基于虛擬儀器的三元催化器軸向力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周先飛，李敏，楊會偉

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖241000)

摘要：三元催化器是應(yīng)用在汽車排氣系統(tǒng)中的一個設(shè)備。針對三元催化器出廠時候要進(jìn)行力值與位移的測控要求，提出采用PCI-6221多功能數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW建立虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出設(shè)計(jì)步驟，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的檢測與判斷，并利用計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與存儲。系統(tǒng)在應(yīng)用后，其采集精度和檢測準(zhǔn)確性都具有較高的水平，具有良好的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器; PCI-6221;數(shù)據(jù)采集;LabVIEW

收稿日期:2015-01-13

基金項(xiàng)目:安徽省省級質(zhì)量工程項(xiàng)目(2013jxtd051)；安徽省省級質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014tszy042)；蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級科研項(xiàng)目(WZ[2013]jy05)

作者簡介:周先飛(1982- )，男，安徽繁昌人，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)測控等方面研究。

中圖分類號：TP273+．5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1三元催化器軸向力測試標(biāo)準(zhǔn)

三元催化器，是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中最重要的機(jī)外凈化裝置，它可將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮?dú)狻Ｈ呋磻?yīng)器類似消聲器，它的外面用雙層不銹薄鋼板制成筒形，內(nèi)部在網(wǎng)狀隔板中間裝有凈化劑，凈化劑由載體和催化劑組成[1]。為了設(shè)備能在汽車系統(tǒng)中工作，在安裝前必須對其進(jìn)行機(jī)械性能測試。針對不同的載體質(zhì)量，其最小軸向力如表1所示。

表1　載體承受最小軸向力表

根據(jù)載體不同質(zhì)量，在載體正面施加軸向力，有伺服電機(jī)帶動，反方向安裝一個位移傳感器，檢測力從0牛頓到最小軸向力時間內(nèi)載體在筒內(nèi)的位移情況。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本檢測系統(tǒng)硬件主要包括分上位機(jī)系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)控制兩部分，上位機(jī)由PC和PCI-6221多功能數(shù)據(jù)采集卡組成，PLC系統(tǒng)由一塊三菱PLC和伺服控制器組成。

PCI-6221是美國國家儀器公司制造的M系列多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，具有16路模擬輸入，24條數(shù)字I/O線和兩個計(jì)數(shù)器/定時器，2路模擬輸出，可采集-10-+10V電壓，輸出0-10V電壓，模擬輸入采樣率最大達(dá)250ksps，模擬輸出最大更新率為830ksps，數(shù)字I/O最大速率為1MHz，具有較高的性能和精度[2]。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本系統(tǒng)用到2路模擬量輸入，1路數(shù)字量輸出，1路模擬量輸出，PCI-6221完全滿足系統(tǒng)需要。首先將三元催化器安裝到工作平臺上固定，系統(tǒng)輸出一高電平給PLC啟動電機(jī)，伺服控制器采用速度模式，系統(tǒng)輸出一個模擬量電壓作為電機(jī)前進(jìn)的速度，PCI-6221可提供0~10V模擬電壓輸出，設(shè)備接收信號后，電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動力傳感器垂直接觸載體，其力值從0N逐步增加到最小軸向力，另一側(cè)安裝的位移傳感器檢測在力的作用下載體是否在筒內(nèi)發(fā)生位移變化，當(dāng)達(dá)到最小軸向力后，將輸出數(shù)字量置零，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，延時10秒后，系統(tǒng)自動停止，并使平臺回到原位。

圖1　系統(tǒng)的總體框圖

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

本系統(tǒng)主要是利用LabVIEW和PCI-6221完成上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要的分成兩個部分，一是硬件平臺的搭建，二是上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)．

3.1　硬件平臺的實(shí)現(xiàn)

PCI-6221直接安裝到計(jì)算機(jī)主機(jī)的PCI插槽下，安裝驅(qū)動后在NI的MAX軟件下即可識別，當(dāng)計(jì)算機(jī)識別硬件后，可以在LabVIEW軟件中，利用系統(tǒng)自帶的NI-DAQmx硬件設(shè)備驅(qū)動直接對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行操作，安裝成功后在系統(tǒng)中如圖2所示．

圖2　PCI-6221設(shè)備設(shè)別圖

模擬量輸入與輸出連線采用參考單端方式(RSE)，正端引出線連接AI0和AI3引腳，公共端引出線連接AGND引腳；模擬量輸出引出線連接AO0引腳，公共端引出線連接AGND引腳；數(shù)字量輸出信號連接DI0，由于PLC的電壓是24V，而PCI-6221的數(shù)字量電壓在0~5v之間，所以需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。這里直接利用光耦來實(shí)現(xiàn)5V到24V電壓轉(zhuǎn)換，其原理圖如圖3所示，其中輸入連接PCI-6221的DIO引腳，公共端連接DGND引腳．輸出以PLC提供的24V電壓作為升壓電源信號，輸出公共端接PLC的GND引腳。此時，當(dāng)輸入為高電平時，PLC接收也是高電平，輸入為低電平時，PLC接收為低電平，解決了PCI-6221和三菱PLC高低電平對應(yīng)的電壓值不匹配的問題。

圖3　電壓轉(zhuǎn)換電路

傳感器采用的量程為0-5000N的壓變傳感器，位移傳感器采用量程為0-20mm直線式傳感器，利用變送器其輸出的電壓都為0-5V，為線性對應(yīng)變化，直接將AI0和AI3引出線接到其對應(yīng)變送器引腳。

將上述的硬件進(jìn)行簡單連線后，其硬件部分就大體搭建成功了，利用PCI-6221可以大大的簡化硬件模塊的使用。

3.2　上位機(jī)系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

上位機(jī)開發(fā)利用LabVIEW2010系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。分5個狀態(tài)，分別為初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、結(jié)束。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)程序流程圖

1)初始化狀態(tài)：主要功能包括設(shè)置軸向最小力值，設(shè)置操作人員及測試項(xiàng)目，軸向最小力值有表1根據(jù)載體質(zhì)量換算得出。

2)數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)：當(dāng)軸向力設(shè)置完成后，單擊界面上的開始檢測按鈕，按鈕開始閃爍，進(jìn)入工作狀態(tài)，此時通過PCI-6221的DI0發(fā)送一個高電平給PLC，控制電機(jī)的啟動，由于不同的載體其長度不一樣，在進(jìn)行安裝測量時，位移傳感器的初始位置不一定是其零點(diǎn)位置，所以在開始啟動時必須要記錄下位移傳感器的初始電壓V0，同時發(fā)送一個模擬電壓信號，作為電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度信號，此時電機(jī)推動力值傳感器水平向前運(yùn)動。

3)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)：在電機(jī)轉(zhuǎn)動向前運(yùn)動時，PCI-6221開始采集AI0引腳和AI3引腳的信號，并將它們保存在一個數(shù)組中，進(jìn)行圖形化顯示，隨著電機(jī)的不斷向前，此時軸向力值會不斷增大，當(dāng)實(shí)際軸向力>=設(shè)定力值后，此時PCI-6221通過DI0發(fā)送一個低電平給PLC，控制電機(jī)停止，此時保持力值繼續(xù)采集力信號和位移信號10秒鐘，進(jìn)入下一狀態(tài)。

采集到的模擬量都是電壓信號，這時要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其公式如下：

力值=AI0端信號*1000；

位移值=(AI3端信號-初始電壓)*4；

其單位分別為牛頓(N)和毫米(mm)。

4)數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)：當(dāng)進(jìn)入到數(shù)據(jù)存儲時，我們要將采集到的最終狀態(tài)保存下來，這里采用了兩種方式：

在采集的過程中，分別顯示了力-時間實(shí)時圖、位移-時間實(shí)時圖和力-位移實(shí)時圖，當(dāng)采集過程結(jié)束后，采用了屏幕截圖的方式，將軟件的界面以圖片的形式保存下來，保存結(jié)果。如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)程序界面圖

在采集結(jié)束后，針對載體的軸向力測試，以XLS報(bào)表的形式將一些重要的數(shù)據(jù)保存下來，結(jié)果如表2所示：

表2　 XLS報(bào)表模板

在存儲的過程中，將它們保存到程序的檢測報(bào)告文件夾中，分別以檢測報(bào)告__日期_時間形式作為其文件名，如檢測報(bào)告__2014-06-24_172557．xls等形式，這樣可以很方便的在很多的數(shù)據(jù)中找到每次檢測的數(shù)據(jù)報(bào)告。

5)結(jié)束狀態(tài)：當(dāng)存儲狀態(tài)結(jié)束后，進(jìn)入到結(jié)束狀態(tài)，如果按下退出程序按鈕，程序就完成退出，否則程序進(jìn)入到初始化狀態(tài)繼續(xù)等待下一次載體的檢測。

以上的5個狀態(tài)即是程序一次載體的檢測完整過程，在這個過程中，除了初始化時候的輸入和數(shù)據(jù)采集的按下開始檢測按鈕是外部觸發(fā)外，其他的過程都是自動進(jìn)行的， 這樣保證了一次檢測的完整性和實(shí)時性。

4結(jié)語

本文利用LabVIEW和PCI-6221組成的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的工業(yè)控制設(shè)備進(jìn)行改造，具有使用簡單，檢測快速，檢測的精度和準(zhǔn)確度較高，針對一般的工業(yè)的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)都具有良好的借鑒作用，體現(xiàn)了虛擬儀器“軟件即是儀器”的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

[1]何渝生.汽車電子技術(shù)及控制系統(tǒng)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[2]曹亞光,周建華．基于PCI-6221 和LabVIEW的材料試驗(yàn)機(jī)力值測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2009,193(6) :12-13.

[3]常靜，房澤平，楊益．基于虛擬儀器和PCI-6014的液位過程控制[J]．儀表技術(shù)與傳感器,2013(9)：65-67.

[4]左昉，胡仁喜，閆聰聰，等．LabVIEW2013中文版虛擬儀器從入門到精通[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

責(zé)任編輯：吳旭云

Design for Axial Force Test System of Three Way Catalyst Based on Virtual Instrument

ZHOU Xianfei, LI Min, YANG Huiwei

(Wuhu Institute of Technology, Wuhu 241000, China)

Abstract：Three way catalyst(TWC) is a device used in automotive exhaust system．In view of the problem that the force value and displace of TWC need monitoring before it is to be used, this paper presents a design project of using PCI-6221 multi-function data acquisition card and LabVIEW to establish a virtual instrument system, and gives the design steps, which realizes the detection and judgment on the device and uses the characteristics of the computer to carry out data processing and storage．After the application of the system, its acquisition precision and detection accuracy with a good practical value have a high level,．

Keywords：virtual instrument; PCI-6221; data acquisition; LabVIEW