韩军 ，赵丽娜 1 ．金陵科技 学院，江苏南京 2 1 0 0 0 1 ；2 ．解放 军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 2 1 0 0 0 7 摘要介绍一种工程机械液压系统状态 自动监测系统。该系统以P X I 总线系统构成硬平台，采用了标准总线体系和模 块化仪器方案，由可更换适配器构成测试传感器与测试资源的物理连接，完成液压系统各种信号的调理。系统的软件设计 中采用了基于数据库的测试方法与面向对象的模块化程序设计方法，并以 L a b Wi n d o w s ／ C V I 为开发平台。该系统拥有良好 的可扩展性和工程实用性，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 I ；液压系统；自动检测系统 中图分类号T P 2 0 6 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 6 0 7 7 3 De s i g n o f Au t o ma t i c Te s t S y s t e m f o r En g i ne e r i ng M a c h i ne r y Hy dr a u l i c S y s t e m Ba s e d o n M o d u l a r I n s t r u me nt a t i o n a nd Da taba s e M e a s ur e me nt Te c h no l o g y J I A N G X i a o j i n g ，Y A N G X i a o q i a n g ，H A N J u n ，Z H A O L i n a 1 ． J i n l i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，P L A U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 7，C h i n a Ab s t r a c t A n a u t o ma t i c t e s t s y s t e m f o r h y d r a u l i c s y s t e m o f e n g i n e e r i n g ma c h i n e r y w a s p r e s e n t e d ． B a s e d o n t h e h a r d w a r e p l a t for m o f P XI b u s i n t e r f a c e s y s t e m a n d mo d u l a r i n s t r u me n t a t i o n，r e p l a c e a b l e a d a p t e r w a s a d o p t e d t o c o n n e c t me a s u r e me n t s e n s o r a n d t e s t r e s o u r c e o f h y d r a u l i c s y s t e m t o i mp l e me n t t h e s i g n a l s c o n d i t i o n i n g ．T h e mo d u l a r i z a t i o n a r c h i t e c t u r e，d a t aba s e me a s u r e me n t me t h o d a n d L a b W i n d o w s ／ CV I d e v e l o p i n g e n v i r o n me n t w e r e u s e d t o d e v e l o p t h e s o f t w a r e o f t h e a u t o ma t i c t e s t s y s t e m． Th e e x p a n s i b i l i t y a n d e n g i n e e r i n g p r a c t i c a b i l i t y o f t h i s s y s t e m a r e e x c e l l e n t a n d i t h a s wi d e l y a p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d i n h y d r a u l i c s y s t e m f a u l t t e s t a n d d i a g n o s i s for t h e e n g i n e e r i n g ma c h i n e ry ． Ke y wo r d s P XI b u s ；Mo d u l a r i n s t r u me n t ； L a b W i n d 0 ws ／ C VI ； Hy d r a u l i c s y s t e m ；Au t o ma t i c t e s t s y s t e m 随着电子技术 、自动化技术和微计算机技术的发 展 ， 自动化技术 和智能仪器技术在工程机械 中的应用 比例越来越高。如 J Y L 2 0 0 G型轮胎式挖掘机，就包 含了电源控制单元、发动机电子监控单元、液压系统 状态监测单元 、空调器监控单元等多个智能测控单 元。工程机械的维修保障和故障检测成为一个繁杂的 系统性的任务。以往多通过专业维修人员采用简单的 测试仪器等分体式仪器设备进行逐点测量与故障分 析 ，对维修检测人员的专业知识水平和现场经验要求 较高，且检测效率低。后来逐步开发的一些专用测试 设备 ，往往是 针对某种特定 的装备 ，通用 性较差 。作 者 在 分 析 G J T I 1 2型 推 土 机、G J z l l 2装 载 机 和 J Y 0 0 G挖掘机等几种典型工程机械液压系统的结构 组成与工作原理的基础上，结合虚拟仪器技术 、自动 测试技术等方面的最新研究成果，探讨构成适用于多 种工程机械液压系统的通用故障检测诊断平台，不仅 可以减少保障仪器设备的数量，而且可以大大提高检 测精度。 1 系统硬件组成与工作原理 工程车辆液压系统状态 监测 系统用 于监 测压力 、 流量、温度以及转速等 4大类共 2 0余个参数，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 l 6通道 压 力 、8通道 温 度 、6通道流量 、2通道转 速 。在对状 态参数进 行实 时检测和采集时，这 4类参数分别显示于一个通道， 用户可以对压力 、温度 、流量参数进行选择显示 ，同 时信号的实时波形、最大值 、平均值等也同步显示； 转速信号要求显示最大值及平均值。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 参数 和温度参数要有过载报警的功能 ，所 以报警要求 比较高。检测完成后，要求快速出具完整的测试报 告 。 根据上述要求，结合自动测试系统的硬件与软件 集成原 理，文 中检测诊断 系统采 用 “ 主控计算机 含嵌入式控制器 P X I 模块化仪器 程控仪器 连接器 一适配器”的结构方式。主控计算机通过标 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 0 4 作者简介姜小箐 1 9 7 0 一 ，女 ，硕士，讲师，主要从事机械设计及相关课程的教学与科研工作。联系人 杨小强，电 话 1 3 8 1 3 8 8 5 4 8 1 ，E～ m a i l y a n g l a b 1 2 6 ． c o rn。 7 8 机床与液压 第3 8卷 准总线连接 P X I 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 个测试系统的管理和控制，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。由于该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 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。 蠢 P 含 x I嵌 入 HI ‘蚕 式 控 制 器 J l 竺 ] GP I B ．臣 I垂亟 液 压 测 试 传 感 器 图 1 测试系统硬件总体方案 可更换适配器直接与液压系统测试传感器相连， 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 ，并可根据需要更换为适合不同自动化程度的液 压 自动测试调理模块。其结构图如图2所示。 连接 器模 块 PX I模 鹫 V PC 连 接 器 块 化 仪 器 系 统 适 配 器 图2 设计连接器 一 适配器结构图 2 系统的软件设计 2 ． 1 基 于数据库的测试方法 检测系统的软件设计中采用了基于数据库的测试 方法，其实质有别于传统 的检测系统数据库设计方 法，而是将统一测试与诊断过程以一定格式录入到数 据库中，由主控程序对数据库 中的测试流程解释执 行 ，完成工程机械液压系统的交互式测试与诊断。 在基于数据库的测试方法中，将检测结果数据和 测试流程分开，分别开发主调程序和测试数据库。其 具体结构如图3所示。主调程序完成数据库读取 、各 种面板显示、相应仪器驱动程序调用等功能。测试数 据库又分为配置数据库和结果数据库，由关系型数据 库管理系统管理这些数据。配置数据库按一定的格式 存储所有的供电电源及激励信号源参数 、工作负载设 置参数、测试通道设置参数、被测信号性能参数、测 试流程参数、程控指令等信息，检测结果数据库存储 测试的标准数据和结果数据。主调程序依次读取配置 数据库中的相应记录，分析不 同字段，执行相应操 作，完成测试任务。当其中任何一项需要改变时，只 需要修改数据库中的相应内容，而程序无须重新编译 和连接 ，这大大提高了软件的效率并且提高了系统的 可靠性。如果需要不断地增加测试项 目或测试种类， 只需增加数据库 中的内容或编写新器件的测试 主调程 序。这样，主程序始终保持一定大小，整个系统的维 护也非常容易 。当这 种方式编写的软件应用于另一系 统时，软件几乎不需要重新编写，只需修改数据库中 的内容即可。执行完一项测试，把测试结果填写到结 果数据库中去，接着执行下一项记录，直到测试全部 完成。主调程序将测试结果取回存储到数据库中，并 与数据库中的预定参数比较，确定检验结果的正确 性。程序运行中间可以跳转 、暂停或终止测试，大大 提高了软件的开发效率 、可重用性和可靠性。 图3 基于数据库的检测程序结构 2 ． 2 检测程序的 实现 该 系统 以 L a b wi n d o w s ／ C V I 为开 发平台 ，采用 了 上述的数据库测试程序开发手段 ，利用标准 c语言 开发 。软件的功能模块主要包括检测数据库、信号 采集、检测报警模块、故障诊断和网络通信模块等。 检测数据库主要用来存放各信号采集单元采集的工况 参数，通过数据库管理界面实现对检测数据的选择、 标定和校准等功能。检测报警模块根据检测数据判断 工作状况，当状态异常时发出报警。故障诊断模块是 软件的核心，可根据采集到的数据和用户人工输入进 行液压系统的故障诊断，给出诊断结论和维修措施 等。网络通讯模块使系统可通过 I n t e r n e t 和远程监测 与故障诊断中心进行通讯，并使用 D a t a S o c k e t 技术将 本地数据库中的数据导人远程监测与故障诊断中心数 第6期 姜小菁 等基于模块化仪器与数据库测试技术的液压系统自动检测系统设计 - 7 9 据库，构成基于数据库的检测系统，实现了工程机械 液压系统的远程监测与故障诊断。程序流程图见图4 。 网络通信模块 远程监测 与 故 障诊 断 数据库管理 工 数据采集 故障诊 断模块 故障解释 神经 网络推理 数据预处理l J 网络知识库J 卜 _ 畜 ■ 图4 系统软件结构图 2 ． 3 监 测报 警模 块 根据各个传感器采集到的液压系统工况信号，采 用单参数阈值报警和多参数综合分析报警两种方式进 行当前系统状态的预测和预报。单参数报警是将单个 工况参数的测试数据与其设定的正常工况阈值进行比 较 ，根据差别程度的不同进行分级报警 ；多参 数报警 首先将几个关键工况参数 的测试值进 行归一 化处理 ， 然后进行综合的故障诊断 采用神经网络方法 ，给 出系统级 的状态提示 。 2 ． 4 故障诊断模块 工程机械液压系统结构的复杂性使得其故障具有 多层次性、模糊性和不确定性等特点，而且该系统要 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，将监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 网络的形式存储在神经网络的连接权中，最后，通过 神经网络输入量的计算就可以完成故障诊断与分析。 3 结束语 作者研制的工程机械液压系统状态监测系统是一 个开放式系统，硬件设计中应用了P X I 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／ C V I 操作平台，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，提出了基于模块化仪器技术和数据库技术的检 测系统设计方案，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 】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 ． 【 2 】 宋宇峰． L a b W i 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 ． 【 3 】彭树梁． 液压挖掘机液压系统故障诊断与排除[ J ] ． 露 天采矿技术， 2 0 0 3 2 2 42 5 ， 2 8 ． 【 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 ， l 1 8 6 3 8 6 4 O． 上接 第 6 6页 到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用 时，系统控制器的结构和参数需要根据经验和现场调 试来确定。这时应用 HD控制技术最为方便 ，即利用 比例 、积分 、微分计算出控制输 出量进行控制。实 际 采用 L G 1 2 0系列 P L C作为变 频器 的主控系统 ，利用 P L C内置的 P I D模块对变频器进行 HD控制。L G 1 2 0 P L C内集成了 8 路 P I D控制输出，使用非常方便 ，只 需要设置好比例系数、积分系数 、微分系数即可。由 于实际的液压泵的运行转速不能超过 2 5 0 0 r ／ m i n ，因 此对 P L C内置 的 P I D输 出可 以进 行输 出 限制设 置 ， 保证 电机 的转速不超过液压泵的转速上 限。在对 P I D 的参数进行 设 置时 参数 配置 可 以参 照 L G 1 2 0相 关 手册 ，同时考虑到 电机 的 惯性 和电机 运行的平稳性 ， 设定 P I D的扫描控制周期 为 1 S ，以保 证 电机 调速 的 稳定 和 准 确 。图 4为 P L C 的 P I D控制梯形 图。 一 图 4 P L C内置 P I D 指令控制图 图4中，P 0 0 4 1 为 P L C给变频器的起动信号，指 令 HD 8 0 0 0 0 0 D 0 0 1 0是对 P L C内第 1路 P I D根据预 先设置的给定值 、反馈值及其他边界条件进行运算， 运算状态存储在 D 0 0 1 0寄存器中，HD运算结果将保 存在寄存器 D 0 0 1 1中，并输出给 D A寄存器 D 4 9 8 2 ， 通过 P L C的D A模块输出给变频器，控制电机按照预 先设定值运行。 4 结束语 该系统在某军用发动机散热器生产厂家通过测试 并投入运用 ，电机转速的调节精度为 1 r ／ m i n ，电机 和风扇的转速检测精度为 1 r ／ m i n ，能够满足对液压 马达风扇调速测试的生产需 要。通 过设计合理 的 P I D 控制参数，在对电机转速的调节过程中，电机转速超 调量小 ，转速调节响应快 ，系统运行平稳 。因此采用 锁相环技术对转速进行高精度检测 ，结合 P L C 内 置的数字 P I D的算法，可 比较方便理想的实现对 电机高精度调速。 参考文献 【 1 】L G 1 2 0用户手册 ， 2 0 0 4 ． 【 2 】赵庆龙 ， 胡大邦． 变频液压调速系统速度控制研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 3 1 5 7 ． 【 3 】 施奈德 A T V 5 8 系列变频器用户手册， 2 0 0 6 ． 【 4 】黄凤娟． 用锁相环 C D 4 0 4 6 实现电动机转速测量的研究 [ J ] ． 重庆科技学院学报 自然科学版， 2 0 0 7 1 4 9 5 2 ．