李靳東，郭紹鵬，程旭彥

（洛陽軸研科技股份有限公司試驗技術(shù)開發(fā)部，河南洛陽471039；）

1 前言

2 測控系統(tǒng)的實現(xiàn)形式及硬件構(gòu)成

2.1 測控系統(tǒng)的實現(xiàn)形式

軸承模擬試驗設(shè)備用來模擬軸承在實際工況下的承載能力、運轉(zhuǎn)狀態(tài)以及使用壽命等指標(biāo)，主要用于汽車輪轂軸承的模擬試驗[1]，可為整車試驗提供模擬數(shù)據(jù)支持。測控系統(tǒng)將軸承所承受載荷簡化為軸向以及徑向載荷進行監(jiān)控，主軸轉(zhuǎn)速由變頻器驅(qū)動電機或者電主軸進行測控，同時在軸承外圈安置溫度傳感器和振動傳感器，用來監(jiān)測軸承運轉(zhuǎn)中的溫度和振動變化以確定軸承的實際使用壽命，還可根據(jù)不同軸承的具體試驗要求輔以加熱或者泥水噴濺裝置。

2.2 測控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

測控系統(tǒng)硬件由工業(yè)控制計算機、相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集以及信號控制板卡、通訊板卡、濾波裝置、外圍電氣系統(tǒng)、傳感器和液壓比例閥等構(gòu)成。文章主要介紹與計算機相關(guān)的部分。

(1)工業(yè)控制計算機由工業(yè)用鋼質(zhì)機箱（配合14槽PCI/ISA總線工業(yè)級底板，可提供極大的使用擴展）、PICMG1.0總線標(biāo)準(zhǔn)全長CPU卡、使用Inter主流芯片組配合雙核CPU、內(nèi)存以及硬盤光驅(qū)組成，具有高可靠性、硬件配置可裝配擴充性、可維護性等特點，能夠滿足工業(yè)環(huán)境下長期高效的正常使用。

(2)整個系統(tǒng)要完成測控工作，必須通過各種數(shù)據(jù)采集板卡、信號控制板卡、通訊板卡等來實現(xiàn)。軸承模擬試驗設(shè)備需要測試軸承外圈溫度、軸向徑向載荷、振動信號等不超過10個現(xiàn)場信號,控制軸向徑向載荷的方向和大小、電機啟停等?；诳煽啃院徒?jīng)濟性的需要，選擇一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡，如凌華公司（ADLINK）的ACL-8112PG[2]就可以完成以上測控內(nèi)容。此類板卡一般提供16路以上單端或者8路以上雙端信號輸入（A/D功能）；可編程指定增益從0.5～1000；16路以上數(shù)字輸出（DO）和數(shù)字輸入(DI)；2路模擬輸出(D/A功能)以及3個可編程的8254定時器/計數(shù)器；采用ISA總線形式[3]。可以完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、載荷控制、電機啟?？刂啤o人值守電機狀態(tài)監(jiān)控等測控系統(tǒng)所需的全部功能。板卡提供單路100kHz以上的采樣頻率，自帶驅(qū)動可以調(diào)用函數(shù)使用所有功能，或者由使用者嵌入?yún)R編語言訪問指定寄存器使用板卡各項功能。板卡12位的采樣數(shù)據(jù)位可以表示的數(shù)據(jù)精度為0.02%，軸承模擬試驗設(shè)備的信號采集精度要求最高不會超過0.2%，板卡高于一個數(shù)量級的精度完全能夠滿足其使用要求。

(3)該系統(tǒng)使用變頻器驅(qū)動電機使主軸旋轉(zhuǎn)，主流變頻器都支持標(biāo)準(zhǔn)的mobus通訊協(xié)議，利用485總線與計算機進行雙向通訊測控。使用RS485的接口卡來完成通訊任務(wù)，達到無級變速以及監(jiān)視電機轉(zhuǎn)速電流等測試數(shù)據(jù)的作用。通訊板卡最好選擇帶光隔離器，可使計算機和其他設(shè)備不會被地環(huán)流損壞，增加惡劣環(huán)境下的可靠性。

(4)設(shè)備主要干擾源來自變頻器，在做好地線處理和變頻器抗干擾措施后，根據(jù)現(xiàn)場信號的具體情況，選擇合適的電阻電容，組成阻容濾波裝置，就可以得到準(zhǔn)確的采樣信號，保證試驗的進行。

3 測控系統(tǒng)的軟件編程原理以及實現(xiàn)方式

3.1 軟件編程工具

編程軟件使用Borland公司出品的C++Builder5.0，這款軟件以C++為核心，內(nèi)置了100多個完全封裝了Windows公用特性且具有完全可擴展性（包括全面支持ActiveX控件）的可重用控件，結(jié)合可視化開發(fā)環(huán)境可以高效靈活地編制工業(yè)級別的測控程序[4]。

3.2 軸承模擬設(shè)備測控軟件的實現(xiàn)方法

軟件是一個測控系統(tǒng)的核心，負責(zé)采集現(xiàn)場信號數(shù)值進行顯示保存，控制設(shè)備按照用戶要求正常運轉(zhuǎn)，監(jiān)視設(shè)備運行，達到無人值守功能，所以一個測控系統(tǒng)是否完善，測控軟件具有決定性作用。下面將著重介紹軟件在軸承模擬試驗設(shè)備中的應(yīng)用及實現(xiàn)方法。

每個城市都會有自己的蔬菜供給基地，湯翠就住在那兒，南菜村。本來，城市是朝北規(guī)劃的，湯翠他們就有些眼氣。眼氣也就那么一會兒，日子還得過下去，南菜雖不比新規(guī)劃的北區(qū)好，但趕上好形勢了，變化也算得上日新月異。

測控軟件按照其功能主要分為測試模塊、控制模塊以及其他譬如存儲、界面顯示、打印等輔助模塊。

3.2.1 測試模塊

測試模塊主要完成現(xiàn)場模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換工作以及與變頻器的數(shù)據(jù)通訊工作。

需要測試的現(xiàn)場信號有2個溫度、1個振動、軸向徑向力傳感器。傳感器通過各自配套的放大器輸出0～5V或者0～10V信號，對應(yīng)其線性的信號輸出。比如溫度傳感器量程為0～200℃，電壓輸出為0～5V，1V電壓值即對應(yīng)溫度值為40℃，同理，其他傳感器也有線性電壓輸出關(guān)系。測試信號通過前置的濾波裝置去除干擾信號，接入數(shù)據(jù)采集卡，測控軟件利用板卡提供的數(shù)據(jù)寄存器存儲地址以及偏移量，結(jié)合匯編語言編制數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序，完成現(xiàn)場信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D）。

ACL-8112PG數(shù)據(jù)寄存器為12位表示，即2的12次方為4096個整數(shù)來表示現(xiàn)場的模擬信號。如果板卡輸入信號的電壓量程為0～5V，那么寄存器里存放的數(shù)字表示為0～4096；比如溫度一路信號在寄存器里存儲為1024，線性對應(yīng)信號輸入電壓應(yīng)為1024×5/4096等于1.25V，單位電壓值對應(yīng)溫度值為40℃，可以得出此時的現(xiàn)場溫度為1.25×40=50℃。以此類推，力傳感器、振動傳感器均可以這樣得到計算機可以處理的采樣數(shù)值。

雖然信號經(jīng)過前置的濾波處理，但是一些微小的雜波和線間干擾還是會影響到數(shù)據(jù)的精確。為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，軟件利用8112PG板卡具備100kHz的采樣頻率這個特點，全速采集所需的信號放入內(nèi)存數(shù)組，進行軟件濾波，根據(jù)信號的特點采取不同濾波法。算術(shù)平均濾波法為連續(xù)取N個采樣值進行算術(shù)平均運算，N值越大，信號平滑度較高，但靈敏度較低，適用于溫度等變化較慢的信號；防脈沖干擾平均濾波法為連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值,然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，適用于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，可以消除可能出現(xiàn)的短暫脈沖干擾所引起的采樣值偏差；還有一些濾波法，比如滑動平均濾波法、限幅平均濾波法等，可以選擇使用來提高信號的準(zhǔn)確性[5]。對于交流輸出的振動傳感器來說，不能使用軟件濾波來進行處理，可根據(jù)信號的干凈程度來選擇合適的高速采樣頻率對交流信號進行采集處理。

以臺達公司出品的VFD-B變頻器來說，軟件可以使用RS-485通訊功能來實現(xiàn)對變頻器的無級調(diào)速以及主機轉(zhuǎn)速、電流、電壓等參數(shù)的采集工作。RS-485通訊方式為上位機下位機模式，可以通過各個下位機（變頻器）的地址不同，上位機（工控機）來實現(xiàn)一控多的工作。

3.2.2 控制模塊

控制模塊是軟件的核心，主要完成設(shè)備的載荷調(diào)節(jié)。

模擬汽車實際工況就要求軸承徑向載荷一直保持單向施加來模擬汽車自重，而軸向力則是模擬汽車轉(zhuǎn)彎等受力情況，所以載荷的方向控制就集中在軸向載荷的換向上面。監(jiān)控軟件通過ACL-8112PG板卡的數(shù)字輸出功能，控制相應(yīng)繼電器吸合來驅(qū)動換向閥完成軸向載荷的換向功能。

載荷大小的控制則是利用ACL-8112PG板卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）功能，軟件內(nèi)嵌匯編語言將指定位置寄存器寫入12位數(shù)據(jù)，即0-4096之間的整數(shù)值，板卡對應(yīng)輸出0～5V直流電壓，通過放大器作用于液壓比例閥來控制對應(yīng)油路的載荷大小。

試驗人員根據(jù)軸承的具體情況以及汽車模擬試驗的情況，總結(jié)出一套適合的轉(zhuǎn)速載荷譜，包含每一步要求的主軸轉(zhuǎn)速、軸向徑向載荷的大小、載荷的方向、本步運轉(zhuǎn)的時間等信息，轉(zhuǎn)速載荷譜可以無限添加或者刪除步驟。在其他輸入項目諸如存儲時間、循環(huán)次數(shù)以及報警參數(shù)等等輸入完畢保存后，軟件就會根據(jù)輸入的步驟進行自動試驗。測控軟件輸入界面見圖1。

圖1 測控軟件輸入界面

試驗中，軸向徑向載荷同時作用在試驗件的工裝上，懸臂的結(jié)構(gòu)勢必會造成兩個方向載荷的互相干涉，由于徑向載荷方向保持不變，載荷大小一般也保持不變，所以在加載控制程序中對徑向載荷的大小進行適時調(diào)節(jié)，也就是不間斷地以100ms級別精度進行（設(shè)備中電信號傳輸為ms級別或者更高，比例閥芯動作為10ms級別，而油缸克服摩擦力及行程所用時間基本要到秒級別，所以此類設(shè)備最快的載荷調(diào)節(jié)周期單位為100ms）。由于徑向載荷不停受軸向載荷換向以及大小變化的影響，很難達到長時間穩(wěn)態(tài)，所以其閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)方式主要選用比例（P）+微分(D)方式。微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的變化率成正比關(guān)系，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。使被控量也就是徑向載荷能夠快速穩(wěn)定在試驗要求的數(shù)值[6]。

但是對于軸向載荷的控制就不適宜使用簡單的PID調(diào)節(jié)方式，由于頻繁的在拉、壓中位之間轉(zhuǎn)換，載荷的大小發(fā)生變化，同時徑向載荷的實時調(diào)節(jié)也會對軸向載荷的調(diào)節(jié)造成很大的干涉影響，試驗要求軸向載荷在換向過程中，從開始調(diào)節(jié)到90%穩(wěn)態(tài)控制在2s以內(nèi)。為了解決這些控制中出現(xiàn)的問題，軟件設(shè)計了一種單步限次反饋調(diào)節(jié)的辦法，以圖1輸入的4步轉(zhuǎn)速載荷譜為例：載荷譜中DaFa、DaFr就是軸向載荷和徑向載荷的D/A調(diào)節(jié)電壓（敘述方便，正常使用的測控軟件此兩項不做顯示）。軸向載荷的調(diào)節(jié)以500ms時間間隔為調(diào)節(jié)定時器，比如在轉(zhuǎn)速載荷譜滾動到第三步時，頭兩個定時器周期（即1s內(nèi)）DaFa控制量不進行調(diào)整仍發(fā)送2.2888 6V,之后以軸向載荷的采樣值為反饋進行調(diào)節(jié)，在滾動到第四步時，DaFa的數(shù)值一起存入轉(zhuǎn)速載荷譜用于下一周期第三步軸向載荷的初始控制量。由于兩種方向載荷的相互影響，就必須對其中一個載荷相對緩慢地調(diào)整以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。徑向載荷以100ms為時間間隔實時快速調(diào)整，軸向載荷在步驟更替時需要換向變載，油缸運動到位也需要大概1s的時間。所以在頭兩個定時器周期也就是1s內(nèi)，軸向載荷調(diào)節(jié)不根據(jù)反饋來調(diào)整，同時500ms為時間間隔的定時器也保證了軸向載荷調(diào)整的相對緩慢，平衡了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。

試驗要求的軸向載荷一般都有拉壓和零位，比如圖1中的第二步和第四步。在軸向載荷回零時，盡管DaFa發(fā)送0電壓信號，軸向載荷也會受到徑向載荷的拉力的影響無法回到零位，影響試驗精度。測控軟件可以智能判斷軸載由壓力方向回零，也就是圖1中第一步滾動到第二步的情況，軸向載荷在換向置中位，DaFa發(fā)送0V電壓時仍存在少許壓力，此時測控軟件內(nèi)部將此步控制量0kN換為0.02kN（即換為拉力方向的一個很小的量），改變軸向載荷方向為拉力方向進行載荷調(diào)節(jié)，這樣就可以逐步抵消徑向載荷對于軸向載荷零位的影響。軸載由拉力方向回零同理可以處理。圖1中第二步，第四步的零位中DaFa就是軟件自動調(diào)整消除零位誤差的數(shù)值。圖2為軟件過零位的調(diào)節(jié)效果。

圖2 測控軟件監(jiān)控界面

同時，軟件具備設(shè)備自動測控運轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)自動保存打印、采樣曲線實時顯示以及全程曲線的保存顯示（此功能可存儲整個試驗過程所有參數(shù)的曲線數(shù)據(jù)，可以宏觀地觀察整個試驗所有采樣參數(shù)的變化情況，對試驗結(jié)果的評價有參考作用）等功能。整個測控軟件在一次輸入完整的運轉(zhuǎn)信息后，可以實現(xiàn)無人值守的自動試驗過程。完備的報警處理機能可以在試驗出現(xiàn)所有故障時及時報警，停止設(shè)備運轉(zhuǎn)，關(guān)停所有電機，保護設(shè)備免受損害。

3 結(jié)束語

本文介紹的測控系統(tǒng)計算機實現(xiàn)方法主要包括硬件構(gòu)成和軟件實現(xiàn)兩個方面，通過測試和控制兩個方面介紹了軟件實現(xiàn)的方法。文章介紹的軸承模擬試驗設(shè)備測控系統(tǒng)已經(jīng)投入實際使用，客戶反饋良好，對其它設(shè)備的測控系統(tǒng)研發(fā)也有一定的參考價值。

[1]凌華公司.NI公司板卡說明資料[Z].

[2]張金煥，王大力.汽車輪轂軸承模擬試驗技術(shù)[J]，軸承,2002,(9)：24-26.

[3]任家富，虞先國，陶永莉.數(shù)據(jù)采集與總線技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]陳寬達.C++Builder深度歷險[M].湖北：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[5]祝常紅，彭堅.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6]Gene F.Franklin，J.David Powell，Abbas Emami-Naeini.自動控制原理與設(shè)計：第5版[M].李中華，張雨濃,譯.北京：人民郵電出版社,2007.