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2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 l 3期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 2 5 基于 L a b V I E W的变转速液压监测系统设计 彭天好，胡佑 兰，朱刘英 安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 2 3 2 0 0 1 摘要基于L a b V I E W技术，以泵控马达变转速节流复合调速系统为研究对象，对其参数监测系统进行了设计，主要介 绍了实验系统的工作原理，监测系统的组成结构及软件实现。该系统编程较简单、直观，人机界面友好，具有 良好的开放 性和可扩展性 ，能更好地满足变转速液压动力系统动态参数监测的需要。 关键词 L a b V I E W；变转速液压 ；监测 中图分类号T P 3 9 1 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 30 8 23 De s i g n o f Va r i a bl e S p e e d Hy dr a u l i c M o n i t o r i ng S y s t e m Ba s e d o n La b VI EW P ENG T i a n h a o， HU Yo u l a n， ZHU Li uy i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， A n h u i 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 g y ，H u a i n a n A n h u i 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n L a b V l E W t e c h n o l o g y，t h e p a r a me t e r mo n i t o ri n g s y s t e m o f a p u mp c o n t r o l mo t o r v a r i a b l e s p e e d t h r o t t l e c o n b i n a t i o n g o v e r n i n g s y s t e m W as r e s e a r c h e d ． T h e wo r k i n g p rin c i p l e o f t h e e x p e ri me n t a l s y s t e m．t h e mo n i t o ri n g s y s t e m’ s s t r u c t u r e a n d s o f t w a r e i mp l e me n t a t i o n w e r e i n t r o d u c e d ． T h i s p r o g r a mmi n g s y s t e m i s s i mp l e ， i n t u i t i v e ， an d f rie n d l y ma n ma c h i n e i n t e r f a c e，an d h a s a g o o d o p e n n e s s a n d e x t e n s i b i l i t y，t h e s y s t e m i s a b l e t o me e t t h e v a ria b l e s p e e d h y d r a u l i c p o w e r s y s t e m’ S d y n a mi c p ara me t e r mo n i t o ting b e t t e r ． Ke ywo r dsLa b VI EW ； Va r i a b l e s p e e d hy dr a ul i c； Mo ni t o ring 液压动力 系统 中的压力 、流量 、油液温度 、电机 及马达的转矩、转速等这些物理参数反映了系统的工 况及运行状态 ，往往需要对这些参数进行实时测试。 传统的基于 P C机技术的液压动力参数监测系统多以 c语 言为开发平台 ，编程复杂 、费时 、费事 ，界 面难 以做到人性 化。而应 用 虚 拟仪 器 L a b V I E W 编程 技术的监测 系统 ，具有编程简单 、高效 、直观 、较易 编制更符合人性化的人机界面，并且维护方便，功能 扩展和软件升级都容易实现 。作者基于 L a b V I E W 编程技术 ，以泵控马达变转速节 流复合调速系统为研 究对象 ，对其参数监测系统进行 了研究 ，主要介绍 了 实验系统的工作原理 ，监测系统 的组成结构及软件实 现。该 监测 系统利用 L a b V I E W 软件的 图形化软 面板 、 丰富的数据处理库以及模块化设计思想，实现了对变 转速液压动力系统多参数的实时采集、记录、分析、 处理及 报警 。该系统编程较简单 、直观 ，人机界 面友 好 ，具有 良好 的开放性和可扩展性 ，能更好地 满足变 转速液 压动力 系统动态参数监测 的需要 。 1 变转速液压实验系统 变转速液压技术是一种新 型节能技术 ，泵控马达 变转速调速系统是变转速液压传动系统中一类基本的 4 1 一 变频器2 一 电机 3 一 主泵4 一单向阀5 一截止阀 6 一压力传感器7 一比例方向阀 8 一马达9 一惯性轮 1 0 一转矩转速传感器l 1 一柱塞泵1 2 一倒装阀 1 3 一 补油泵 l 4 一电机 1 5 一比例溢流阀 1 6 一A ／ D转换 器1 7 一计算机控制系统 1 8 一D ／ A转换器 1 9 一 比 例溢流阀2 0 一扭矩转速测量仪 图 1 实验装置原理图 传动系统，但是变转速调速系统存在响应慢、快速加 速及快速减速特性差、速度刚性随负载变化大等缺 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 3 基金项目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 8 7 5 0 0 1 作者简介 彭天好 1 9 6 4 一 ，男，博士，教授，硕士研究生导师，主要研究方向为机电一体化及液压节能传动等。电话 1 3 8 05 5 41 9 09， Ema i l T hp 1 9 0 9 1 63 ．c o m 。 第 l 3期 彭天好 等基于 L a b V I E W 的变转速液压监测系统设计 8 3 点 ，限制了这种 节能传 动系统 的普及及 发展 。泵 控 马达变 转速 节 流复 合 调 速 系 统是 由变 频 器 、电 机 、 泵 、流量 控制 阀和 马达 组合 而成 的一种 液压 传 动 系 统 ，该 系统调节灵 活 ，方便 ，响应速度快 ，而且能耗 小 。 图 1 是泵控 马达变转速节 流复合调速实验 系统原 理 图。三相电源接入变 频器 1的输入侧 ，经过变频 器 的控制信号，变频器 1 将 3 8 0 V ／ 5 0 H z 的工频电源变 换成特定 电压信号供给异步 电机 2 ，电机 2带动主 液 压泵 3 旋转 ，主泵 3输 出一定流量的压力油 ，压力油 经单向阀4 、截止阀 5和比例方向阀 7驱动双向定量 马达 8做 回转运动 ，马达 8出油 口的低压油 经比例方 向阀再流 回油箱 。 2监测系统组成结构 系统由相应传感器、信号调理模块、信号端子板 C B - 6 8 L P 、D A Q板 卡 P C I - 6 0 2 4 E 、计算 机组 成 ， 其框图如图2所示。 比 刀 悸 恐 器 泵 进 口压 力 泵 出口压 力 压力传 感 器 信 压 力传 感 器 号 马达进 口压力 调 压 力传 感 器 理 马达 出 口压 力 DAQ 数 据采 集 卡 P C机 变频 电机 转速 转矩 转速 PCJ ． 6 0 2 4 E 变频 电机 转矩 传 感 器一 信 号 马 达转 速 转 矩 转速 调 马 达转 矩 传 感 器 理 图 2 监测系统组成框 图 4个压力传感器分别安装在泵 及马达 的进 出油 口 处，通过悬挂在充满油的腔体内的硅芯片来感受压力 的变化，将电阻率的变化转换成电流 4～ 2 0 m A 变化 ，通过电流的变化来反应压力的变化 。 2个转矩转速传感器通过配套二次仪表转矩转速 仪将电机轴和马达轴的转矩与转速转换为 4～ 2 0 mA 电流信号 。 信号调理电路主要使用电流 一电压转化电路和硬 件滤波电路将传感器输出信号转换成采集卡可识别的 电压信号 。 D A Q卡采用 N I 公 司的 P C I - 6 0 2 4 E多功 能 P C I 总 线数据采集卡，将采集数据转换为数字信号后 ，送入 计算 机进行 数据处 理。P C I - 6 0 2 4 E提供 l 6路单端 或 8 路差分的模拟量输入 1 2 位分辨率 ，2路 1 2位D ／ A 模 拟量输 出通道 ；采样率 为 2 0 0 k S ／ s ；最 大测 量 电压 范 围为 一1 0～1 0 V，最 小 测 量 电压 范 围 为 一5 0～ 5 0 m V 。 同时 采 用 P C I - 6 0 2 4 E配 套 的 端 子 板 C B 一 6 8 L P实现数据的传输。 3监测系统软件实现 为 了满足实验系统的现场实 际需要 ，监测 系统采 用模 块 化 的结 构 设 计 思 想 ， 以便 进 行 设 计 、调 试 、修 改 和扩 展 。整 个 系 统 分 为若 干 个独立的模块 ，各个模 块执 行不同的任务。兼顾 系统运 行效 率 及界 面 的友 好 性 ，程 序在 WI N D O WS环境 下执 行 ， 采用 L a b V I E W 软 件编 程 。监 测系统 由数据采集主程序和 参数设置 、数据 保存 与 回放 、 数据 报 警 、剔 除 坏 点 、滑 动 平均滤波等子程序构成。其 主程序 的流程 图如图 3所示 。 数据采集 主程序主要使 用 L a b V I E W 中 的 D A Q m x节 点 实 现 ，将D A Q m x C r e a t e C h a n n e l A I V o l t a g e B a s i c ．v i 选 择 “ A n a l o g I n p u t ” 一 “ V o l t a g e ” 。放置 在一个 F o r L o o p中，分别对输入接线配 置 、最 大 值 、最 小 值 、任 务 输入 、物 理 通 道 和 分配 名 称 皇 系统 初始 化 皇 创建8 个模 拟输 入通 道 设 置 采样 频率 、采 样方 式 、 采样 时钟 等参 数 l 开 始任 务 l 二]兰 调 用DAQmx 写 入 节 点 读取 数据 I 剔除奇异点 l 二二[ { 滑动平均滤波 L 二亡 l标尺转换 1 ] T一 萋 鳌 卜审 l 数据保存，打印 壁生亟塾 I N 主 l 任务停止l 图3 数据采集主 程序流程 图 进行配置 ，进行多通道循环采样 ；在采样时钟 中设 置 采样模 式 和采样 速率；建 立一个 S t o p i f T U R E的 Wh i l e 循环，调用 D A Q m x写入节点读取数据。 子程序模块中，剔除奇异点程序的编程思想是 计算一个数组 中数据 的平均值 和标 准偏差 ，将数组 中 的每个元素与平均值作差 ，若差 值大于标 准偏差 的 3 倍 ，就将当前值替换成为这个数组的平均值。 滑动平均滤波的设计思想 把连续取4个采样值 看成一个队列 ，每次采样到一个新数据放入队尾 ，并 扔掉原来队首的一次数据 先进先出原则 ，把队列 中的4个数据进行加权算术平均运算 ，就可获得新的 滤波结果。这种滤波方法对周期性干扰有 良好 的抑制 作用 ，平滑度高 。 在主程序 中直接调用封装好 的剔除奇异点和滑动 平均滤波的子程序，对采集到的数据进行实时处理。 数据保存、查看并打印历史数据子程序通过 R e p o r t G e n e r a t i o n T o o l k i t 中的 F i l e I ／ O类函数生成 Wo r d 报表。数据保存完毕后 ，还需要能够实现数据的回 放，以便以后查阅数据，进行性能核算。因此在数据 查看与打印部分主要就是加载所保存文件的路径 ，然 后添加一个 打印报 表的节 点 ，可 以根据需 要选 择打 印 机和打 印份数 ，既方便又省 时。 报警模块主要包括参数设置部分和 比较报警部 分。在参数设置模块 ，设置系统各元件的实际参数 ， 比如泵的额定 压 力为 3 1 ． 5 MP a ，马 达 的额 定 压力 为 8 4 机床与液压 第 3 8卷 1 6 M P a ，变频 电机 的额定转速为 1 4 5 0 r ／ m i n ，额定转 矩为3 5 0 N m，摆线马达 的额定转速为 3 2 0 r ／ m i n ， 额定转矩为 6 7 5 N m。参数设定完毕后，在比较报警 模块 中调用参数 设置子 V I ，将 实际参 数与设 定参数 进行 比较 ，超 出则报警 。 数据采集主程序的前面板和框图程序分别如图 4 、5 所 示。 图 5 数据米集主程序框图程序 数据采集的前面板人机界面反应一个系统的整体 选择与参数设置区主要对 D A Q卡和采集参数进行配 印象 ，在设计时主要考虑将相似控件归类，强调关键 置；采集到的信号通过 3个波形控件在采集波形区以 部分以及颜色的整体协调。该界面主要包括通道选择 曲线形式显示变化过程 ，同时通过相关仪表以指针和 区 、参数设置 区、采集 波形 区、压力表显示 区、转速 数值 的形式显示实时瞬态值 ；运行参数若超过预先设 显示区、转矩显示区、报警区与选择控制区。在通道 下转第 2 1页 第 1 3 期 陈春明 等以轧机液压压下为负载的恒压源特性研究 2 1 闭压力 环 ，轧 机 压 下 系 统 分别 输 入 频 率 为 0 ． 5 H z 、2 H z 、4 H z 、8 H z 指令信号 时 ，泵 出 口压力及操 作侧压力设定值 、跟随值如图 6所示 ，当负载呈 正弦 规律变化时，泵出口压力为同频率的正弦脉动，相位 相差 1 8 0 。 ，负载压 力为最大 时 ，泵 出 口压力为最 小 ， 这符合恒压变量泵的特性。从图 6可求出当负载幅值 相同时，其泵出口压力脉动幅值、压力控制精度随负 载频率变化 的规律如表 l 所示。 表 1 幅值 为 2 T时频 率变化 时的测试结果 恒压 源有一 个工作 极限频 率 ，在低 于工 作极 限频 率时，随着指令信号波动频率的增大，泵出口压力波 动幅值增加 ，比较不同频率时的设定值与被控量对 比，可知指令信号波动频率越大，被控量的精度越 低。恒压 源的压力 波动直 接影 响着系 统的控 制精度 ， 两者关 系是 恒压源压力波动越大 ，控制 系统 的控制 精度越低 。 4结论 恒压 能源的输 出特性决定 于泵 、蓄能器 和管道 的 综合作用 ，还 和负载 的变化有关 ，通 过仿真 和实验 分 析得出 1 负载变化对恒压源压力脉动的影响规 律即负载频率变化快，压力脉动的幅值增加； 2 恒压源压力脉动对控制精度的影响恒压源压力波动 越大 ，控制 系统 的控制精度越低 。仿真与实验结果表 明所建仿真模型 的正确性 ，为 能源 系统 中元件选择 与 功率 匹配 以及动态特性研究提供参考 。 参考文献 【 1 】 张伟． 基于冷连轧过程的虚拟轧制关键技术研究[ D ] ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 0 4 ． 【 2 】 郭湖彬． 高响应电液控制系统恒压源特性研究[ D ] ． 武 汉 武汉科技大学 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 J i n X i a o h o n g ， C h e n Y a s h e n ， G u o H u b i n g ． D y n a m i c S i m u l a - t i o n o n Hy d r a u l i c S u p p l y S y s t e m o f HAGC B a s e d o n E AS Y 5 [ C] ／ ／ T h e P r o c e e d i n g s o f t h e C h i n a A s s o c o a t i o n f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， 2 0 0 7 ． 1 3 2 73 3 0． 【 4 】 王益群， 张伟， 高英杰 ， 等． 虚拟冷连轧机数字仿真研究 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 3 1 0 1 7 7 01 7 7 3 ． 【 5 】战兴群， 张炎华， 赵克定， 等． 二次调节系统中液压蓄能 器数学模型的研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 1 5 4 5 46． 【 6 】Z e i g e r G， A k e r s A． D y n a m i c A n a l y s i s o f a n A x i a l P i s t o n P u m p S w a s h p l a t e C o n t r o l [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a n i c al E n g i n e e r s， 1 9 8 6． 1 0 4 95 8 ． 【 7 】 S c h o e n a u G J ， B u r t o n R T ， K a v a n a g h G P ． D y n a m i c A n a l y s i s o f a V a ri a b l e D i s p l a c e m e n t Pum p [ J ] ． T r a n s a c t i o n o f t h e AS ME J o u r n a l o f Dy n a mi c S y s t e m， Me a s u r e me n t a n d C o n t r o l ， 1 9 9 0 ， 1 1 2 3 1 2 21 3 2 ． 上接第 1 2页 参考文献 【 1 】 吴孝俭 ， 闫荣鑫． 泄漏检测[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 05 49． 【 2 】 彭光正， 纪春华， 葛楠． 气密性检测技术现状及发展趋势 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 1 7 21 7 4 ． 【 3 】 L G H a ru s ， M a o l i n C a i ， K e n j i K a w a s h i m a ， e t a 1 ． D e t e r m i n a ． t i o n of t e mp e r a t u r e r e c o v e r y t i me i n d i f f e r e n t i a l -p r e s s u r e -- b a s e d a i r l e a k d e t e c t o r[ J ] ．Me a s u r e m e n t S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 6 1 7 4 1 1 4 1 8 ． 【 4 】R o b e rt C ， M c M a s t e r ． L e a k T e s t i n g [ M] ． A m e ri c a n S o c i e t y f o r N o n d e s t r u c t i v e T e s t i n g ．Ame r i c a n S o c i e t y for Me t als ， 1 9 82 8 91 0 0． 【 5 】李建藩． 气压传动系统动力学[ M] ． 广州 华南理工大学 出版社 ， 1 9 9 1 4 8 4 9 ． 【 6 】杨世铭， 陶文铨． 传热学[ M] ． 高等教育出版社， 2 0 0 6 ． 8 1 3 上接 第 8 4页 置的安全值 ，报警区的 L E D就变成红色报警；选择 控制 区主要是生成 Wo r d报表 时加载 报表模板 ，指 定 保存文件路径，“ 停止采集并保存数据”按钮用于控 制整个系统的运行状态 。 系统的框图程序是整个监测系统的灵魂 。整个程 序 由一个顺序结构 实现 ，首 先通过 D A Q m x函数库 中 相关的 V I 节点采集 8路传感器信号，在 Wh i l e 循环 中实现 8 路信号 的提取 ，然后 分别进 行数 据处 理 、标 尺转换后传至波形控件与仪表中显示，在后面的顺序 结构 中生成报表等 。 4 结束语 该系统已经应用于变转速液压试验系统的在线实 时监测 中，系统运行稳定可靠 ，各参数测量准确性达 到9 8 ％，符合系统实际要求，可靠性和可扩展性 良 好。在以后的实际应用中，只需根据所测传感器参数 的要求略加修改，增减模拟通道，即可应用于其它工 业生产参数的实时监测上。 参考文献 【 1 】王磊， 陶梅． 精通 L a b V I E W 8 ． 0 [ M] ． 电子工业出版社， 2 00 7． 【 2 】 彭天好 ， 徐兵， 杨华勇． 变频液压技术的发展及研究综述 [ J ] ． 浙江大学学报 工学版 ， 2 0 0 4 ， 3 8 2 ． 【 3 】N a t i o n al I n s t r u m e n t s C o r p o r a t i o n ． L a b V I E W U s e r M a n u al 『 M] ． Ap ri l 2 0 0 3 E d i t i o n P a r t ． Nu mb e r 3 2 0 9 9 9 E - 01 ．
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