賈丹 徐建華 段海濤 李健

(武漢材料保護(hù)研究所,湖北 武漢 430030)

LabVIEW在摩擦學(xué)試驗(yàn)自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

賈丹 徐建華 段海濤 李健

(武漢材料保護(hù)研究所,湖北 武漢 430030)

根據(jù)Skoda-Savin環(huán)/塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)改造的要求,利用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái),建立了完善的調(diào)試系統(tǒng)與試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)集試驗(yàn)控制和數(shù)據(jù)采集、處理于一體,實(shí)現(xiàn)了變頻器的串口通信、試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)化控制、摩擦力和溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、摩擦系數(shù)的計(jì)算、同步顯示、后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。結(jié)果表明,該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、響應(yīng)快,可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)化控制以及海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮,解決了大量文件的存儲(chǔ)問(wèn)題,提高了計(jì)算機(jī)工作效率,具有較廣泛的適用性。

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 數(shù)據(jù)采集 自動(dòng)控制 LabVIEW 串口通信 實(shí)時(shí)信號(hào)

0 引言

在摩擦學(xué)測(cè)試中,傳統(tǒng)的摩擦學(xué)裝置系統(tǒng)為手動(dòng)控制,數(shù)據(jù)采集分散,已不能滿足試驗(yàn)要求[1]。通過(guò)現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制,對(duì)挖掘現(xiàn)有傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的潛力、提升摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)水平有重要意義,同時(shí)也有助于探索摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)中存在的問(wèn)題,為改進(jìn)和發(fā)展摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)提供依據(jù)。

目前,基于LabVIEW的PC機(jī)與變頻器的串口通信技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)速控制。在摩擦學(xué)試驗(yàn)自動(dòng)控制方面的研究嘗試實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中的自動(dòng)化控制,使其更智能、更方便。此外,在數(shù)據(jù)采集方面虛擬儀器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)重要測(cè)試信息的高精度采集[2-3]。但摩擦學(xué)試驗(yàn)周期長(zhǎng),單位時(shí)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大,對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的開(kāi)發(fā)特別是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理提出了挑戰(zhàn)。因此,建立一種具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),突破海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)影響測(cè)試效率的技術(shù)瓶頸兼顧自動(dòng)化控制問(wèn)題勢(shì)在必行。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件主要由Skoda-Savin環(huán)/塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、傳感器、信號(hào)調(diào)理器、NI-USB 6008數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)以及易能通用變頻器EDS1000組成。系統(tǒng)組成及流程框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成及流程框圖Fig.1 System composition and process flow

易能EDS1000通用變頻器提供Modbus通信協(xié)議,默認(rèn)模式為異步串行、半雙工傳輸方式,RTU通信模式。系統(tǒng)通過(guò)LabVIEW與變頻器的串口通信,給定電機(jī)轉(zhuǎn)速并控制電機(jī)啟停。Skoda-Savin試驗(yàn)機(jī)的摩擦副形式為環(huán)和塊,圓環(huán)和試塊之間的壓力可加載,摩擦力和摩擦溫度由傳感器測(cè)量。試驗(yàn)開(kāi)始后傳感器實(shí)時(shí)采集模擬電壓信號(hào),信號(hào)經(jīng)調(diào)制后由NI-USB 6008數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào),之后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮處理,得到所需的摩擦力F。摩擦系數(shù)計(jì)算公式為:

式中:N為正壓力;θ為試塊與水平面的夾角。

2 軟件設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)應(yīng)用于Skoda-Savin試驗(yàn)機(jī),采用面向用戶的設(shè)計(jì)理念,主要考慮的因素如下。

①可調(diào)試,試驗(yàn)前在電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下找到弧形試塊最底部位置,保證接觸良好;電機(jī)啟動(dòng)后可對(duì)靜態(tài)摩擦力校正,排除系統(tǒng)誤差,獲得盡可能理想的初始試驗(yàn)狀態(tài)。

②變頻器速度與啟?？刂?用戶可在操作界面中鍵入磨輪轉(zhuǎn)速初值及相關(guān)參數(shù),試驗(yàn)開(kāi)始后電機(jī)即可按規(guī)定方式運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)化控制,并且試驗(yàn)過(guò)程中可隨時(shí)控制電機(jī)啟停。

③實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控,用戶能在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),并同步對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,便于及時(shí)調(diào)整或停止試驗(yàn)[4]。

④數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理與存儲(chǔ),針對(duì)摩擦學(xué)試驗(yàn)的周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量龐大問(wèn)題,提供算術(shù)平均方法,實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的算法,減少顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量,提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行效率。

⑤操作簡(jiǎn)便,用戶能很快熟悉操作面板,進(jìn)行方便有效和順暢的操作。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

在編程前首先設(shè)置易能EDS1000通用變頻器的主要參數(shù),通信配置應(yīng)與程序保持一致,具體設(shè)置如表1所示。

表1 變頻器主要通信參數(shù)設(shè)置Tab.1 Major communication parameter settings for inverter

表1中,通信配置設(shè)定值(03)個(gè)位代表通信波特率,十位表示數(shù)據(jù)格式。本程序采用LabVIEW 2011進(jìn)行編程,編程前安裝NI VISA 5.2驅(qū)動(dòng),使之與LabVIEW 2011版本匹配。主程序分為調(diào)試界面和試驗(yàn)界面兩部分。

3.1 調(diào)試界面

試驗(yàn)中使用的缸套是弧形表面,它與磨輪接觸點(diǎn)的位置會(huì)直接影響到正壓力的大小;且在水平方向上有一定的分力,會(huì)影響傳感器測(cè)量實(shí)際摩擦力的大小。因此,為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試精確度,每次試驗(yàn)開(kāi)始前需要對(duì)試驗(yàn)機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)試。本文專門設(shè)計(jì)了調(diào)試功能,通過(guò)調(diào)試界面實(shí)現(xiàn)。本調(diào)試界面實(shí)現(xiàn)的主要功能為:在電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下通過(guò)監(jiān)測(cè)摩擦力值,找到穩(wěn)定點(diǎn)即弧形試塊底部最低點(diǎn);電機(jī)啟動(dòng)后采集試驗(yàn)開(kāi)始前的摩擦力初始值,作為試驗(yàn)時(shí)采集數(shù)據(jù)的校正基準(zhǔn)。

3.2 試驗(yàn)界面

試驗(yàn)界面是程序設(shè)計(jì)的主體和關(guān)鍵部分。試驗(yàn)界面的主要功能是試驗(yàn)過(guò)程設(shè)置、變頻器速度與啟?？刂?、在線顯示試驗(yàn)狀態(tài)和后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),主要有串口通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)記錄等模塊。

變頻器串口通信部分程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 變頻器控制部分程序結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Program structure of inverter control

變頻器串口通信的具體步驟如下。

①初始化串口,利用虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系(virtual instrument software architecture,VISA)的串口配置,設(shè)置PC與變頻器的串口、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)和停止位。

②磨輪轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)化,用測(cè)速儀測(cè)得磨輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為:磨輪轉(zhuǎn)速= 0.973×電機(jī)轉(zhuǎn)速。

③VISA寫入,根據(jù)易能EDS1000通用變頻器的數(shù)據(jù)幀格式(幀頭-從機(jī)地址-通信命令碼-參數(shù)地址-參數(shù)數(shù)值-CRC校驗(yàn)),寫頻率給定命令至串口。子VI實(shí)現(xiàn)CRC碼數(shù)據(jù)校驗(yàn)[5],并將完整的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為ASCII碼字符串格式[6]。

④等待延時(shí),消息幀作為連續(xù)的流傳輸,相鄰的消息幀在傳送過(guò)程中必須有一定的時(shí)間間隔且計(jì)算機(jī)與變頻器之間命令傳輸也需要一定的時(shí)間,因此必須有延時(shí)等待,這里設(shè)定為300 ms。

⑤利用VISA寫入,將啟動(dòng)命令幀以字符串的形式寫入串口。

⑥VISA關(guān)閉,釋放串口。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)4個(gè)模塊。其中,數(shù)據(jù)采集模塊用于創(chuàng)建物理通道/采集電壓信號(hào),在進(jìn)行信號(hào)采樣時(shí),需遵循采樣定理且采樣率小于10 kS/s,設(shè)置采樣模式為連續(xù)采樣,連續(xù)采集摩擦力和摩擦溫度信號(hào)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)。數(shù)據(jù)采集各驅(qū)動(dòng)子VI調(diào)用的是數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序NI-DAQmx9.3.5[7]。數(shù)據(jù)處理模塊讀取采集模塊緩存的數(shù)據(jù),分離各個(gè)通道數(shù)據(jù),之后在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮處理和摩擦系數(shù)計(jì)算,并將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)顯示模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊及時(shí)顯示摩擦力、摩擦溫度和摩擦系數(shù)瞬時(shí)波形圖與隨時(shí)間連續(xù)變化曲線。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊讀取顯示模塊緩存中的數(shù)據(jù),隨時(shí)寫入開(kāi)啟的數(shù)據(jù)表文件,實(shí)現(xiàn)文件存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用最廣泛使用的Excel[8-9]。為保證程序連續(xù)運(yùn)行,讀取數(shù)據(jù)的速度要大于采樣率。

為解決試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)時(shí)占用大量磁盤空間而影響系統(tǒng)運(yùn)行效率的問(wèn)題,在數(shù)據(jù)處理模塊中添加了實(shí)時(shí)壓縮處理模塊,通過(guò)3個(gè)移位寄存器[10],優(yōu)化計(jì)算內(nèi)存,提高運(yùn)算速度。用戶可在獲得精確試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí),節(jié)約大量磁盤空間,提高存儲(chǔ)效率,減小計(jì)算機(jī)資源占用。

為便于使用,根據(jù)用戶對(duì)摩擦學(xué)試驗(yàn)過(guò)程信息的獲取需求以及摩擦學(xué)測(cè)試的習(xí)慣,結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)行了用戶界面的人性化設(shè)計(jì)。主要體現(xiàn)在:用戶可直接在試驗(yàn)界面對(duì)采樣率、均值數(shù)、和總運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行設(shè)定,簡(jiǎn)潔便利;采集信號(hào)數(shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)顯示,曲線與數(shù)值同時(shí)刷新,形象直觀;采集信號(hào)數(shù)據(jù)同步連續(xù)顯示,便于用戶監(jiān)視試驗(yàn)過(guò)程規(guī)律。

為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速的可控可調(diào),實(shí)現(xiàn)類似C語(yǔ)言中的語(yǔ)句V+X2=V;X2+d=X2,添加了自動(dòng)化控制模塊。自動(dòng)化控制模塊的流程示意圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)化控制模塊的流程示意圖Fig.3 Flowchart of the automation control module

通過(guò)改變參數(shù)V(磨輪轉(zhuǎn)速)、X2(速度的增量)、 d(X2的增量)和轉(zhuǎn)速停留時(shí)間,操作人員不用手動(dòng)控制即可連續(xù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 試驗(yàn)效果

軟件設(shè)計(jì)完成后,在Skoda-Savin試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。本文開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻器的控制及摩擦力和摩擦溫度信號(hào)的在線采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理,設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能運(yùn)行良好。

為檢驗(yàn)采用壓縮處理算法對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮處理的影響,采用不同均值個(gè)數(shù)。在相同摩擦試驗(yàn)條件下,分別進(jìn)行1 min試驗(yàn),采樣率為4 000 kS/s,計(jì)算采用不同均值個(gè)數(shù)獲得的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性,并比較數(shù)據(jù)占用的磁盤空間情況。結(jié)果如表2所示。

表2 均值處理方法相關(guān)性和占用磁盤空間情況Tab.2 Correlation of average processing method and occupy condition of disk space

從表2可以看出,均值處理后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)具有很高的相關(guān)性;由于摩擦試驗(yàn)本身的離散性,隨著均值個(gè)數(shù)的增加,相關(guān)度沒(méi)有出現(xiàn)規(guī)律性變化;采用實(shí)時(shí)均值算法處理后,試驗(yàn)數(shù)據(jù)占用磁盤空間量逐漸較少,對(duì)減小存儲(chǔ)量的效果相當(dāng)明顯。

同時(shí)為檢驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的可靠性,設(shè)定正壓力恒定為50 N,設(shè)定參數(shù)V=100、X2= 100、d=200,轉(zhuǎn)速停留時(shí)間300 s,則磨輪轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化如圖4所示。通過(guò)試驗(yàn)得到摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線圖Fig.4 Rotational speed vs.time

圖5 摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Friction coefficient vs.time

從圖4和圖5可以看出,隨著轉(zhuǎn)速的升高,摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)? 700 r/min下降到100 r/min時(shí),摩擦系數(shù)上升,但數(shù)值大于試驗(yàn)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)的值。這是因?yàn)殡S著試驗(yàn)的進(jìn)行,試樣接觸面積變大。試驗(yàn)結(jié)果有力地驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速自動(dòng)化控制過(guò)程方便、可靠。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)以Skoda-Savin試驗(yàn)機(jī)為對(duì)象,設(shè)計(jì)了一套完整的調(diào)試與試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)集試驗(yàn)控制與數(shù)據(jù)處理為一體,試驗(yàn)過(guò)程可控可調(diào)。摩擦學(xué)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集證明,該系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的全自動(dòng)程序控制和摩擦溫度、摩擦力的數(shù)據(jù)采集,滿足多種要求,界面操作簡(jiǎn)便;采用計(jì)算機(jī)后臺(tái)在線實(shí)時(shí)處理方式,有效解決了摩擦學(xué)試驗(yàn)測(cè)試中的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題,減小了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的磁盤占用空間,提高了計(jì)算機(jī)工作效率。

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Application of LabVIEW in Automatic Control and Data Acquisition of Tribology Test

In accordance with the revamp requirements of automation technology for Skoda-Savin friction-wear tester,the perfect debugging system and test system are built by adopting LabVIEW development platform.The system integrates control,data acquisition and data processing,and implements various functions including serial communication of the inverter,automatic control of the test procedures,data acquisition of friction force and temperature signals,calculation of friction coefficient,synchronous display,background real-time data compression and data storage,etc.The results show that the system is easy to operate and quick response,it implements automatic control for the rotational speed of the motor,and real time compression of the huge amount of test data,and solves the storage issue for large number of files,enhances working efficiency of computer;it possesses wide adaptability.

Friction-wear tester Data acquisition Automatic control LabVIEW Serial communication Real time signal

TP303

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):51275361);

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973基金資助項(xiàng)目(編號(hào):2013CB632303)。

修改稿收到日期:2013-12-23。

賈丹(1986-),女,現(xiàn)為武漢材料保護(hù)研究所機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)方面的研究。