液壓試驗(yàn)臺(tái)遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃 勛，武利友

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

0 引 言

液壓試驗(yàn)臺(tái)是液壓技術(shù)研究、液壓產(chǎn)品研發(fā)產(chǎn)業(yè)化的主要設(shè)備。液壓試驗(yàn)臺(tái)的智能化測(cè)控系統(tǒng)是建立在液壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)等收集采集試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，使非現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員可以隨時(shí)了解試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)及試驗(yàn)過程；在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)運(yùn)行狀況異?；蛘吖に噮?shù)偏離設(shè)定目標(biāo)值時(shí)，可以及時(shí)解決、控制試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，使試驗(yàn)過程安全可靠。研究與應(yīng)用液壓試驗(yàn)智能化測(cè)控系統(tǒng)將成為中國(guó)未來液壓試驗(yàn)系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

目前，中國(guó)液壓試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)與國(guó)外還存在較大差距。華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)了液壓試驗(yàn)臺(tái)智能液壓測(cè)控系統(tǒng)；北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所采用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)對(duì)液壓試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理；燕山大學(xué)利用高性能數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，使其精度得到了提高。以上試驗(yàn)臺(tái)的共性是采用計(jì)算機(jī)集中控制，但利用率不高，適用性不強(qiáng)［1－3］。

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和管理為目標(biāo)，研究液壓遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)；根據(jù)液壓產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能、使用環(huán)境、試驗(yàn)環(huán)境，分析得出適合的試驗(yàn)工藝過程及狀態(tài)參數(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)控，從而做到試驗(yàn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，以提高液壓試驗(yàn)系統(tǒng)的效率和質(zhì)量［4－6］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的液壓試驗(yàn)臺(tái)遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、中央控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等子系統(tǒng)組成［7－8］。該系統(tǒng)的目標(biāo)是為液壓試驗(yàn)系統(tǒng)提供良好的運(yùn)行環(huán)境，合理精確地控制試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、高效地利用試驗(yàn)測(cè)控條件達(dá)到最佳試驗(yàn)效果。遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能分析

該系統(tǒng)的主要功能是，在物聯(lián)網(wǎng)迅速、準(zhǔn)確傳輸?shù)幕A(chǔ)之上，依據(jù)以往的液壓試驗(yàn)規(guī)范，在可控的環(huán)境下尋找液壓產(chǎn)品最佳試驗(yàn)環(huán)境，并能根據(jù)不同產(chǎn)品所需的不同運(yùn)行條件實(shí)時(shí)測(cè)試及遠(yuǎn)程化操作，為液壓試驗(yàn)研究提供準(zhǔn)確、便捷、可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)。因而，該系統(tǒng)具有以下5個(gè)功能模塊［9－12］。

（1）數(shù)據(jù)支持功能。當(dāng)前中國(guó)液壓試驗(yàn)系統(tǒng)處于初級(jí)發(fā)展階段，液壓試驗(yàn)測(cè)控方面的資料、經(jīng)驗(yàn)積累有限，因而建立與完善液壓試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)已成為發(fā)展液壓試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)由液壓產(chǎn)品使用條件、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等因素構(gòu)建而成，主要包括液壓產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)、產(chǎn)品的使用條件以及測(cè)試時(shí)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行環(huán)境等。

（2）決策支持功能。系統(tǒng)在測(cè)試功能上應(yīng)滿足多種液壓產(chǎn)品的測(cè)試需求，通過物聯(lián)網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。決策支持主要包括是否滿足產(chǎn)品測(cè)試需要的狀態(tài)條件，實(shí)時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)控。

（3）數(shù)據(jù)獲取功能。系統(tǒng)具有專用數(shù)據(jù)輸入接口，獲取的主要數(shù)據(jù)有：產(chǎn)品正常使用時(shí)的技術(shù)參數(shù)；試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，如壓力、流量、轉(zhuǎn)速等。

（4）輔助支持系統(tǒng)。設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面的評(píng)價(jià)工作由該系統(tǒng)負(fù)責(zé)；同時(shí)它可以提供知識(shí)查詢和數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)，并對(duì)文檔和數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行打印等［6］。

（5）系統(tǒng)維護(hù)功能。主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)工作。

1.3 系統(tǒng)框架構(gòu)建

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)、功能的分析，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的液壓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，它包含用戶登錄模塊、中央控制模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、人機(jī)交互模塊等，如圖2所示。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)框架

（1）用戶登錄模塊。該模塊可以提供試驗(yàn)員、管理員以及領(lǐng)域?qū)＜业卿浫肟?。試?yàn)員可以直接登錄進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)；領(lǐng)域?qū)＜液凸芾韱T登錄進(jìn)入系統(tǒng)后，可以設(shè)置登錄權(quán)限和登錄密碼。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包含液壓產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)、產(chǎn)品的使用條件以及測(cè)試時(shí)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境等，為實(shí)時(shí)精確控制提供依據(jù)。

（3）人機(jī)交互模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)了測(cè)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程顯示，其主要任務(wù)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入、信息查詢等［13－15］。

1.4 系統(tǒng)工作原理

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并將監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)等實(shí)時(shí)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析處理后，再根據(jù)決策系統(tǒng)中的理想試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行有效決策，最后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)、智能控制［16－17］。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)的硬件由PC、PLC、變頻器、比例閥放大器、比例溢流閥、傳感器等組成，綜合考慮布線和現(xiàn)場(chǎng)控制的要求，采用“集中控制，集中管理”的方案。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上可分為管理層、控制層和設(shè)備層，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

管理層主要由運(yùn)行工控機(jī)、UPS不間斷電源和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。工控機(jī)用于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和運(yùn)行操作，UPS不間斷電源用于為各種設(shè)備提供備用電源，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸?？刂茖又饕勺冾l器、PLC控制器、比例閥放大器等組成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件、各試件的工藝要求和復(fù)雜程度，來完成各系統(tǒng)的運(yùn)行及管理。設(shè)備層則是控制系統(tǒng)的最底層，主要由I／O設(shè)備、電動(dòng)機(jī)、接觸器繼電器、比例閥等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成［18］。

測(cè)控系統(tǒng)可對(duì)加載壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度等進(jìn)行精確控制，通過工控機(jī)向被控對(duì)象發(fā)出模擬量控制信號(hào)。由于要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制，需要被控對(duì)象發(fā)送反饋信息至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信息采用PID算法控制消除偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度的精確控制。PLC的作用是采集液壓綜合試驗(yàn)臺(tái)在運(yùn)行狀態(tài)下的壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度、液位等物理信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由傳感器實(shí)時(shí)采集后，傳送給PLC模擬量輸入模塊，最終通過工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送到工控機(jī)，并在工控機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、顯示［19］。

3 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)體系架構(gòu)

遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器、MTM（Machine To Machine）平臺(tái)和應(yīng)用軟件5個(gè)部分組成，其架構(gòu)體系如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)體系架構(gòu)

其中，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模塊提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢等功能，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場(chǎng)各傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)、報(bào)表數(shù)據(jù)、信息平臺(tái)發(fā)布數(shù)據(jù)和管理平臺(tái)應(yīng)用數(shù)據(jù)等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、更新產(chǎn)品使用數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)性和并發(fā)性保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

MTM是把多種不同類型通信技術(shù)結(jié)合在一起，形成機(jī)器間通信、人機(jī)交互通信、互聯(lián)網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)。

3.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是遠(yuǎn)程通信程序的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)、下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)等。軟件的編寫采用美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)的虛擬儀器平臺(tái)LabVIEW （Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench）。LabVIEW具有簡(jiǎn)單易學(xué)、通用性好、平臺(tái)交互性好、編程效率高等特點(diǎn)，是現(xiàn)在工程應(yīng)用、科學(xué)研究中適用性較強(qiáng)的開發(fā)軟件工具。3.2.1 系統(tǒng)軟件主要功能

（1）試驗(yàn)系統(tǒng)信息的采集與處理。系統(tǒng)軟件可以實(shí)時(shí)、定時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，隨時(shí)了解試驗(yàn)臺(tái)的基本信息，以便于自動(dòng)控制試驗(yàn)系統(tǒng)。

（2）試驗(yàn)信息管理。試驗(yàn)信息管理主要實(shí)現(xiàn)查詢、修改、統(tǒng)計(jì)、打印、添加、刪除相關(guān)信息。

（3）自動(dòng)報(bào)表生成。系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)生成報(bào)表和打印功能，可以將試驗(yàn)臺(tái)的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，生成報(bào)表并打印。

3.2.2 遠(yuǎn)程通信程序的設(shè)計(jì)

LabVIEW有多種方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，如用TCP／IP等傳輸控制協(xié)議、DataSocket技術(shù)以及使用瀏覽器遠(yuǎn)程查看網(wǎng)頁(yè)等。本文采用DataSocket技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

DataSocket是NI公司提供的一種網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)工具，可以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源間的數(shù)據(jù)共享。

（1）服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)。服務(wù)器VI產(chǎn)生數(shù)據(jù)，通過DataSocket Write節(jié)點(diǎn)向指定的URL：dstp：／／192.168.11.202／switch寫入數(shù)據(jù)。其程序如圖5所示。

（2）客戶機(jī)端程序設(shè)計(jì)。客戶機(jī) VI通過DataSocket Read節(jié)點(diǎn)從指定的RUL：dstp／／192.168.11.202／switch讀出數(shù)據(jù)，并還原為原來的數(shù)據(jù)，送到前面板窗口顯示出來。在上述程序運(yùn)行前，首先必須從Windows程序菜單中打開DataSocket服務(wù)器?？蛻魴C(jī)端程序如圖6所示。

圖5 服務(wù)器端程序

圖6 客戶機(jī)端程序

4 結(jié) 語(yǔ)

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到液壓試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，使得液壓測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層次分明，具有較強(qiáng)的柔性。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的延伸，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的推廣。通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行進(jìn)行分析，可以完成對(duì)液壓泵、馬達(dá)等元件的性能測(cè)試。采用SIMATIC S7－1200型PLC為控制核心作為下位機(jī)、以PC機(jī)作為上位機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，組成基于工業(yè)以太網(wǎng)的電磁閥油溫性能的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，基于LabVIEW的上位機(jī)編程軟件功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、開放性（可擴(kuò)充性）好、操作方便，并提供了良好的人機(jī)界面?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，該測(cè)控系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、易操作、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。