陳薇++孫金秋++田小琴

摘要：針對汽車管路部件耐壓爆破試驗的要求，為爆破試驗臺設(shè)計了測控系統(tǒng)。采用上位計算機(jī)和下位可編程控制器實現(xiàn)分布式兩級控制方式，上位監(jiān)控系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計，實現(xiàn)試驗參數(shù)的設(shè)置、試驗過程的監(jiān)控、試驗數(shù)據(jù)的保存和報表生成，通過串口與下位機(jī)通訊，發(fā)送目標(biāo)壓力；可編程控制器采集試驗過程中的實際壓力，并通過控制伺服閥放大器進(jìn)行壓力閉環(huán)控制。試驗運(yùn)行驗證了測控系統(tǒng)的合理性、可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：爆破試驗；壓力控制；試驗臺；測控系統(tǒng)；LabVIEW

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 1009-3044（2016）14-0196-03

Design of Measurement and Control System for Pipe Burst Test Bench

CHEN Wei， SUN Jin-qiu， TIAN Xiao-qin

（Jin Cheng College， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211156， China）

Abstract： To satisfy the requirement of the pressure burst test of the automobile pipe part， the measurement and control system was designed for the blasting test bench. The distributed two-stage control mode was realized by adopting the upper computer and lower programmable controller. The LabVIEW was used to design the monitor system with the function of test parameters setting， test process monitoring， test data preservation and report generation. The target pressure was transmitted to lower machine by serial port. Programming controller to do the work of acquiring the test pressure and closed loop control by controlling the server valve amplifier. Test operations verify the rationality， reliability and stability of the measurement and control system.

Keywords： burst test； press control； test bench； measurement and control system； LabVIEW

管路是汽車的重要零部件之一，在各大組成部分都包含不同材質(zhì)的管路，如制動軟管、空調(diào)管、燃油管、冷卻液管等，管路的耐壓能力優(yōu)劣直接決定了汽車的質(zhì)量可靠性和行駛安全性。從監(jiān)管部門、汽車制造廠到零部件供應(yīng)商，都提出了質(zhì)量控制和保障要求，制定了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了管路的耐壓爆破試驗標(biāo)準(zhǔn)和方法[1]。針對汽車管路耐壓爆破試驗的要求，采用計算機(jī)測量與控制技術(shù)為爆破試驗臺設(shè)計了測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了試驗過程自動化，在0.5～60MPa內(nèi)試驗壓力和升壓速度可無級調(diào)節(jié)，試驗開始后可以自動充水、升壓、保壓、卸壓排水，當(dāng)被試件發(fā)生破裂時，試驗臺自動停止加壓，試驗參數(shù)、數(shù)據(jù)和曲線能實時顯示、保存并自動生成報表，為管路耐壓爆破試驗提供了可靠的檢測手段。

1 總體方案

爆破試驗機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，增壓部分由液壓站、液驅(qū)增壓泵和電液伺服閥組成，伺服閥放大器在可編程控制器的控制信號作用下驅(qū)動電液伺服閥，控制液壓油驅(qū)動增壓泵動作的頻率和幅度，將試驗介質(zhì)壓入試件腔體，實現(xiàn)系統(tǒng)的加壓[2-3]。由于增壓泵自吸能力有時不能滿足流量要求，采用水泵保證試驗介質(zhì)的連續(xù)。保壓閥在保壓試驗過程中關(guān)閉，滿足試驗保壓試驗的需求。卸壓閥可以根據(jù)需要打開，釋放試件壓力，試驗介質(zhì)通過管路流回水槽。

測控系統(tǒng)設(shè)計成兩級分布式控制方式，工業(yè)控制計算機(jī)為上級，采用NI公司的LabVIEW軟件設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，完成人機(jī)界面交互、試驗過程調(diào)度、試驗數(shù)據(jù)的處理與存儲以及報表的生成和打印?？删幊炭刂破鳛橄录?，根據(jù)試驗臺的輸入輸出需求，選用OMRON公司CP1E-NA20DT型，根據(jù)上位機(jī)命令采集和實時控制試驗壓力，以及控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，上位機(jī)和下位機(jī)通過串口進(jìn)行通訊。

2 壓力控制系統(tǒng)設(shè)計

可編程控制器的主要任務(wù)是在上位機(jī)的調(diào)度下實現(xiàn)試驗壓力的采集和實時控制，按模塊化設(shè)計思想分解為若干子任務(wù)，分別為采集實際壓力信號、解算上位機(jī)發(fā)送的目標(biāo)壓力、壓力閉環(huán)控制、以及將需要和上位機(jī)交互的信息傳送到通訊緩沖區(qū)。壓力采集數(shù)據(jù)處理過程如圖2所示，使用OMRON PLC的內(nèi)建AD/DA，需要在開發(fā)環(huán)境CX-Programmer中對PLC進(jìn)行設(shè)置，激活A(yù)D/DA功能，并使能自帶的平均化功能進(jìn)行濾波抑制噪聲，在程序中從分配的字地址中就可以讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，DA同樣只需將數(shù)字量寫入分配的字地址。對于實際壓力采集，首先將數(shù)字量變換位工程物理量，再用低通濾波器進(jìn)一步減小測量噪聲，此外，壓力傳感器存在一定的非線性誤差，為減小壓力控制誤差和滿足實時控制的要求，采用查表法進(jìn)行非線性補(bǔ)償。壓力控制采用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，目標(biāo)壓力由上位機(jī)發(fā)送，實際壓力由PLC采集，輸出的控制量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后傳送到DA的字地址，轉(zhuǎn)換為控制伺服閥放大器的模擬電壓。由于增壓系統(tǒng)單向閥的作用，壓力只能正向控制，因此，PI調(diào)節(jié)器中采取了有條件的積分控制，當(dāng)實際壓力高于目標(biāo)壓力時禁止積分控制。

3 監(jiān)控軟件設(shè)計

試驗臺的功能依賴于測控軟件，上位機(jī)監(jiān)控軟件是試驗過程自動化控制和數(shù)據(jù)采集的核心。LabVIEW使用圖形化編程語言編程，簡單直觀，可極大節(jié)省監(jiān)控軟件的設(shè)計時間，同時提供豐富的庫函數(shù)和功能模塊，可完成各種各樣的編程任務(wù)，廣泛應(yīng)用于各類測控系統(tǒng)設(shè)計[4]。

3.1 試驗過程控制

針對爆破試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，將整個控制任務(wù)按不同的功能分解，主要包括：試驗參數(shù)的設(shè)置、試驗信息的輸入、試驗過程的監(jiān)控、與下位機(jī)通訊、異常監(jiān)測和報表生成等，監(jiān)控系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。試驗臺開機(jī)或處于待測試狀態(tài)時，所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都處于復(fù)位狀態(tài)，開始試驗后，首先開啟水泵、打開泄壓閥和保壓閥進(jìn)行排空操作，使試驗介質(zhì)充滿被試件，然后關(guān)閉泄壓閥，根據(jù)界面選擇的試驗方式進(jìn)行增壓，試驗過程中需要實時檢測被試件是否破裂、試驗倉是否關(guān)閉、急停是否按下，當(dāng)出現(xiàn)異常時，為保證試驗人員和設(shè)備的安全，系統(tǒng)自動停止加壓并打開泄壓閥釋放壓力，試驗結(jié)束后，根據(jù)試驗情況，自動生成報表。

3.2 PLC通訊功能

LabVIEW和OMRON PLC可以采用普通的RS232通訊和調(diào)用DSC里面的OPC SERVERS的驅(qū)動來定義變量通訊，后者需要購買授權(quán)，因此，本設(shè)計采用普通的RS232通訊。

上位機(jī)需要寫入PLC的數(shù)據(jù)主要有：開關(guān)量輸出控制、目標(biāo)壓力、比例系數(shù)和積分系數(shù)，需要讀取的PLC數(shù)據(jù)有：開關(guān)量輸入狀態(tài)、實際壓力、當(dāng)前比例系數(shù)和積分系數(shù)，為了減小通訊量，所有的數(shù)據(jù)的讀寫都通過數(shù)據(jù)存儲區(qū)DM進(jìn)行，在PLC中建立CIO區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)DM的映射關(guān)系。具體實現(xiàn)時，首先調(diào)用VISA配置串口VI設(shè)置串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位和超時等通信參數(shù)，且設(shè)置和PLC的RS232參數(shù)一致，然后根據(jù)通訊命令的格式，調(diào)用VISA寫入函數(shù)向PLC發(fā)送命令幀置PLC為監(jiān)控模式，延時后，調(diào)用VISA讀取函數(shù)從串口緩沖區(qū)中讀取返回的字符串幀，并判斷是否通信正常[5]。如果通信正常，依次將開關(guān)量輸出控制、目標(biāo)壓力、比例系數(shù)和積分系數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串，由于上位機(jī)實時計算出的目標(biāo)壓力是浮點型，通過串行通信發(fā)送給PLC，需要占用兩個字，為了簡化數(shù)據(jù)解算，上位機(jī)將目標(biāo)壓力值放大100倍轉(zhuǎn)換為整數(shù)后再轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串，按照寫DM的格式，連接字符串，計算幀檢測序列，形成寫DM區(qū)的命令幀，調(diào)用VISA寫入函數(shù)寫入PLC[6-8]。試驗過程中，還需要及時讀取實際壓力和開關(guān)量輸入量的狀態(tài)，上位機(jī)首先需要向PLC發(fā)出讀DM區(qū)命令幀，主要信息包括數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址和讀取字的個數(shù)，延時后，調(diào)用VISA讀取函數(shù)從串口緩沖區(qū)接收由下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)下位機(jī)中的定義，調(diào)用截取字符串函數(shù)從返回的幀中提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，解算出開關(guān)量輸入狀態(tài)、實際壓力、當(dāng)前比例系數(shù)和積分系數(shù)。

3.3 報表功能

LabVIEW Report Generation Toolkit 工具包通過ActiveX 技術(shù)將Microsoft Word 和Excel 與LabVIEW 集成開發(fā)環(huán)境結(jié)合起來，用于快速生成專業(yè)的報告，從而高效地表示出各種測試數(shù)據(jù)和結(jié)果[9-10]。首先建立Excel報表模版，讀取前面板輸入的試件信息，程序框圖完成試驗壓力的采集、處理和保存等任務(wù)，將試驗數(shù)據(jù)、結(jié)果、試驗信息等統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為字符串格式，調(diào)用LabVIEW的程序間通信子VI寫入到Excel上，把設(shè)置的試驗條件參數(shù)寫入表格預(yù)定的單元格中，并將試驗曲線圖插入到報表的設(shè)定位置。

生成適用于本試驗的Excel報表涉及的主要VI及輸入?yún)?shù)如下：

1）New Report，創(chuàng)建報表，參數(shù)報表類型選擇Excel類型。

2）Append Table to Report，添加表格至報表，使二維數(shù)組作為表格至報表，將試驗過程中的實際壓力和對應(yīng)的時刻加入報表中去，需要提供創(chuàng)建的報表、文本數(shù)據(jù)、寫入Excel工作表中插入點作為輸入?yún)?shù)。

3）Append Control Image to Report，添加控件圖像到報表，VI將測試曲線加入到報表的模板中去，必須輸入?yún)?shù)為：報表輸入、圖像文件類型、控件引用、MS Office參數(shù)分別為之前創(chuàng)建的報表、JPG類型、前面板的壓力-時間曲線控件的引用、曲線插入報表單元格的名稱。

4）VI Excel Easy Text，將試件廠家、產(chǎn)品型號、試驗員等文本信息添加到Excel報表中去。

5）Save Report to Files，在指定目錄中保存報表，目錄由用戶在文件對話框中選擇確定。

6）Depose Report，關(guān)閉報表接口，關(guān)閉報表并釋放其界面，節(jié)省內(nèi)存，在程序的最后一步執(zhí)行。

4 結(jié)語

本文針對管路部件爆破試驗的需求，綜合應(yīng)用可編程控制器和虛擬儀器的優(yōu)點設(shè)計測控系統(tǒng)，通過對電液伺服系統(tǒng)的控制實現(xiàn)了管路部件爆破試驗壓力的精確控制，實現(xiàn)了試驗過程的自動化，實際應(yīng)用表明系統(tǒng)功能、穩(wěn)定性和可靠性滿足要求，本測控系統(tǒng)的設(shè)計方法可應(yīng)用于具有共同技術(shù)需求的試驗臺。

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