轴承试验机LabVIEW测控系统设计

杨丹峰，朱川峰，尤冬梅

（洛阳轴研科技股份有限公司,河南 洛阳 471039; 2.鹤壁汽车工程职业学院 电子工程系,河南 鹤壁 458030）

轴承试验机LabVIEW测控系统设计

杨丹峰1，朱川峰1，尤冬梅2

（洛阳轴研科技股份有限公司,河南 洛阳 471039; 2.鹤壁汽车工程职业学院 电子工程系,河南 鹤壁 458030）

根据轴承试验机对控制、检测、数据存储等方面的一系列要求，设计了基于LabVIEW的轴承试验机的测控系统。该系统操作简单、运行稳定可靠、控制精度高、抗干扰能力强。

LabVIEW；轴承试验机；测控系统

1 前言

轴承试验是轴承设计、制作过程中针对质量的一个验证过程[1]，其测控系统的优劣很大程度上决定了轴承试验机的性能。LabVIEW是目前最为流行的一种编程语言，其在测试测量、控制、信号处理、振动分析等领域的开发研究达到了先进的水平[1]，所以将LabVIEW引入试验机测控系统是十分重要的。本文设计了轴承试验机的LabVIEW测控系统，实现了试验机主轴转速、加载载荷、润滑温度等的精确控制，并对试验数据进行实时采集、处理、分析、记录及保存，使轴承试验机按照指定的状态运行，同时具有互锁、报警、急停等一系列保护功能。

2 轴承试验机测控系统硬件组成

轴承试验机测控系统硬件由工控机、ADLINK PCI总线的数据采集板卡、信号调理电路、传感器、变频器、伺服驱动器等组成。传感器采集的信号经过放大、隔离、滤波、A/D转换进入计算机，用LabVIEW软件来分析、处理、显示、保存，并以实时采集数据为依据实现系统闭环控制。

图1 测控系统硬件结构

3 LabVIEW软件设计

3.1 试验主程序

LabVIEW程序由前面板和程序框图组成，前面板是程序与用户交互使用的界面，程序框图是用户编写程序代码的地方。

程序前面板以图表和数值的两种形式显示温度、振动、压力、载荷等试验数据，同时还显示当前试验所运行的周期、步骤、时间，以方便工作人员观察。界面下方的状态栏分别显示当前试验机、变频器的工作状态。试验机程序前面板如图2 所示。

图2 轴承试验机程序界面

试验机程序主要实现数据采集、处理、分析、记录及保存功能，控制功能，互锁、报警、急停保护功能等。

3.2 程序功能实现

试验机测控系统功能主要由数据采集处理、串口通信、数据库存储、PID控制和记录数据存储实现。

3.2.1 数据采集处理

数据采集处理程序由“生产者-消费者模型”实现[2]，该数据采集处理流程如图3 所示。

图3 数据采集处理流程图

“生产者-消费者模型”上半部分的循环是产生（采集）数据的，而下半部分循环是消费（处理）数据的。这样使数据采集与处理同步进行，从而避免先采集后处理，处理完成后再采集的循环弊端。

“生产者-消费者模型”采用队列来实现。将一次采集到的数据送入队列，由队列将本次采集数据由“生产”循环传递给“消费”循环。在“消费”循环开始对数据进行处理的同时，生产循环释放资源进入下一轮生产，两个循环同时工作，实现数据的实时采集、处理和资源的合理运用。

3.2.2 串口通信实现

PLC、变频器、伺服驱动器、温控仪与工控机之间采用RS485通信协议。工控机通过RS485通信可以很容易监测到各设备的运行数据，了解设备运行状态，对设备进行实时控制。为了保证通信的效率和质量，针对试验机设计的RS485通信程序如图4 所示。

图4 RS485串口通信程序

该程序首先对串口进行初始化，调用VISA配置串口函数完成串口资源、波特率、数据比特、奇偶校验、停止位的设置。将数据进行校验后由VISA写入函数发送到串口通信板卡，再发送至下位机[3]。经过100ms的等待时间，调用VISA读取函数对串口数据进行采集。将采集到的数据进行校验，校验正确则将数据进行处理，转换为所需的数据输出；否则采集到的数据错误，将数据丢掉，重新进行一次问答。循环执行问答三次若还没有采集到正确的数据，则通信出错，结束通信程序。

3.2.3 PID控制实现

PID(Proportional Integral Derivative)控制结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略。LabVIEW提供了PID控制工具包，可快速有效地搭建一个数字PID控制器，精确可靠地完成系统控制要求。利用PID.vi搭建液压系统PID控制如图5 所示。

图5 液压系统PID控制

3.2.4 数据库存储实现

试验机程序中有大量的需要设置和频繁调用的数据，如设定试验机运行状态的载荷谱数据、数据处理时的一些变量、测量对象的报警值、试验的基本信息等。针对这些数据需要频繁调用和存储的特点，采用数据库的存储形式。

Microsoft Access 是在Windows 环境下非常流行的桌面型数据库管理系统， NI LabVIEW软件提供了该数据库的链接工具包(Database Connectivity toolkit)，可方便地对数据库进行保存、修改、删除和查询等。数据库操作流程图如图6 所示。

图6 数据库操作流程图

3.2.5 记录数据存储实现

轴承试验机对轴承的各项参数进行试验，试验过程中产生大量的数据，这些数据必须按照要求存储记录。

LabVIEW中常用的数据存储格式有三种：ASCII文件格式，直接二进制存储和TDMS文件格式，LabVIEW轴承试验机测控系统采用TDMS文件存储形式对采样数据进行存储。TDMS是NI公司专门为存储数据而设计的数据模型，兼顾其他两种文件格式的优点，即高速、易存取、占用磁盘空间小，而且方便其他用户或应用程序访问。

4 结论

以LabVIEW为开发平台构建了轴承试验机测控系统，完成了试验机监测与控制的一系列要求，与传统测控系统相比，其优点在于：

（1）载荷、温度、振动等信号的现场采集、分析，确保了数据的实时性和可靠性；

（2）LabVIEW的通信模块实现了工控机与变频器、温控仪等仪器的通信功能，图形化的编程环境使得解决通信故障等问题变得简单容易，很大程度地提高了通信的效率与可靠性；

（3）利用先进的PID算法对载荷进行控制，大大提高了加载系统的响应速度和控制精度；

（4）采用可靠的Access数据库对数据进行存储，降低了因数据库不稳定而带来的数据丢失问题；

（5）采用LabVIEW独有的TDMS文件存储形式对采样数据进行存储，该种存储形式不仅在精度和占用存储空间方面可以与二进制存储形式相媲美，而且其可读性也非常好，可以在Microsoft Excel中直接读取。

5 结束语

随着我国轴承产品的大量研发，对轴承试验机测控系统的测试精度、反应灵敏度、自动控制程度和数据处理分析的能力等都将提出越来越高的要求。LabVIEW编程语言在测试测量、控制、信号处理、振动分析等领域的开发研究达到了先进的水平，所以LabVIEW在轴承试验机测控系统中的应用，将推动高性能轴承试验技术迅速向前发展。

[1] 张宇,黄伟志,郝岩等.基于LabVIEW的多功能数据采集系统的设计与实现[J].自动化仪表,2013,34(8):24-26.

[2] 阮奇桢.我和LabVIEW.北京:北京航空航天大学出版社, 2012.

[3] 胡宝权,赵荣珍,马再超等.基于LabVIEW的数据采集与反馈控制通讯系统[J].仪表技术与传感器,2011,(12):32 -34,48.

（编辑：王立新）

Design of bearing tester control system based on LabVIEW

Yang Danfeng1, Zhu Chuanfeng1, You Dongmei2
(1.Luoyang Bearing Science & Technology Co. ,Ltd. , Luoyang 471039 ,China;2. Department of Electronic Engineering, Hebi Automotive Engineering Professional Collage, Hebi 458030, China)

According to requirements of the bearing testing machine in such aspects as control, detection, data storage and so on, a measurement and control system based on LabVIEW for bearing testing machine was designed. The system has simple system operation, stable operation, high control accuracy, strong anti-interference ability, etc.

LabVIEW; bearing tester; measurement and control system

B

1672-4852（2014）04-0046-03

2014-08-13.

杨丹峰（1987-），女，助理工程师.