基于LabVIEW的轴承试验机控制系统设计

何宇

摘要 本文设计了基于LabVIEW的轴承试验机控制系统，实现了对试验机主轴转速、加载载荷、润滑温度等进行精确控制，同时具有互锁、报警、急停等一系列保护功能。试验结果表明：基于LabVIEW的轴承试验机测控系统具有运行稳定可靠、控制精度高、系统操作简单等优点。

【关键词】控制系统 轴承试验机 虚拟仪器

1 引言

直升机主旋翼轴轴承处于重要地位，该轴承受力情况复杂，工作性能及寿命要求严格。轴承试验机通过液压驱动马达和压力缸，模拟轴承的转速、载荷及弯矩，润滑油站通过调节压力温度模拟轴承润滑环境。其用途包括：轴承转速及承受径向、轴向和力矩静载荷的性能试验，轴承耐久性和动载荷谱疲劳寿命试验等。目前，虚拟仪器技术已经成为基于计算机的自动化控制技术主要发展方向。LabVIEW软件在数据采集及处理方面更具优势。在试验机的控制方面也有很多成功案例。

针对轴承试验机测点多，自动化程度高的要求，使用LabVIEW平台开发控制系统。可实现轴承载荷、马达转速、供油压力及温度控制功能。同时完成各参数测试，试验机工作状态的监测，参数报警及保护停车。本文主要分为结构设计及软件设计两个方面介绍控制系统设计。

2 控制系统结构设计

本试验机与多个试验机共用同一厂房，间隔紧密，干扰源多，而操纵间与试验机距离远，因此在控制系统中采用分布结构，将控制器等硬件布置在现场，使模拟信号转化为抗干扰能力强的数字信号，由工业以太网通讯至远端的计算机。

控制系统以PLC为中心，试验器的液压马达、电液比例阀、加热器控制端其相连。控制命令可由计算机程序下达，也可通过调节操纵台的电位器给定，而后PLC完成对试验器的转速、载荷、油温油压的自动或手动控制功能。

2.1 载荷及转速控制

轴承载荷控制采用“油压.力”双闭环反馈调节，由液压管路上的压力传感器及液压油缸的力传感器变送输出电压信号，经采集通道传入PLC，控制电液比例阀的开度，改变液压油压力，最终调节液压油缸施加的载荷。

液压马达转速控制采用“油压.转速”双闭环反馈调节，由马达管路上的压力传感器及马达同轴安装的转矩转速传感器实时提供反馈信号，通过程序计算，控制液达马达的液压油流量，改变液压油压力，最终控制液达马达的輸出转速。

载荷及转速可由计算机程序控制，也可调节电位器来实现，所有控制及反馈信号经过以太网及OPC通讯与计算机相连，实时性好。双闭环方案控制精度高，保障试验安全。

2.2 温度及压力控制

滑油温度控制通过温控仪实现，计算机下达目标温度值，温控仪控制固态继电器功率。热电偶反馈温度测量值，经采集通道传入PLC及计算机构成温度闭环，完成自动控制。

滑油压力控制由电位器或计算机命令调节，参照压力传感器的反馈，完成自动控制。

3 控制系统软件设计

轴承控制系统软件应用虚拟仪器技术，以LabVIEW为语言编程开发，通过以太网实现试验件各系统之间通讯，实时性好，程序结构易于维护拓展。

控制软件采用Step 7编写的梯形图底层逻辑程序存入PLC运行，LabVIEW开发的图形化程序安装在计算机上实现交互的设计，通过以太网式计算机与PLC互联，在交互界面收集控制命令，显示试验机工作状态，并反馈控制效果。控制系统软件可实现对试验器的转速、载荷、供油温度的程控。在自动控制界面有试验状态表，包括转速、载荷、温度、运行时间、过渡时间以及循环次数等，可根据预先设定自动循环运行。控制软件能在自动表格任一步中止退出，下次启动可继续运行，满足长时间试验需求。

控制软件界面上有试验件及各设备状态显示区，具有完备的报警保护逻辑，包括转速变化时间超限报警、加载卸载超长报警、参数异常报警、通讯断开报警等。

为实现控制功能，控制软件采用模块化结构设计。Step 7程序采用顺序控制设计法，根据内部状态和时间顺序，在试验过程中有序控制各执行机构。LabVIEW程序框图以事件机结构为基础，分类编写数据通讯、自动控制，手动控制、报警保护等分支，由用户操作触发。事件机设计模式将事件驱动状态机的状态结构和Event结构的功能合并到一个模式中，可保证用户操作逐一执行，不遗漏不重复。

在控制软件开发过程中，经常遇到调试暴露的问题及用户新增的要求。控制程序以LabVIEW事件机结构为主体，修改某一功能只需要对其中某事件分支进行操作，新功能只需添加一个事件分支，对其他功能没有影响，相比其他程序更易于维护拓展。

4 结论

轴承试验机控制系统采用虚拟仪器与以太网相结合，分布式结构设计提高抗干扰能力，软件设计自动化程度高。控制系统功能满足试验要求，具备扩展能力，可维护性好，投入使用以来受到广泛认可，对其他类似试验机控制系统设计有一定参考意义。

参考文献

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