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2 0 1 0年 5月 第 3 8卷 第9期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I CS Ma v 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 9 ． 0 O l 具有在线检测与控制功能的智能化液压多媒体实训平台的设计与研究 张冰冰 ，胡旭晓 ，王锋2 1 ．浙江大学现代制造工程研 究所，浙江杭州 3 1 0 0 2 7 ；2 ．温州职业技术学院，浙江温州 3 2 5 0 3 5 摘要为了提高液压元件检测精度及智能化实训水平，开发了具有在线检测与控制功能的智能化液压多媒体实训平 台。引入多模态检测理念，扩大实训平台对液压元件关键参数的检测范围；采用虚拟仪器在线完成多传感器信号实时采集 工作，同步绘制液压系统及其元件静、动态工作特性曲线，并将所采数据通过动态链接存储到数据库中；最后提出并实现 一 种新颖的实训手段，即上位机人机交互系统控制的非破坏性故障设置。经过运行表明，此多媒体实训平台实用、可靠， 达到要求的精度指标，即压力检测精度 4 - 0 ． 1 M P a ，流量监测精度达到满量程 0 ． 1 5 ％。 关键词 虚拟仪器；智能测控；非破坏性故障；人机交互；液压实训 中图分类号 r P 2 7 1 ． 3 1 ；T F 2 0 6 ．3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 9 0 0 1 5 Re s e a r c h a n d De s i g n o f I n t e l l i g e n t Hy d r a u l i c M ult i - me d i a P r a c ti c a l Tr a i n i n g Pl a t f o r m wi t h On l i n e M e a s u r e me n t a n d Co n t r o l Fu n c ti o n s Z HANG Bi n g b i n g ， HU Xu x i a o ， W ANG F e n g 1 ． I n s t ．o f Ma n u ．E n g ． ，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 7，C h i n a ； 2 ． We n z h o u V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ，We n z h o u Z h e j i n a g 3 2 5 0 3 5 ，C h i n a Ab s t r a c t An i n t e l l i g e n t h y d r a u l i c mu l t i --me d i a p r a c t i c a l t r a i n i n g p l a tf o r m wi t h o n l i n e me asu r e me n t a n d c o n t r o l f u n c t i o n s wa s d e v e l o p e d t o e n h anc e t h e p r e c i s i o n o f h y d r a u l i c me a s u r e me n t a n d i mp rov e i n t e l l i g e n t p r a c t i c a l t r a i n i n g c o mma n d ． A mult i mo d e t e s t i n g p r i n c i p l e W as p r e s e n t e d t o e x p and t h e me a s u r e me n t r a n g e o f k e y p a r a me t e r s ；the h o s t - c o mp u t e r i n t e r a c t i v e s o f t wa r e w a s d e s i g n e d b y v i r - t u al i n s t r u me n t t o c o l l e c t r e a l t i me s i gna l s o n l i n e s e n t b y d i ff e r e n t s e n s o r s ，d r a w s t a t i c o r d y n a mi c c h a r a c t e ri s ti c c u r v e s o f c e r t a i n h y - d r a u l i c c o m p o n e n t and s a v e d a t a t o d a t a b ase t h ro u d y n a m i c l i n k s ； a n d a n e w p r a c t i c al t r a i n i n g m e t h od o f n o n d e s t r u c t i v e f a i l u r e s e t ri n g W as i n d i c a t e d ． A ft e r h alf - a y e a r o p e r a t i n g ， t h e p l a tf o rm i s f e a t u r e d w i th r e l i a b i l i t y t e s t p r e c i s i o n o f s y s t e m p res s u r e rea c h e s 4-0 ． 1 MP a a n d fl o w 4-0 ． 1 5 ％ ． Ke y wo r d s Vi r t u al i n s t r u me n t ；I n t e l l i g e n t me a s u reme n t a n d c o n t r o l ；No n - d e s t r u c t i v e f a i l u r e ；Hu ma n c o mp u t e r i n t e r a c t i v e ； Hy d r a u l i c p r a c ti c al t r a i n i n g 液压系统具有动力输出大、传动平稳可靠 、易于 实现大范围无极调速等诸多突出优点，但系统的构造 和功能比较复杂，因此也对液压系统及元件的检测与 控制带来一定困难。国内用于液压系统及其元件检测 与控制的实训平台大多仍处于人工数据收集阶段，其 主要参数检测的准确度得不到保证；而且实验数据采 集与处理是分开执行的，对液压系统及元件在负载不 断变化的动态过程中出现的流量、液压缸运动速度、 系统压力等性能参数的测试连续性带来极大挑战，数 据后期处理、保存 以及图像显示方面也有很大的困 难。2 0 0 0年以后，国外许多学者开始研究计算机控 制的多媒体 检测平台，但大多用 于物 理学检测领 域⋯，较少有为液压工程领域专用开发的多媒体检测 与控制平台，更鲜有将虚拟仪器检测引入液压实训的 平台。为此，作者开发了一套先进的智能多媒体测控 实训系统，由液压系统硬件、虚拟仪器数据采集上位 机、电器控制软件及主参数检测传感器组成，不仅具 有高精度、快速响应、在线数据处理等特点，还拥有 国内其他实训平台不具备的虚拟仪器柔性化设计以及 智能液压实训功能，主要体现为上位机控制非破坏性 故障设置功能 ，满足液压实训行业高速发展的需要。 1 多媒体液压测控实训平台系统设计及工作原理 1 ． 1 实训平 台液压 系统设计 多媒体液压测控实训平台采用模块化总体设计理 念，将系统分为4个主要模块 压力形成与动力输出 模块、液压智能阀岛测控模块、系统流量与速度测控 模块以及双作用液压缸速度测控模块。上述各模块之 间的作用关系以及它们与电器控制单元的关系如图 1 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 2 9 基金项目国家创新项 目 0 8 C 2 6 2 2 3 3 0 1 8 8 1 ；浙江省重大科技专项工业项目 2 0 0 8 C 0 1 0 2 6 ． 1 资助项 目 作者简介张冰冰，男 ，汉族，硕士。主要研究方向为液压设备智能测控方法与应用设备开发。通讯作者胡旭晓，电话 0 5 7 1 8 7 9 5 2 6 5 8 ，Em a i l h u x u x i a o ． z j u 1 6 3 ． c o m。 2 机床与液压 第 3 8卷 所示 。 图 1 实训平台系统模块化结构图 1 压力形成与动力输出模块 此模块是实训平台系统的动力单元 ，主要由变量 泵、安全阀、系统压力调节溢流阀、二位二通电磁换 向阀等元件组成。安全阀压力值调定后，如无特殊情 况将不再变动，通过调节溢流阀阀口开度来控制系统 压力，采用过二位二通电磁换向阀控制系统压力加载 与卸荷 ，并配有旁路调速阀来调节系统流量。 2 液压智能阀岛测控模块 此模块主要由先导式溢流阀、换向阀、继电器以 及电磁控制元件组成。采用多模态控制手段，通过控 制换向阀来选择量杯或流量计检测先导式溢流阀的流 量。当系统流量较小时，采用量杯测量；当系统流量 较大时，采用椭圆齿轮流量计测量；同时确保两种测 量方式间的平稳过渡，不仅提高了溢流阀流量的检测 范围，而且可以提高溢流阀特性参数的检测精度。 3 系统流量与速度测控模块 此模块由椭圆齿轮流量计、量杯、换向阀以及电 磁控制元件构成，同样采用多模态控制方式 ，检测液 压系统工作流量与速度，方便对液压元件以及各种液 压控制回路进行数据采集与深入研究。 。 4 双作用液压缸测控模块 此模块 由双作用液压缸 、换向阀、电磁控制元 件、加载缸、加载溢流阀、节流阀、位置与位移传感 器等元件构成。液压缸的运动方向由电磁控制元件与 三位四通换向阀控制 ，运动速度由进、出油路单向节 流阀进行调节。为节约成本又与实际工程应用紧密结 合 ，此模块采用溢流阀承担负载功能，便于完成不同 负载状态下液压元件特性的研究。 1 ． 2 实训平台液压工作原理 实训平台的液压系统工作原理如图2 所示。变量 泵 1 为系统的压力来源，安全阀3压力值调定后确保 系统工作安全可靠，如无特殊情况将不再变动。二位 二通电磁阀2用于控制系统加载与卸荷 ，溢流阀6用 于调节系统压力以获得检测或实验所需的压力值，并 由压力表 P 1 显示系统压力值。电磁阀2 5用于控制双 作用液压缸 1 5的行程方向，既可配合行程开关 S B 3 、 S B 4 实现 自动换 向控制，也可按照需要进行手动控 制，使活塞停到既定位置，配合以单向节流阀还可执 行调速控制功能。溢流阀2 8作为负载功能使用，通 过调节溢流阀的阀芯开度使系统负载不断发生变化， 并由压力表 P 6 显示负载值，实现在不同负载下系统 工作性能参数的模拟与检测。 l 一 变 量泵 总成 2 、l 4 一二 位二 通 电磁阀 3 、6 、2 0 、2 8 一溢 流 阀 4 一椭 圆齿 轮流 量计 5 - - 量杯 8 一调速阀 9 、1 0 、l 卜 二 位三 通 电磁阀 l 2 一 压 力传感 嚣 l 5 一双作用液压缸 1 6 - - 普通单向杩 2 s 一 三位 四避 电磁 阀 2 6 、2 7 一 单 向节流 阏 S B I 、s B ] 为限位开关 S B 3 、S B 4 为行程开关 P l P 6 为压力表 虚线隔开 i、i i 、i i i 、沁 分别代表4 个模块 图2 液压实训平台工作原理图 关闭三位四通电磁阀2 5 、旁路调速阀 8以及溢 关闭三位四通电磁阀2 5 、二位二通电磁阀9 、旁 流阀2 0 ，同时使二位三通电磁阀 9得 电，此时可以 路调 阀8 ，调节先导式溢流阀 2 0的阀芯开度，可 使用量杯来检测变量泵的泄漏情况。 以对先导式溢流阀的工作特性进行细节研究。压力传 第 9期 张冰冰 等具有在线检测与控制功能的智能化液压多媒体实训平台的设计与研究 3 感器 1 2 a 和 1 2 b 分别实时向上位机数据采集系统反馈 溢流阀人口与出口的压力值，压力表 P 2显示溢流阀 出口压力值。此实训平台采用多模态流量检测方案， 通过控制二位三通电磁阀 1 0来选择使用量杯或椭圆 齿轮流量计检测先导式溢流阀流量，提高流量检测范 围的同时确保更高的检测精度。采用同样的方法，通 过控制二位三通电磁阀 1 0 、1 3还可检测旁路调速阀 8的流量，以研究其工作特性。 2 虚拟仪器柔性化检测模块的设计与实现 智能检测模块模块 l 廛 翠 墨l 主要 由上位机虚拟 仪 器 、N I公 司 的 U S B - 6 2 1 0数据采 集卡、接 近开关 、行程开关以及 压力 、位移、温度、 ‘ 流 量等传感器组成。此模 块的组成机构及原理如 图 3所示 。压力 、位 移、温度、流量传感器 分别将实训平台的系统 位 l I温 l I鬈 感l I 感 器l l 器 液压 试 验台 图3 数据采集与控制 输出模块原理图 压力、被测溢流阀2 0的人 口与出口压力 、液压缸位 移量、液压油温度以及系统流量转化为电流或电压信 号，经过信号预处理后转化为电压模拟量，通过 N I 数据采集卡与虚拟仪器通信，并通过软件模块将所有 信号实时数字显示并绘制工作特性曲线，实现各主要 信号的在线采集与检测功能。实训平台采用的流量传 感器为线性输出，测量范围01 0 m ／ h ，输出电压 范围 1 5 V ；系统压力测量采用 WMB智能压力变送 器，精度高 ，输出 4～2 0 m A的标准直流电流信号 ； 温度测量采用 P t 一 1 0 0热电偶，输出4～ 2 0 m A标准直 流电流信号。 虚拟仪器采用美国 N I 公司开发的 L a b V I E W，是 一 种基于 G语言的图形化编程虚拟仪器软件 ，可以 采集各种模拟信号，具有高度的灵活性与柔性。将虚 拟仪器引入液压实训行业 ，采用 P C D A Q瞬态检测手 段 ，可大大降低实训系统的开发成本，更有利于二次 开发与功能升级 ；而且虚拟仪器界面形象 ，可根据使 用者的需要自由编程 ，比同类其他产品柔性化程度更 高，操作更加方便 ，弥补了传统液压检测的不足。限 于篇幅，下面仅介绍虚拟仪器系统压力采集原理。如 图4 、5所示，系统初始化之后，首先进行布尔运算， 满足采集条件后结果为 “ 真” ，进入层叠式顺序程序 结构。通过 D A Q模块与 N I 数据采集卡通信 ，再将信 号通过二阶低通滤波器滤波；经滤波去噪的信号经过 数据类型转换被拆分为一维数组，经过数据集成与捆 绑输送给波形显示控件。由于同类液压产品不具备数 据管理功能，本实训平台通过虚拟仪器的 L a b S Q L模 块以及微软的 A D O A c t i v e D a t a O b j e c t s 开发了实 验数据存储与管理模块 。 。首先虚拟仪器通过 A D O C o n n e c t i o n C r e a t ． v i 与 A D O建立通信连接，然后通过 A D O C o n n e c t i o n O p e n ． v i 打 开 A c c e s s数 据 库 ，通 过 S Q L E x e c u t e ． v i 将检测数据写入 A c c e s s 数据库 ，方便 实训人员采用 S Q L数据库语言对所有数据进行管理 和更新 此功能领先于国内同类产品。 图4 虚拟仪器压力检测模块程序面板 图 5 虚拟仪器压力检测模块前面板 3 实训平台继 电器控制与上位机非破坏性故障设 置 非破坏性故障设置功能是现代多媒体液压测控实 训平 台的重要组 成功能 ，也是本 实训平 台一大特 色。 是国内其他同类设备所不具备的功能。本实训平台充 分考虑人机互动需求，采用 V C 编制上位机控制 软件，模拟工程液压设备故障设置，大大提高液压测 控实训业的效率。 为实现实训平台非破坏性故障设置功能，上位机 需要通过数据采集卡的I ／ O接13配合信号调理与转换 电路对继电器进行控制。继电器控制线路原理如图6 所示，当上位机通过数据采集卡的 I ／ O接口发出非破 坏性故障设置信号时，此信号通过 7 4 L S 3 2的与逻辑 后门输入给光耦芯片使二极管得电发光，使光敏管导 通，进而导通晶体管 8 0 5 0 ，故障继电器得电，相应 4 机床与液压 第 3 8卷 被控继电器常闭触点断开或常开触点闭合，实现非破 坏性故障继电器控制功能 。 图6 非破坏性故障继电器控制电路 0V K 1 瑚 一 K2 SB1 K S Ⅺ7 K l K7 W 图7 双作用液压缸测控模块电器控制图 图8 液压元件非破坏性故障设置软件界面 如图7所示，输入命令 S A 8 ，K 8线圈得 电，其 常开触点闭合，使电磁铁 V 8得电，三位四通换向阀 置于右位上作用液压缸活塞右行 ，如果在活塞行进过 程中，没有任何其他命令输入 ，那么活塞最终将碰到 行程开关 S B 4 ，到达最大工作行程而后停止运动。非 破坏性故障设置如 图 8所示 ，点击上位机 软件 “ 液压元件故障类设置”人机界面的 “ 3 。 三位四通阀 2 5卡死在右位”后，继电器常开触点 K 1 8闭合 ，那 么电磁铁 V 8一直处于得电状态，将三位四通阀2 5 一 直置于右位，此时即使断开联动开关 T A 8 ／ T A 7 ，无 C 法断开电磁铁 V 8回路 ，同理，即使输入 S A T命令 工作回程液压缸活塞左行 ，液压缸仍保持静止无 法回程。实验者或受训人员可以根据此现象对故障进 行分析，并最终排除。 4 液压缸行程速度与负载压力关系的特性研究 相关主要参数说明如下 1 系统压力 P 溢流阀6调节系统压力，采用 压力传感器测量，其数值显示在上位机软件上。 2 液压缸行程距离 s 采用行程开关 S B 3 、 S B 4控制液压缸行程距离，位移传感器检测位移量， 数值显示在上位机软件。同时，采用限位开关 S B 1 、 S B 2对液压缸进行过行程保护。本次实验中位移均为 1 2 ． 8 e m。 3 液压缸运行时间 t 采用计算机时钟指针对 液压缸运行速度计时，从运动命令输入开始到行程开 关 S B 4信号输入位置，单位 8 秒 。 4 液压缸运行速度 口 S ／ t ，单位 c m ／ s 5 负载压力 采用先导式溢流阀与液压缸总 成模拟工程中的实际负载。实验相关数据见表 l - 3 。 表 1 负载为 01 MP a时的系统数据 表 2 负载为2 MP a时的系统数据 Ⅶ ” 躺 一 附一 毗 洇 巨 i i 髓 第9期 张冰冰 等具有在线检测与控制功能的智能化液压多媒体实训平台的设计与研究 。 5 表3 负载为 2 ． 5 MP a 时的系统数据 重 褪1 6 捌 1 4 l 2 2 3 4 5 系统 压力／ MP a 宇 譬 鲁 越 爝 图9 无负载时系统压力 图 与运动速度图像 研究 以上 实 验 数 据 ． 并由上位机绘制关系特 性曲线 见图9 一l 1 翥 表明 艘 1 双作用液压缸 图 1 2 实训平台成果全景展示 作者设计的具有在线检测与控制功能的智能化液 压多媒体实训平台 图 I 2 ，引入 L a b V I E W虚拟仪 器检测理念，充分发挥信息产业优势，采用计算机代 替各种传统测试仪器，具有高精度、低成本、功能升 级方便等诸多特点，领先于国内同类设备 ；为提高 液压实训水平 ， 开发了非破坏性故障设置模块，模 仿各种液压工业设备，为液压实训行业故障仿真与 排除进一步发展奠定基础。半年多的运行表明此平 台实用、可靠 ，达到要求 的检测精度指标 ，即压力 检测精度 土 0 ． 1 MP a ，流 量监 测 精度 可 达满 量 程 -6 0．1 5％ 。 但在实验与研究过程中发现，由于液压阀在系统 压力较低时的固有特性，当系统压力小于 1 ． 0 M P a 时，实验所需数据检测困难，因此， 低压检测尤其是 超低压检测是未来要解决的主要问题。 参考文献 【 1 】 C h a t u r v e d i S ， A k a n O ， B a w a b S ， A b d e l S al a m T ． V e n k a t a r a - ma u a ， M．A We b - b a s e d mu l t i me d i a v i r t u a l e x p e ri me n t ． F r o n t i e r s i n E d u c a t i o n， 2 0 0 3 ． ME 2 0 0 3 ． 3 3 r d An n u a l Vo l u m e 1 ， O n p a g e S T F T一 3 8 ． 【 2 】M a ri u s B i r i e s c u ， V o i c u G r o z a ， V l a d i m i r C r e t u ． C o m p u t e r A i d e d T e s t i n g o f E l e c t r i c a l M a c h i n e s[ C] ．E U R O C O N 2 0 0 7 ．T h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n “C o mp u t e r a s a T o o l ”， Wa r s a w． 2 0 0 7 I E EE， Vo l u me l 9， 1 01 5 ． 【 3 】 A b h i s h e k M a l l i k ， S a u v i k D a s G u p t a M o d e l l i n g o f M E M S Ba s e d T e mp e r a t u r e S e n s o r a n d T e mpe r a t u r e Co n t r o l i n a P e t r o c h e m i c al I n d u s t r y U s i n g [ J ] ． C o m p u t e r and A u t o m a t i o n E n g i n e e r ， 2 o o 9 s 2 8 72 9 2 ． 【 4 】N i k u n j a k ． S w a i n ， J a m e s A ． A n d e r s o n ， A j i t S i n g h ． R e m o t e Da t a A c q u i s i t i o n ，C o n t r o l a n d An a l y s i s Us i n g L a b V I EW F ron t P ane l a n d R e a l T i me E n g i n e [ J ] ． S o u t h e a s C o n ， P r o - 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