基于LabVIEW和OPC的三軸加載機測控系統(tǒng)開發(fā)

林獻坤，朱 琳，高禮剛

(上海理工大學機械工程學院，上海 200093)

0 引言

在現(xiàn)代科研和生產中，力模擬加載試驗是產品開發(fā)中一個非常重要的環(huán)節(jié)。力學性能的好壞直接影響到對產品性能的研究，甚至決定產品研制成功與否［1］。目前，加載試驗機已得到廣泛的應用，但是一些大型的疲勞結構件由于其工作載荷復雜，普通試驗臺難以對其進行全方位的加載試驗［2］。

加載機的開發(fā)與應用已得到較大關注，梁來雨等給出了多維力加載試驗臺液壓系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)多維力的加載［2］;曾慶良等給出了液壓加載電機試驗臺的設計，采用液壓以及電磁比例溢流閥，實現(xiàn)對電機連續(xù)平穩(wěn)的遠程加載［3］;賈光政等給出了基于PLC的比例控制液壓加載系統(tǒng)的開發(fā)，將PLC與電液比例控制系統(tǒng)結合，提出了“PLC+比例溢流閥+傳感器”的數據采集與控制模式［4］，實現(xiàn)壓力、流量的連續(xù)、精確控制，具有良好的系統(tǒng)性能。在加載機的開發(fā)和應用中，測控系統(tǒng)在加載機的工作中起著舉足輕重的作用，是多軸加載實現(xiàn)功能的關鍵環(huán)節(jié)。崔海全等給出了一種應用C#高級編程語言設計測控系統(tǒng)的方法［5］。雖然運行速度快，但在傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境(VB，VC++，C等)下開發(fā)的測控系統(tǒng)，調試和維護困難。孫朝輝等給出一種采用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)測控系統(tǒng)的方法［6］。雖然靈活性好、具有可組態(tài)性，但開發(fā)環(huán)境相對封閉，功能有限。

本文針對加載機及其測控系統(tǒng)現(xiàn)有研究的優(yōu)缺點，將六自由度平臺技術引入加載試驗臺，且將電液比例控制系統(tǒng)與PLC結合，設計出高性能的三軸加載機。分析所設計的三軸加載機及其實現(xiàn)空間三方向可控力加載所具有的功能需求，開展其測控系統(tǒng)研究，以PLC和LabVIEW作為實現(xiàn)三軸加載機測控系統(tǒng)功能的開發(fā)平臺，探索軟件實現(xiàn)的方式和測控系統(tǒng)數據交互方式，為三軸加載機測控系統(tǒng)提供一種實現(xiàn)方案。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 控制對象結構

為實現(xiàn)空間三方向可控力加載，建立如圖1所示的三軸加載試驗臺。圖中試驗臺具有1 t加載軸、10 t加載軸、30 t加載軸。其中1 t加載軸為多角度加載裝置，加載軸的方向可以360°旋轉，實現(xiàn)任意方向的加載。10 t加載軸為垂直加載裝置，進行z方向的加載。30 t加載軸為水平加載裝置，進行x方向的加載。三軸的運動通過操作臺手動控制，依次完成預緊、加載、后退等動作。其中三軸的具體運動控制為:首先按下使能按鈕，將方向旋鈕調到前進檔，然后按下操作按鈕，開始預緊。當達到預緊力時，松開操作按鈕，再次按下操作按鈕，才會繼續(xù)加載，并且可以調節(jié)操作臺上的電阻旋鈕，設定需要加載的最大力。當加載完成后，將方向旋鈕調到后退檔，進行后退。

在每一個加載油缸前端，串聯(lián)了一個力傳感器，加載測試時可直接讀出加載力的數值。在每一個加載油缸的另一端活塞桿上，連接一個位移傳感器，加載測試時與力傳感器合并運用可直接讀出在不同的加載力下測試件發(fā)生的形變位移量。

圖1 三軸加載試驗臺

1.2 控制系統(tǒng)結構

LabVIEW是圖形化的程序語言，又稱為“G”語言，提供了大量與實際儀器相似的旋鈕、開關、指示燈等控件，是實現(xiàn)儀器編程和數據采集系統(tǒng)的便捷方式，相對于傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境(VB，VC++，C等)以及工控領域應用較廣的WinCC、組態(tài)王等組態(tài)軟件，其運行速度快，調試和維護簡單，靈活性好。OPC(OLE for Process Control)是基于 Windows NT技術的 OLE，COM/DCOM接口的擴展，其本質是OPC Client用一種開放的、標準化的通訊方式與OPC Server進行通訊［7］。PLC是一類可編程邏輯控制器，是實現(xiàn)加載機動作控制的關鍵。其具有邏輯控制功能強、編程方便、可靠性高的特點，同時還具有數學運算、PID運算、模擬量處理等功能。

針對三軸加載機控制對象，應用FX3U型PLC、OPC以及LabVIEW設計了如圖2所示的三軸加載機測控系統(tǒng)結構。系統(tǒng)中應用工控機作為上位機，通過LabVIEW進行人機界面設計，采用OPC驅動方式與PLC通訊。PLC作為下位機直接與操作臺和檢測元件進行信號傳輸，實現(xiàn)加載變形數據的采集和控制?？刂瓢粹o可以通過PLC對三軸加載機進行手動控制。系統(tǒng)中主要元件有變量葉片泵、液壓缸、電磁換向閥、比例減壓閥等，測量元件有拉壓力傳感器、位移傳感器等。

1.3 OPC實現(xiàn)方法

在運行Windows平臺的PC上，安裝OPC服務器并創(chuàng)建與PLC的連接通道(OPC服務器基本包含常用控制器的所有驅動)［8］，按照OPC Servers變量規(guī)則創(chuàng)建變量，實現(xiàn)與PLC的數據交換，在OPC Quick Client中可以查看變量數據交換情況。如圖3所示為項目創(chuàng)建的OPC Servers與FX3U－64MT PLC數據交換情況圖。LabVIEW進行數據寫入，就是將LabVIEW發(fā)布的數據先送到OPC服務器，然后OPC服務器通過RS422編程口傳給PLC，完成寫的過程;LabVIEW讀現(xiàn)場數據就是將傳到OPC服務器中的數據讀上來并在前面板顯示出來［9］。

2 過程控制軟件設計

圖2 三軸加載機測控系統(tǒng)結構示意圖

圖3 OPC Servers與PLC數據交換

過程控制軟件設計主要包括加載軸的控制和測試系統(tǒng)的數據管理兩個方面。其中測試系統(tǒng)的數據主要包括對測試數據的標定、工程化數據轉化以及對測試系統(tǒng)的精度補償，而加載軸的控制是本過程控制軟件的核心。為了使三軸的加載具有一致的時間反應和功能響應，本文應用虛擬軸技術實現(xiàn)了多軸加載控制的軟件設計。

虛擬軸的控制原理和方法如圖4所示，其中有一套虛擬軸程序控制三軸運動，依次完成預緊、加載、后退三個動作。所有虛擬軸程序的內存空間，等間距偏移，循環(huán)執(zhí)行，并且利用指針的調用，順序執(zhí)行三軸運動程序。比如控制三軸運動時，手動控制1 t軸操作按鈕，標準軸操作程序(預緊、加載、后退)運行，由于系統(tǒng)本身定義1 t軸、10 t軸、30 t軸的軟元件編號，間隔數字100，這時程序中調用指針Z0，即執(zhí)行了1t軸相應的動作;當手動控制10 t軸操作按鈕，再次運行標準軸操作程序，調用指針Z100，即執(zhí)行10 t軸相應的動作;當手動控制30 t軸操作按鈕，運行標準軸操作程序，再次調用指針Z200，即執(zhí)行30 t軸相應的動作。

3 監(jiān)測軟件設計

3.1 監(jiān)測軟件的總體功能

在測控系統(tǒng)中，監(jiān)測軟件是實現(xiàn)三軸加載機加載變形數據存儲和可視化的關鍵。本文在硬件設計基礎上使用LabVIEW以及NI專業(yè)開發(fā)工具包，開發(fā)了三軸加載機的測控系統(tǒng)上位軟件。

圖4 虛擬軸編程的PLC控制程序結構圖

當軟件運行時，首先出現(xiàn)的是三軸加載機測控系統(tǒng)的主界面。主界面是一個總的控制模塊，由主控制模塊調用各個模塊。軟件具有的功能模塊包括:主控制模塊、數據采集處理模塊、通訊設置模塊、零漂設置模塊、加載保護模塊、補償設置模塊、數據存儲模塊、故障檢查模塊。如圖5所示為測試程序結構，圖中的數據采集模塊包含數據的實時采集、處理和顯示;零漂設置模塊包含重置各軸拉壓力傳感器的零漂值;加載保護模塊包含設置加載力的最大范圍，保證加載的安全性;補償設置模塊包含設置一些補償參數，保證變形量、加載力測量的精準度;數據存儲模塊包含設置數據存儲格式以及決定數據是全程存儲還是階段性存儲;故障檢查模塊主要包含一些錯誤信息反饋，以便用戶能夠容易地找出錯誤，提高效率。

圖5 測試程序結構圖

3.2 位移和壓力測量系統(tǒng)

通過建立 I/O服務器(OPC Client)，采用 OPC通道與FX3U型PLC通訊，利用共享變量的方式采集三個軸的加載變形數據比如位移、壓力兩個參數的數據，并采用LabVIEW中二維圖形控件如波形圖表，在前面板顯示數據，監(jiān)控數據之間的關系及變化趨勢。用戶可以根據實驗要求自由設置曲線數量、曲線顏色、曲線的顯示比例、保留數據的緩沖區(qū)長度、數據采樣周期、坐標軸顯示、坐標軸刻度樣式等信息。

3.3 數據存儲

測控系統(tǒng)主要是存儲三軸(1 t軸、10 t軸、30 t軸)的加載力以及工件的變形數據。如圖6所示為1 t軸數據存儲程序，在While循環(huán)外，調用文件基本操作，如打開/創(chuàng)建/替換文件等操作。設置文件位置函數用于在文件起始處設置標記，為后續(xù)文件寫入操作設置服務。為滿足數據存儲的格式要求，調用時間字符串/格式化日期函數、字符串至路徑轉換函數、連接字符串函數，構造文件的存儲路徑以及存儲表格中列的名稱，如表格的命名方式為data2014－0617－205 0.xls，數據在文件 data2014－0617－2050.xls的第一行的7個單元格內分別寫入采集時間、1 t軸變形量、1 t軸加載力、10 t軸變形量、10 t軸加載力、30 t軸變形量、30 t軸加載力這7個字符串。

在While循環(huán)內，加入條件結構函數，用戶可根據自己實驗與數據的需求，通過軟件操作界面上的數據存儲布爾控件，決定數據是全程存儲還是階段性存儲［10］。

圖6 1 t軸數據存儲程序結構

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

依據上述系統(tǒng)結構和數據存儲方式的設計，利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺和OPC通道設計了如圖7的人機交互界面。其中人機交互界面分為3個區(qū)域:加載控制區(qū)、數據采集區(qū)、數據在線顯示區(qū)。加載控制區(qū)中用戶可以通過鼠標選擇所需要的功能。數據采集區(qū)采用LabVIEW中二維圖形控件波形圖表，展現(xiàn)出數據的變化趨勢，并配以數值實時顯示工件的變形量，可以讓用戶更直觀地分析實驗數據。數據在線顯示區(qū)可以顯示一些重要數據(如力傳感器的當前零漂值)，也可以檢查工件變形量和加載力的正確性，如檢查變形量是否等于當前位移值減去預緊時的位移值，加載力是否等于當前壓力值減去預緊力值。

系統(tǒng)測試表明，加載力精度為0.2% ～0.5%F.S，PLC控制程序時間占用9 ms，人機交互軟件每隔100 ms采集1個數據點，目標控制時間約為1 s，設計的測控系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

5 結束語

(1)通過對加載機及其測控系統(tǒng)的研究，設計了應用FX3U型PLC和LabVIEW實現(xiàn)三軸加載機測試控制的系統(tǒng)方案。

(2)確定并采用OPC通道實現(xiàn)LabVIEW與PLC的數據交互，給出了一種基于虛擬軸技術編程的PLC控制程序實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了三軸加載機的邏輯控制。

(3)采用LabVIEW軟件平臺，設計了人機交互界面，實現(xiàn)了數據采集及其加載變形數據的管理。

［1］王平.軸向伺服加載試驗系統(tǒng)設計及研究:［學位論文］.杭州:浙江大學，2012.

［2］梁來雨，李維嘉.多維力加載試驗臺液壓系統(tǒng)設計.液壓與氣動，2011(1):53－55.

［3］曾慶良，萬麗榮，周紅.液壓加載電機試驗臺.煤礦機電，2000(3):37－39.

圖7 三軸加載機測控系統(tǒng)軟件界面

［4］賈光政，孟祥偉，張富臣，等.基于PLC的比例控制液壓加載系統(tǒng).液壓與氣動，2010(7):14－16.

［5］崔海全，張春梅，趙志誠.基于C#液位過程測控軟件的設計與實現(xiàn).太原科技大學學報，2012，33(1):1 －5.

［6］孫朝輝，喬黎，許偉鴿，等.飛機附件液壓泵加載測控系統(tǒng)設計.測控技術，2013，32(9):97 －99.

［7］朱青，王直，李垣江，等.基于LabVIEW與OPC的船舶機艙報警系統(tǒng)設計.現(xiàn)代電子技術，2009(1):129－131.

［8］江豪，王永華.基于LabVIEW軟件平臺的壓力元件測控系統(tǒng).儀表技術與傳感器，2011(9):33－35.

［9］喬毅，欒美艷，袁愛進，等.基于LabVIEW和OPC的數據通信的實現(xiàn).控制工程，2005，12(2):153 －155.

［10］李明月，肖武，都健，等.基于LabVIEW的小型精餾塔測控系統(tǒng)開發(fā).實驗室研究與探索，2013，32(4):30 －35.

［11］RICHARD B，TAQI M，MATT N.Labview:Advanced Programming Techniques.2nd Edition.Boca Raton:CRC Press，2006.