陳海清，熊進(jìn)星，孫永飛

(沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽 110015)

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基于LABVIEW的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳海清，熊進(jìn)星，孫永飛

(沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽 110015)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形燃燒室試驗(yàn)測試的任務(wù)要求 ，設(shè)計(jì)了一套基于LabView開發(fā)環(huán)境下的測試系統(tǒng)和一套基于PLC控制技術(shù)的控制系統(tǒng);在控制系統(tǒng)中，通過硬件的搭建、軟件功能的實(shí)現(xiàn)和故障風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防處理，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制；在測試系統(tǒng)中，利用LabView的控件開發(fā)了多種軟件功能，豐富了測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示功能，并且在軟件界面上實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互；利用OPC通訊方式，使LabView與PLC之間建立了數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)系統(tǒng)之間命令的發(fā)送與信息的接收;經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果表明：該測控系統(tǒng)已達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

旋轉(zhuǎn)測試；網(wǎng)絡(luò)通訊；圖形化編程語言

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)儀器已不能適應(yīng)現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)的要求，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。LabView是美國NI公司的軟件產(chǎn)品,是虛擬儀器編程語言的典型代表。LabView編程高效、靈活、面向?qū)ο?其強(qiáng)大的圖形編程能力及可視化編程環(huán)境得到很多軟件開發(fā)人員的青睞[1]。

OPC(OLE for Process Contral)是目前開放的工業(yè)控制互連標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了在應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)、COM(Component object Model)和DCOM(Distributed Object Model)協(xié)議的基礎(chǔ)上，基于PC的客戶機(jī)/服務(wù)器之間交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法。OPC規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，使得不同廠家之間軟硬件的集成易于實(shí)現(xiàn)，用戶也可以通過軟件的OPC Client與硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[2]。

本文介紹一種基于LabView開發(fā)的測控系統(tǒng)，利用OPC通訊的PC與OMRON的CJW系列PLC實(shí)時(shí)通訊方式[3-4]，將虛擬儀器技術(shù)與PLC技術(shù)結(jié)合到一起開發(fā)旋轉(zhuǎn)測控系統(tǒng)，通過LabView強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、良好的人機(jī)界面和可靠的系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)測試功能。

1 測試任務(wù)需求

在發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室部件試驗(yàn)中，主要測試的性能指標(biāo)包括：出口溫度分布系數(shù)、壓力損失、余氣系數(shù)、燃燒效率以及污染物排放指標(biāo)等。燃燒室出口截面為環(huán)形結(jié)構(gòu)，而環(huán)形截面間的性能參數(shù)往往差距比較大。采用固定式測量方式，則需要布置大量測點(diǎn)才能完整地測量出口截面的性能參數(shù)，而采用旋轉(zhuǎn)測量方式，只需要沿徑向方向布置4組20～28個(gè)測點(diǎn)，所有測點(diǎn)沿圓心做90°周向運(yùn)動(dòng)，就可以掃描所有環(huán)形截面空間的數(shù)據(jù)場。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程分為間隔定位旋轉(zhuǎn)和連續(xù)旋轉(zhuǎn)，主要采集的物理量包括：溫度場、壓力場、燃?xì)獬煞值取?/p>

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、控制器、直流電機(jī)、光電極限開關(guān)、控制箱、計(jì)算機(jī)組成，其中控制箱內(nèi)包括直流電源、繼電器和數(shù)字電流表，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)采儀器選用LXI總線儀器，LXI總線是一種適用于自動(dòng)化測試系統(tǒng)的新一代模塊化平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，它基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，采用以太網(wǎng)接口作為I/O接口，用戶可以根據(jù)需要自由增減儀器，無需更改整個(gè)系統(tǒng)。LXI總線儀器可以分布放在廠房各個(gè)位置，進(jìn)行局部集中測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，這種分布式結(jié)構(gòu)可以大大減少信號(hào)線的敷設(shè)距離，減小了信號(hào)干擾對(duì)測試數(shù)據(jù)的影響，并且由于靠近測點(diǎn)，測試的互換性更為靈活，此系統(tǒng)采用4塊LXI儀器，通過同步觸發(fā)方式，同時(shí)監(jiān)測192路模擬信號(hào)數(shù)據(jù)。

壓力集中測點(diǎn)經(jīng)高壓壓力管直接連接在掃描閥上，掃描閥將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式的TCP字符串，再由網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送給計(jì)算機(jī)，經(jīng)字符串解析后，轉(zhuǎn)換為實(shí)際壓力數(shù)值。這種方式在測點(diǎn)的接口方式上更為便利，并且縮短了模擬量的傳輸距離，減少了信號(hào)多次轉(zhuǎn)換而引入的測量誤差，提高了測試的精度。采用這種方式可以更為高效、靈活地組建局部集中壓力測試系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用4塊壓力掃描閥，通過5 V信號(hào)上升沿觸發(fā)方式，同步監(jiān)測64路壓力信號(hào)。

控制器選用歐姆龍的CJ1W系列PLC，PLC的組成包括電源、CPU、通訊模塊、OC模塊、ID模塊、A/D模塊。其中OC模塊用來控制繼電器的吸合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。ID模塊用來采集編碼器13位二進(jìn)制輸出信號(hào)和光電極限開關(guān)信號(hào)。A/D模塊采集數(shù)字電流表輸出的電機(jī)電流大小信號(hào)。

3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)分為旋轉(zhuǎn)控制軟件和數(shù)據(jù)采集軟件，控制軟件采用CX-Programmer開發(fā)，測試軟件采用LabView開發(fā)。測試軟件通過OPC SERVER直接讀寫PLC的寄存器變量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互過程。

3.1 控制軟件

控制軟件的程序采用梯形圖形式開發(fā)，PLC控制輸入輸出變量包括3個(gè)方面：控制命令輸入、控制命令執(zhí)行、控制參數(shù)設(shè)定和控制反饋，PLC控制輸入輸出變量表如表1所示。

控制軟件系統(tǒng)[5]如圖3所示。

主要控制功能實(shí)現(xiàn)方法：

1)編碼器角度的轉(zhuǎn)換：編碼器輸出的是13位二進(jìn)制信號(hào)，通過PLC的ID 模塊采集后，經(jīng)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為可讀的角度浮點(diǎn)數(shù)再通過由內(nèi)存變量輸出；

2)零位標(biāo)定：由于測量機(jī)構(gòu)經(jīng)常拆卸，軟件的零位角度

表1 PLC控制輸入輸出變量表

圖3 控制軟件結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)常發(fā)生變化，所以在測量機(jī)構(gòu)重新安裝后需要標(biāo)定軟件的零位角度。通過手動(dòng)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使測點(diǎn)的位置旋轉(zhuǎn)到初始位置，軟件自動(dòng)記錄下編碼器的角度作為旋轉(zhuǎn)的零位；

3)定位旋轉(zhuǎn)采集：測點(diǎn)在初始位置時(shí)，軟件發(fā)出控制命令，測點(diǎn)向下一個(gè)角度位置旋轉(zhuǎn)，到達(dá)角度附近(判斷條件α實(shí)際>αi-Δα)后暫停旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間后，給測試軟件發(fā)出采集命令，通知測試軟件進(jìn)行采集，隨后測點(diǎn)向下一個(gè)位置旋轉(zhuǎn)。測點(diǎn)按間隔角度一轉(zhuǎn)一停的方式運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)范圍最大值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，給測試軟件發(fā)出采集結(jié)束信號(hào)，并自動(dòng)回轉(zhuǎn)零位或反向旋轉(zhuǎn)采集。軟件可通過對(duì)間隔角度、間隔時(shí)間、旋轉(zhuǎn)范圍、旋轉(zhuǎn)方向的修改，實(shí)現(xiàn)不同的定位旋轉(zhuǎn)方式。

在定位旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于受到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)慣性影響，齒輪傳動(dòng)間存在空程的影響(空程大于間隔角度)，旋轉(zhuǎn)控制上采用開環(huán)控制方式，通過實(shí)際測試，得出慣性角度Δα。在每個(gè)位置達(dá)到目標(biāo)角度之前，發(fā)出暫停旋轉(zhuǎn)信號(hào)，提前認(rèn)定達(dá)到定位角度；

在定位旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成測點(diǎn)的物理量數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動(dòng)，需要等待測點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再由控制軟件向測試軟件發(fā)出記錄觸發(fā)信號(hào)。等待時(shí)間一般設(shè)定為3～5 s。

4)當(dāng)電機(jī)電流超過限定值時(shí)，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象(由于機(jī)械受熱變形引起)，長時(shí)間可能造成電機(jī)損壞。由軟件自動(dòng)判定電機(jī)電流大小，如果數(shù)值超限定，執(zhí)行旋轉(zhuǎn)撤銷命令；

5)當(dāng)極限開關(guān)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)超過旋轉(zhuǎn)范圍時(shí)，未停止繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，可能會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或測點(diǎn)造成損壞，軟件判定后，執(zhí)行旋轉(zhuǎn)撤銷命令；

6)旋轉(zhuǎn)撤銷命令：當(dāng)旋轉(zhuǎn)采集過程中出現(xiàn)異常情況時(shí)，操作人員手動(dòng)可以停止采集。當(dāng)發(fā)出撤銷命令時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)位置計(jì)數(shù)、旋轉(zhuǎn)時(shí)間重新清零。

3.2 測試軟件

數(shù)據(jù)采集軟件利用LabView中的子VI，逐個(gè)功能模塊的開發(fā)，最終組合形成復(fù)雜的系統(tǒng)。其中包括：儀器初始化VI、數(shù)據(jù)采集VI、數(shù)據(jù)交互VI、項(xiàng)目VI、計(jì)算VI、單位轉(zhuǎn)換VI、配置文件修改VI、顯示VI、數(shù)據(jù)庫VI、云圖VI、報(bào)表VI。下面介紹其中幾個(gè)主要模塊的建立過程。

數(shù)據(jù)交互VI主要實(shí)現(xiàn)測試軟件與控制軟件間的數(shù)據(jù)傳輸，通過控件的數(shù)據(jù)綁定屬性，將控件與OPC變量進(jìn)行綁定，通過對(duì)LabView界面上控件的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC命令的寫入和讀取。操作人員通過測試軟件界面給PLC發(fā)出控制命令，如果是連續(xù)旋轉(zhuǎn)命令，測試數(shù)據(jù)連續(xù)記錄在Excel報(bào)表中，直到采集結(jié)束；如果是定位旋轉(zhuǎn)命令，軟件則等待反饋的定位采集信號(hào)，當(dāng)接收到信號(hào)時(shí)，軟件在Excel中記錄一行狀態(tài)數(shù)據(jù)。OPC SERVER建立的變量表如表2所示。

項(xiàng)目VI主要實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目的調(diào)用，由于不同的試驗(yàn)對(duì)應(yīng)不同的測試任務(wù)，通過項(xiàng)目選擇實(shí)現(xiàn)測試通道的索引組調(diào)用、計(jì)算公式的索引組調(diào)用和報(bào)表格式的索引調(diào)用，相關(guān)的配置信息分別記錄在.ini格式的系統(tǒng)配置文件中，在軟件啟動(dòng)時(shí)，通過前面板的下拉列表選擇試驗(yàn)項(xiàng)目名稱，程序自動(dòng)調(diào)用相關(guān)索引信息，為其他VI提供輸入數(shù)據(jù)。項(xiàng)目VI框圖如圖4所示。計(jì)算VI分為一次計(jì)算VI和二次計(jì)算VI，一次計(jì)算VI實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行物理量轉(zhuǎn)換，利用LabView中的“多變量標(biāo)量求值VI”，將簡單公式(基本運(yùn)算法則和基本初等函數(shù))和數(shù)值同時(shí)作為輸入，由程序自動(dòng)算出結(jié)果。這種編輯方式，避免了公式的固化，操作人員可以通過修改配置信息的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)公式的修改。一次計(jì)算VI的程序框圖如圖5所示。

表2 OPC SERVER變量表

圖4 項(xiàng)目VI程序框圖

圖5 一次計(jì)算VI程序框圖

二次計(jì)算VI以一次計(jì)算VI的結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)，利用LabView中的“公式節(jié)點(diǎn)”，寫入復(fù)雜的計(jì)算公式，如“空氣流量公式”、“馬赫數(shù)公式”、“余氣系數(shù)公式”、“燃燒效率公式”等。采用索引的方式進(jìn)行調(diào)用。二次計(jì)算VI的程序框圖如圖6所示。

圖6 二次計(jì)算VI程序框圖

云圖VI是將旋轉(zhuǎn)記錄下的場數(shù)據(jù)以云圖的方式顯示出來，利用LabView中的三維參數(shù)曲面VI來實(shí)現(xiàn)，其中x，y軸用來標(biāo)注電偶點(diǎn)的坐標(biāo)位置，z軸表示測點(diǎn)場數(shù)據(jù)數(shù)值的大小。采用雙線性插值法增加場數(shù)據(jù)間的過渡點(diǎn)，然后將形成的三維曲面投影到x-y平面上，從而形成了二維平面效果。再通過修改顏色屬性與數(shù)據(jù)場數(shù)值范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)場的顯示效果。云圖VI的程序框圖如圖7所示。

圖7 云圖VI程序框圖

報(bào)表VI分為3個(gè)部分：新建報(bào)表、記錄數(shù)據(jù)、關(guān)閉報(bào)表。在測試主程序中以事件方式觸發(fā)新建報(bào)表或關(guān)閉報(bào)表，通過引用Excel應(yīng)用程序類，創(chuàng)建出Excel的應(yīng)用程序的引用句柄，再通過引用句柄逐步打開Workbooks、Sheets，在Range中插入記錄數(shù)值，當(dāng)接收到旋轉(zhuǎn)結(jié)束指令后，逐步關(guān)閉自動(dòng)化引用句柄，并利用save方法保存文件。

數(shù)據(jù)庫VI用來保存試驗(yàn)過程中全程數(shù)據(jù)報(bào)警記錄，數(shù)據(jù)庫中分別建立采集通道表、計(jì)算通道表和報(bào)警信息表，分別記錄下試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)人工數(shù)據(jù)分析或故障查詢提供數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)庫操作主要針對(duì)Access數(shù)據(jù)庫，通過Database組件調(diào)用數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、添加、查詢等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄、回放等功能。

3.3 實(shí)時(shí)通訊的建立過程

首先在LabView中的OPC Server組件中建立與PLC型號(hào)一致的儀器組，正確配置與儀器相關(guān)的通訊參數(shù)，如端口、波特率、奇偶校驗(yàn)等。在儀器組下建立變量，并將變量綁定到PLC的寄存器地址上，正確設(shè)定變量的類型和范圍。其次在LabView中利用控件的Datasocket屬性，將控件綁定到OPC Server組件建立數(shù)值變量上。通過這個(gè)通訊建立過程，實(shí)現(xiàn)了LabView程序直接對(duì)PLC控制命令的直接發(fā)送和數(shù)據(jù)的直接接收[6]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在調(diào)試試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定慣性角度Δα=0.3°，在定位旋轉(zhuǎn)控制下，對(duì)比角度給定值與反饋值，結(jié)果如表3所示。

通過數(shù)據(jù)得出，平均角度差在0.11°，最大角度差在0.22°，平均旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.496 s?？刂菩Ч^好，可以滿足試驗(yàn)測試條件。

測試軟件利用LabView豐富的控件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的多種顯示形式：數(shù)值顯示、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)云圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)波形，操作人員可以更為直觀地觀察到試驗(yàn)的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中的異常情況。測試軟件界面如圖8所示。

表3 定位旋轉(zhuǎn)角度記錄

圖8 測試軟件界面

5 結(jié)束語

本文介紹了一種旋轉(zhuǎn)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的組建，實(shí)現(xiàn)并滿足了試驗(yàn)測控任務(wù)需求。通過運(yùn)用OPC通訊方式，實(shí)現(xiàn)了LabView與PLC之間的數(shù)據(jù)交互。該種方法可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)控制技術(shù)與測試技術(shù)的結(jié)合，快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制和直觀的圖形化顯示。

[1] 羅文峰. 基于LabView與PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué),2009.

[2] 鮑 坤，孫學(xué)華. OPC在數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化儀表, 2012，33(10):17-19,23.

[3] 謝建君，王洪猛，徐春梅. 基于LabVIEW與PLC的串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2005(2):54-56,25.

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[5] 張志強(qiáng),孫 寧. 基于VB的實(shí)體浮力測量系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制,2007,15(12):1844-1846,1854.

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Design of Measurement and Control System Applied to Rotation Mechanism Based on LabView

Chen Haiqing, Xiong Jinxing, Sun Yongfei

(AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute, Shengyang 110015, China)

In order to meet the requirement of annular combustor test, a measurement system based on LabView environment and a control system based on PLC control technology was designed. For the control system, rotation control was achieved through hardware establishment, software achievement and risk prevention. For the measurement system, data management and display ability of the system was enriched through a variety of software functions developed based on LabView, and friendly human-machine interface realized in software. In method of OPC network communication, the system achieved data interaction between LabView and PLC, so that the order and information could be transferred between two system. The test result shows that the system achieved the anticipated purpose.

rotation test; network communication; LabView

2015-12-12；

2016-01-07。

陳海清(1985-)，男，工程師，碩士研究生，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)電氣測試技術(shù)工作方向的研究。

1671-4598(2016)06-0060-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.017

TP273

A