基于OPC與LabVIEW的液壓泵和液壓馬達(dá)自動(dòng)測試系統(tǒng)

□ 于 輝 □ 金俠杰 □ 邢科禮 □ 吳白羽

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓泵和液壓馬達(dá)在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中越來越廣泛，作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件和執(zhí)行元件，一臺(tái)液壓泵或者液壓馬達(dá)的好壞直接影響到整個(gè)液壓系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行，所以，對(duì)液壓泵和液壓馬達(dá)的檢測是十分關(guān)鍵的。隨著科技的進(jìn)步，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也越來越高，這不僅可以節(jié)省大量人力物力，同時(shí)也可以減少操作人員對(duì)測試過程的干預(yù)，提高檢測質(zhì)量。傳統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，如C++、VB和C，不僅開發(fā)周期長，運(yùn)行速度慢，而且調(diào)試和維護(hù)也比較困難。本系統(tǒng)采用LabVIEW編寫自動(dòng)測控軟件，LabVIEW靈活、高效、面向?qū)ο?，其?qiáng)大的可視化編程環(huán)境及圖形化編程語言受到越來越多的開發(fā)人員的青睞。PLC作為現(xiàn)代控制工具的支柱之一，以其抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定而在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用，把LabVIEW與PLC結(jié)合到液壓測試系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。

OPC （OLE for Progress Control） 是基于 Windows NT技術(shù)的OLE、COM/DCOM接口的擴(kuò)展，采用客戶端/服務(wù)器模式，其本質(zhì)是OPC Client通過一種標(biāo)準(zhǔn)化、開放式的通信方式與OPC Server進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。使用第三方硬件時(shí)，只需要硬件方提供OPC Server，軟件開發(fā)人員無須編寫底層的驅(qū)動(dòng)程序，只需要軟件的OPC Client就可與之通信。該自動(dòng)測試系統(tǒng)運(yùn)用Profibus現(xiàn)場總線控制，通過建立OPC服務(wù)器與客戶端完成SIEMENS S7-300 PLC與PC的通信。實(shí)現(xiàn)LabVIEW與S7-300實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵及難點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)

1.1 測控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)要求除必要的電源開關(guān)以及急停保護(hù)按鈕外，不允許面板上有控制液壓系統(tǒng)的其它按鈕，即不能手動(dòng)進(jìn)行液壓泵和液壓馬達(dá)的測試，只能通過PC完成對(duì)液壓泵或液壓馬達(dá)的自動(dòng)測試并生成測試報(bào)告。但是當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，自動(dòng)測試系統(tǒng)無法進(jìn)行調(diào)試，因此，該系統(tǒng)中又加入一個(gè)觸摸屏，該觸摸屏的主要功能為控制液壓系統(tǒng)中電機(jī)的啟停、電磁閥的開關(guān)及比例閥的調(diào)節(jié)，另外加入一些傳感器的數(shù)據(jù)顯示，方便工作人員在液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行調(diào)試，該觸摸屏采用密碼保護(hù)，在自動(dòng)測試過程中不允許使用。

根據(jù)以上介紹，在該液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中，S7-300PLC需要完成與PC和觸摸屏兩種方式的通信，所以該P(yáng)LC至少要有兩個(gè)通信接口。CPU 317-2DP擁有一個(gè)MPI/DP和一個(gè)DP通信口，而且功能強(qiáng)大，可滿足要求。其中，觸摸屏采用485串口線與PLC的MPI口連接，PC通過Profibus總線與PLC的DP口連接，完成兩種通信方式，兩種通信方式互不干擾。該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 通信的建立

1.2.1 系統(tǒng)軟、硬件組成

軟件：LabVIEW8.6、SIMATIC NET （包含 OPC）、STEP7 V5.5，其中LabVIEW8.6用于上位機(jī)編程，SIMATIC NET用于對(duì)通信進(jìn)行組態(tài)并配置OPC Server，STEP7 V5.5用于S7-300PLC的編程。

硬件：PC、西門子 S7-300PLC（CPU 317-2DP）、西門子CP5611通信卡、Profibus總線及插頭。Profibus總線是西門子公司的一種適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的總線，在100 m范圍內(nèi)通信速率可達(dá)到12 Mbit/s。CP5611是一種PCI通信卡，用于PC與Profibus進(jìn)行連接。

▲圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 通信方案選擇

在以上硬件條件下，要實(shí)現(xiàn)LabVIEW和S7-300PLC的通信，關(guān)鍵是要利用LabVIEW驅(qū)動(dòng)CP5611通信卡。當(dāng)通信卡被驅(qū)動(dòng)后，LabVIEW就可以通過Profibus總線對(duì)PLC的地址塊進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)液壓測試系統(tǒng)的自動(dòng)控制。但CP5611通信卡沒有LabVIEW的驅(qū)動(dòng)，要在LabVIEW環(huán)境下驅(qū)動(dòng)CP5611主要有以下兩種方法。

（1）從底層動(dòng)態(tài)鏈接庫開始編寫CP5611的驅(qū)動(dòng)程序。

（2） 安 裝 西 門 子 OPC Server， 利 用 NI的DataSocket技術(shù)與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

顯然，第二種方法更加方便，故選用第二種方案。

1.2.3 LabVIEW與S7-300通信

利用SIMATIC NET配置好OPC Server后，還需要LabVIEW與OPC Server進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。LabVIEW支持DataSocket技術(shù)，Data Socket技術(shù)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，該系統(tǒng)利用DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC Server的訪問。DataSocket技術(shù)是基于Microsoft COM和ActiveX，源于TCP/IP協(xié)議并對(duì)其進(jìn)行高度封裝，面向測量和自動(dòng)化應(yīng)用，用于共享和發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是一種易用的高性能數(shù)據(jù)交換編程接口。它不必像TCP/IP編程那樣把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為非結(jié)構(gòu)化的字節(jié)流，而是以自己特有的編碼格式傳輸各種類型的數(shù)據(jù)，包括字符串、數(shù)字、布爾量以及波形等，還可以在現(xiàn)場數(shù)據(jù)和用戶自定義屬性之間建立聯(lián)系，一起傳送。盡管DataSocket與OPC的實(shí)現(xiàn)原理有所不同，但DataSocket與OPC在體系上比較相似，兩者結(jié)構(gòu)上都是客戶機(jī)/服務(wù)器模式，都為跨網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)定義了各自的傳輸協(xié)議，并以URL的方式訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)項(xiàng)目。在LabVIEW中，可以通過DataSocket數(shù)據(jù)綁定的方式將LabVIEW的數(shù)據(jù)變量與在SIMATIC NET中建立的變量進(jìn)行綁定，在數(shù)據(jù)綁定中選擇要訪問的變量的路徑即可，路徑中l(wèi)ocalhost表示主機(jī)名，OPC.SimaticNET表示通過西門子SIMATIC NET建立的OPC服務(wù)器，最后一部分表示PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)地址，圖2所示為從MREAL塊中讀取從MREAL400開始的4個(gè)實(shí)數(shù)地址的路徑。

2 基于LabVIEW的自動(dòng)測試軟件

程序主界面如圖3所示，該程序主要功能包括實(shí)驗(yàn)信息錄入、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)測試流程管理、手動(dòng)數(shù)據(jù)處理、報(bào)警指示等。

▲圖2 DataSocket數(shù)據(jù)綁定

傳感器數(shù)值以及所設(shè)置的報(bào)警指示燈都是通過DataSocket與OPC Server進(jìn)行穩(wěn)定通信獲得的數(shù)據(jù)。程序左上角可以對(duì)測試信息進(jìn)行設(shè)置，包括被測液壓泵或液壓馬達(dá)的型號(hào)、出廠編號(hào)、進(jìn)行測試的工位及對(duì)被試液壓泵或液壓馬達(dá)測試采用開式還是閉式系統(tǒng)、試驗(yàn)員名稱。自動(dòng)流程可在流程設(shè)置子界面中進(jìn)行設(shè)置，主要包括跑合試驗(yàn)（即液壓泵和馬達(dá)的磨合試驗(yàn)）中每一階段中壓力、轉(zhuǎn)速以及跑合時(shí)間的設(shè)置。壓力實(shí)時(shí)曲線可以顯示實(shí)驗(yàn)過程中壓力與流量的變化過程。壓力實(shí)時(shí)曲線下方的表格可以手動(dòng)記錄想要的數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)出到Excel表格，方便技術(shù)人員分析。報(bào)警指示區(qū)會(huì)顯示液壓系統(tǒng)中的一些異常情況，當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，如過濾器堵塞等，相應(yīng)的指示燈會(huì)高亮顯示，并且報(bào)警指示燈下方的信息欄會(huì)顯示具體的報(bào)警信息，并在PLC中做好了停機(jī)等異常處理方法。該系統(tǒng)采用水冷的方式進(jìn)行冷卻，當(dāng)油溫達(dá)到規(guī)定的上限（56℃）后，程序會(huì)自動(dòng)打開冷卻水閥，使冷卻水進(jìn)入散熱器，同時(shí)會(huì)啟動(dòng)循環(huán)泵，加速散熱；當(dāng)溫度降到規(guī)定的下限（44℃）后，程序會(huì)關(guān)掉冷卻水閥及循環(huán)泵。

為了檢測液壓泵和液壓馬達(dá)的性能，液壓泵和液壓馬達(dá)需要在不同的壓力、轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，所以在整個(gè)自動(dòng)測試過程中，需要對(duì)系統(tǒng)壓力和電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用比例溢流閥作為加載元件，試驗(yàn)中可以通過控制其工作電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)采用西門子MICROMASTER 440變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過設(shè)置變頻器參數(shù)，可以設(shè)置變頻器為外部電壓控制，即可通過調(diào)節(jié)外部電壓來控制變頻器的頻率，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，另外變頻器可以實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的精確控制。對(duì)于轉(zhuǎn)速和壓力的控制，均通過西門子S7-300PLC的AO模塊實(shí)現(xiàn)。

▲圖3 程序主界面

▲圖4 液壓馬達(dá)實(shí)時(shí)測試曲線

按下自動(dòng)程序開始按鈕之后，程序會(huì)自動(dòng)檢測相關(guān)的閥是否到位，以保證自動(dòng)測試過程的順利進(jìn)行。程序會(huì)按照預(yù)先設(shè)置好的流程進(jìn)行自動(dòng)試驗(yàn)，下方的指示燈及右下方的實(shí)驗(yàn)信息欄會(huì)顯示程序運(yùn)行到的步驟及試驗(yàn)狀態(tài)。當(dāng)自動(dòng)測試過程中出現(xiàn)問題且軟件并沒有檢測出來時(shí)，可按下自動(dòng)程序停止按鈕或直接按下面板上的急停按鈕。當(dāng)排除問題后，若要繼續(xù)試驗(yàn)，先按下程序底端的參數(shù)恢復(fù)按鈕，該按鈕會(huì)將系統(tǒng)中的所有參數(shù)恢復(fù)到默認(rèn)的規(guī)定值，以防某些參數(shù)沒有恢復(fù)而對(duì)測試過程以及系統(tǒng)造成影響。自動(dòng)測試完成后，程序會(huì)根據(jù)每個(gè)階段的運(yùn)行參數(shù)（壓力、流量、容積效率、機(jī)械效率等），判斷液壓泵或液壓馬達(dá)是否合格，并打印出檢測報(bào)告。

3 液壓馬達(dá)測試

利用該測試系統(tǒng)對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行測試，馬達(dá)型號(hào)為A2FE1256.1RVAL10，其理論排量為125 mL/r，額定壓力為31.5 MPa，額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。將該馬達(dá)安裝好后在軟件中設(shè)置自動(dòng)測試流程：①空載，20%額定轉(zhuǎn)速，跑合30 s；② 40%額定轉(zhuǎn)速，20%額定壓力，跑合30 s；③60%額定轉(zhuǎn)速，50%額定壓力，跑合30 s；④80%額定轉(zhuǎn)速，80%額定壓力，跑合30 s；⑤額定轉(zhuǎn)速、額定壓力下跑合60 s；⑥排量驗(yàn)證試驗(yàn)；⑦額定轉(zhuǎn)速、額定壓力下容積效率和總效率計(jì)算。試驗(yàn)過程中，馬達(dá)進(jìn)油口和出油口壓力及流量曲線如圖4所示。

在整個(gè)測試過程中，主要是對(duì)加載壓力和電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。電機(jī)轉(zhuǎn)速通過西門子變頻器進(jìn)行控制，只需將需要的轉(zhuǎn)速傳遞給變頻器，變頻器會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)至需要的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)曲線未在圖中顯示，系統(tǒng)流量為轉(zhuǎn)速與被測馬達(dá)排量的乘積，由于馬達(dá)排量是固定的，所以系統(tǒng)流量的變化過程即為轉(zhuǎn)速的變化過程）；壓力調(diào)節(jié)采用PID算法控制，由于比例溢流閥具有良好的線性關(guān)系，采用P參數(shù)控制即可滿足要求。由圖中流量曲線可以看出，在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)的情況，但在短時(shí)間內(nèi)會(huì)恢復(fù)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速。對(duì)比馬達(dá)的A口壓力（即馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)油口壓力，馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)油口為B口）曲線，在轉(zhuǎn)速變化的瞬間，壓力會(huì)隨之波動(dòng)上升，所以壓力調(diào)節(jié)要在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后進(jìn)行。從測試曲線圖可以看到，該馬達(dá)在整個(gè)測試過程運(yùn)行比較平穩(wěn)。根據(jù)測試過程中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到該馬達(dá)的參數(shù)為：實(shí)際排量125.96 mL/r，額定壓力和轉(zhuǎn)速下容積效率為97.65%，總效率為87.53%，均在測試標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，該馬達(dá)合格。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用LabVIEW自帶的DataSocket技術(shù)與OPC Server之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，方便而且穩(wěn)定，該方法適用于西門子幾乎所有的通信總線及通信卡，當(dāng)更換通信卡時(shí)，只需要在硬件配置時(shí)將通信卡換成實(shí)際應(yīng)用的通信卡并設(shè)置通信參數(shù)即可。利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)測試系統(tǒng)大大節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，且人機(jī)界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定，方便維護(hù)。該系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行半年，提高了測試的自動(dòng)化水平，減輕操作人員的負(fù)擔(dān)。

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