多路温度巡检系统在轴承试验机中的应用

2014-07-24王恒迪秦超翟鑫郑银行

轴承 2014年9期

王恒迪，秦超，翟鑫,2，郑银行

(1.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2.91362部队，浙江舟山 316215)

轴承作为重要的机械基础件，广泛应用于各工业领域，其质量的好坏直接影响设备的性能，而轴承试验是评定轴承质量的有效途径之一[1]。轴承试验机主要是模拟轴承实际使用工况，对轴承进行试验。试验过程中，由于需要模拟特定的温度环境，要求对温度进行监控，以保证温度在试验要求范围内。当试验条件发生变化时，温度也会发生相应变化，转速以及施加载荷的改变都会引起温度的变化，而且试验条件与温度变化具有对应的关系。增大转速或载荷都会引起温度的升高，当试验机转速达到90 000 r/min以上，即处于高速运转时，温度变化更为显著，特别是当轴承出现故障等情况时，均会直接通过温度这一参数显示出来[2]。由此可见，温度的检测和控制直接与设备性能、试验安全及其效率等重要指标相关联，温度监控在整个试验过程中尤为重要。

1 主要技术及指标

1.1 主要技术指标

润滑油供油温度为100 ℃，润滑油回油温度不高于150 ℃，供油温度相对误差为±5%，试验轴承外圈温度不高于150 ℃，加载轴承外圈温度不高于150 ℃，电主轴内部温度不高于100 ℃，加热器功率为9 kW。

1.2 工作原理

系统主要由温度传感器、信号调理盒、温控仪、PCI多路串口卡、NI PCI-6221数据采集卡、控制计算机及加热器等组成。系统结构如图1所示。试验时，主要对润滑油供油温度和回油温度、电主轴内部温度、试验轴承外圈温度、加载轴承外圈温度以及油箱内润滑油温度等进行监测，其中回油温度包括：试验轴承左、右侧回油温度和加载轴承回油温度。考虑到轴承外圈是存在一定弧度的金属结构，系统选用德国欧普士CTLT20型在线式红外温度传感器对外圈温度进行测量。此传感器测头具有体积小、耐高温、响应速度快等优点，通过信号调理盒，可以方便选择信号输出方式，响应时间小于300 ms，能够快速测出外圈温度。安装前需在机壳对应的测点处加工螺纹通孔，将测头旋入即可，这样测头处于密闭空间，避免了外界环境对测头的影响，能够较好地完成对外圈温度的测量。润滑油油温测量采用Pt1000型铂电阻温度传感器，而电主轴内部温度由其自带的Pt100型铂电阻温度传感器进行测量。

图1 系统结构图

采用带有调理电路和A/D转换电路的温控仪把温度传感器输出的电压信号转变为数字信号，然后通过RS485接口传输给上位机，实现温度数据的传输。为了快速读取仪表数据，采用多路串口卡同时与其通信。多路串口卡的主要作用是将上位机的PCI接口转换成多个串口，以满足温控仪对串口数量的需要，可以有效减少读取温度数据通信所用时间。上位机根据温控仪的通信格式把指定的串口初始化为波特率9 600 b/s，数据位8位，无奇偶校验位，1位停止位，上位机使用VISA写入函数将输出缓冲区中的数据发送到VISA 资源名称指定的串口，利用VISA读取函数从指定的串口中读取返回的指令，并将返回的指令送至缓冲区，实现温度数据从仪表到上位机的传输。

根据技术指标要求，润滑油供油温度应控制在100 ℃左右。具体做法为：启动加热器和供油电动机，由于润滑油在低温时黏稠度较高，需要关闭节流阀，润滑油通过溢流阀进行内循环，使油温均匀上升；当供油口温度达到设定值后，上位机程序通过PID控制算法得到系统的控制量，由NI PCI-6221数据采集卡数字I/O口把控制量送至固态继电器控制端，在控制加热器工作状态的同时开启节流阀让润滑油通过试验机，给试验机机体预热；用带有上限报警功能的温控仪对回油温度进行显示和控制，待回油温度达到设定值后，仪表报警的同时加热器停止运行，从而实现对润滑油回油油温的调节。润滑油温度控制流程如图2所示。

图2 润滑油温度控制流程图

根据试验机对电主轴的性能要求，电主轴在运行时，内部温度不得长期高于100 ℃，否则会造成电主轴损坏。温控仪报警回差值为5 ℃，使用前应先设置上限报警参数，当温度超过设置值时，仪表内部继电器吸合，利用这一原理，将继电器的常闭触点与接触器的线圈串联，电主轴一旦超温，接触器将自动断开电主轴电源，实现对电主轴的保护。

在系统运行过程中，各温度传感器响应时间不同，经过温控仪采样、传输，上位机完成一次温度巡检所需要的时间为0.5 s左右，能够满足轴承试验机的试验要求。由上述技术指标可知，各温度测试点都有上限要求，但由于温度本身具有滞后性，再加上外界干扰和信号传输速度的影响，使得温度并不能被实时地传送到温控仪和上位机中，这将导致当温度测试点已经达到上限值时，温控仪和上位机并没有发出报警停机信号。为了保证系统长期稳定、安全运行，在实际操作中，需要根据试验轴承类型和试验时间来设定报警参数，一般可使温控仪和上位机中的温度上限报警参数设定值略低于实际要求的上限值。

2 软件设计

该系统中的软件部分由温度数据采集、润滑油供油温度PID控制、数据存储、报表生成与打印、历史数据查询及串口通信等模块组成。上位机程序采用LabVIEW作为开发平台，具有界面友好，操作简单等特点。

2.1 数据采集与串口通信

串口通信是一种在计算机与外部设备以及计算机与测试系统之间最简单、最普遍的数据通信方式。一般计算机都内置串口，使用相对方便，只需用串口线连接计算机和外部设备即可实现收发数据的目的[3]。本系统选用的温控仪具有RS485接口，并支持标准Modbus RTU协议，可以轻松实现与上位机通信。

RS485接口标准主要是用于多站通信，最高传输速率为10 M/s；最大距离约为1 200 m，能够满足较远距离传输；通过双绞线实现主从通信，具有较强的抗干扰能力[4]。Modbus RTU通信协议指令包括地址码、功能码、数据区及校验码。指令的第1个字节为地址码，用来确定接收指令的从机，每个从机都有唯一的地址码，且每个从机只能接收与其地址码相对应的指令；指令的第2个字节是功能码，其作用是指示从机执行何种动作。本系统温控仪只用到读取和写入寄存器2条指令，读取寄存器功能代码为03H，写入寄存器功能代码为06H。数据区根据不同的功能码而不同，可以是实际数据、设置点等。校验码为二字节的错误检测码，系统中的四路温控仪使用的是CRC-16校验码。

外界干扰可能引起读取的数据不完整，为了防止程序一直处于读取某一通道温度的状态，程序中加入了错误处理机制，规定读取100次还没有读取到完整数据，上位机发送重新读取指令，反复3次，如果还是读取失败，则放弃此通道并报警。程序流程如图3所示。

图3 错误机制处理逻辑流程图

温度巡检开始时，上位机首先向仪表发送指令，例如使用上位机COM1口，向地址为1的仪表发送读取通道1的温度指令，其指令为：0103 0000 0001 840A。当1号仪表收到指令后，会将1通道温度数据按照指令格式返回给上位机，此时程序处于读取串口状态，直到读取到完整数据。然后通过程序实现寄存器地址的变化，并重新计算CRC值，依次实现各通道温度数据的巡检，通信子程序如图4所示。

图4 通信子程序

2.2 润滑油供油温度PID控制

轴承试验过程中对润滑油供油温度要求比较精确，要求控制在100 ℃左右，且上下浮动范围不能超过5 ℃。该系统采用PID控制算法对润滑油供油温度进行调节，以保证温度在要求的范围内。在工程实际中，PID控制算法广泛应用于温度、流量、压力及液位等的控制。采用PID控制是为了得到响应时间短、超调量减小和稳态误差为零的系统。其中比例(P)控制可以使系统误差快速反应出来，减小静态误差，但并不能消除静态误差，且比例系数越大，系统越不稳定；积分(I)控制能够不断地积累系统误差，然后输出控制量消除误差；微分(D)控制可以提高系统的稳定性，使系统超调量减小。

虚拟仪器中有应用于工控方面的PID工具包，工具包中主要包含PID和Fuzzy PID控制模块。把PID工具包和LabVIEW的强大算法和逻辑功能相结合，可以很方便地编写出轴承试验机所需的温度自动控制系统。由于基于LabVIEW的温度控制是一种采样控制，需要根据不同采样时刻的温度偏差值计算控制量，一般采用数值的方法来逼近[6]。例如，在采样时刻t，PID控制器通过计算3个参数作用之和，可以得出PID控制器的输出值。本系统PID控制流程如图5所示。

图5 PID控制流程图

温度传感器铂电阻Pt1000测量的温度信号经过温控仪的信号调理和模数转换电路得到数据量，数据量通过RS485接口传输到上位机中，在LabVIEW程序中通过PID控制模块对数据量进行处理，根据润滑油温度设定值计算调控量，用调控量改变方波的脉冲宽度，从而得到随调控量变化的控制脉冲信号。然后通过数据采集卡PCI-6221的数字输出I/O口AO输出控制脉冲，控制固态继电器的通断，从而控制加热器的工作状态。在虚拟仪器控制平台中，对采集到的温度信号进行控制、显示和输出，完成温度控制系统的闭环负反馈，通过改变当前温度值去逐步逼近设定值，最终达到控制温度的目的，保证油温在规定的范围内[7]。温度控制曲线和稳定情况下的温度波动曲线如图6和图7所示。

图6 润滑油供油温度测控曲线

图7 稳定情况下的温度波动曲线

2.3 数据存储与查询

2.3.1 数据存储

轴承试验中，试验数据是最为关键的一部分，是考核轴承的重要依据，对工艺的改进和方案的修改具有指导作用。为了以后查看，同时方便其他程序调用处理，系统对采集到的温度数据进行实时存储。

LabVIEW保存数据主要有二进制文件、Excel文件和文本文件3种格式。每套轴承要求试验过程长达1 000 h以上，至少需要试验3套轴承，因此需要存储大量的数据。综合考虑确定选择文本文件格式存储温度数据，这种格式按字节对文件进行读写，具有通用性较好，读写速率快，可以被其他应用程序调用等优点。文本文件默认属性不具有独占性，打开文件查看数据时不会影响上位机程序继续写入数据，既能够方便查看数据，又不会占用太大的磁盘空间。

2.3.2 数据查询

查询历史数据通过读取温度数据文件来实现。利用程序读取温度数据以及与之对应的存储时间并创建波形，温度数据最终被送入波形图，以曲线形式显示更加直观。利用波形图的图形工具选板可以轻松实现对曲线的放大、缩小及移动等操作；波形图的游标功能可以满足对具体时刻温度数据的查看。

2.4 报表生成与打印

温度数据报表是记录测量数据的重要凭证，也是显示测量结果最直观的方法之一，同时报表对轴承工艺的改进也非常重要。

2.4.1 试验温度报表

试验温度报表在每次试验结束时生成，主要记录每次试验过程中的温度曲线、试验时间及时长、操作人员、轴承编号、试验条件等内容。试验温度报表使用Report Generation Toolkit for Microsoft Office工具包和模板法生成[8-9]。

2.4.2 每套轴承试验温度报表

该报表主要记录每套轴承试验过程中试验机各部分的温度曲线、试验时长、轴承编号及试验条件等内容，由于包含全部温度数据，所以对整个试验起着至关重要的作用。当轴承在试验过程中出现质量问题时，可以通过查看每套轴承试验温度报表查找分析原因。报表中最重要的数据是温度曲线，为了更加直观地显示温度曲线，每套轴承试验温度报表采用打印前面板的方法实现，该方法编程简单，操作方便。