基于LabVIEW的远程实时液压系统状态监控_丁绅.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 .：.本文引用格式：丁绅，贾文华，刘言岩，等基于 的远程实时液压系统状态监控机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学青年科学基金项目（）；南京工程学院科研基金项目（）；南京工程学院大学生科技创新基金（）作者简介：丁绅（），男，硕士研究生，研究方向为液压系统控制。：.。通信作者：贾文华（），女，博士，教授，主要从事机械工程健康监测和流体传动控制的科研。：.。基于 的远程实时液压系统状态监控丁绅，贾文华，刘言岩，王奕然（南京工程学院机械工程学院，江苏南京）摘要：针对液压系统故障对工程机械设备工作效率的限制，提出一种基于 的远程液压缸状态检测系统。该系统架构分为 层：现场设备层是以 数据采集卡为核心实现数据的采集和初步处理硬件平台；数据控制层主要借助串口通信和上位机编程实现数据的采集处理、数据存储、限位报警等功能；监测访问层主要以 通信协议为基础实现数据的远程传输及远程故障诊断。试验结果显示：基于 远程监测系统数据传输效果稳定、可靠性高。关键词：液压缸状态；通信协议；数据传输；故障诊断中图分类号：.，（，）：，：；前言工程机械是国家基建和工程建设中不可或缺的设备。随着现代工业的发展，各领域机械正在向大型化、连续化和自动化方向发展。工程机械设备工作效率提升的过程中，液压系统故障检测难度也随之提高。据统计，机械故障中 由液压系统故障导致，极大限制了工程机械的工作效率。可见，借助网络传输技术实现机械设备液压系统状态监测和远程故障诊断具有十分重要的意义。目前，美国北德克萨斯大学学者针对远程医疗应用领域，利用微处理器、模块等电路器件封装了一个心电图紧凑型设备，并利用 和 语言开发了配套的无线家用心电图远程监控系统，可实现边远地区患者老年人的远程心电图测量与诊断。中南大学吴小文对水箱的液面控制也实现了远程数据的共享。东南大学孙瑞娟等、重庆大学诸剑等人也开始了这方面的研究工作，借助于现代网络技术，研究实验设备远程控制的关键技术问题。针对液压系统故障对工程机械工作效率的限制问题，结合远程监控技术发展现状，本文作者设计一套基于 的远程实时监测系统，实现对液压系统状态的实时监测、信号采集、远程数据传输、故障报警等，该系统可为工程机械远程故障诊断的发展提供借鉴。系统的总体结构设计从工程机械设备的液压系统状态检测出发，结合液压系统故障特征以及远程监测的实时性，设计出一套基于 的远程实时信号采集及信号传输监测系统，实现液压系统工作状态的智能反馈。液压缸状态实时监测系统的原理简图如图 所示。远程实时监控系统的总体系统架构分为 层，现场设备层、数据控制层以及用户监测访问层。现场设备层主要是通过硬件的选型、平台搭建实现液压系统数据的监测。数据控制层主要是负责将本地现场传感器采集的数据通过数据采集卡和串口通信实现数据的处理和传输，供上位机 系统作进一步的数据处理与显示，实现对系统状态的监测、实时报警及数据存储等功能。用户监测访问层主要是借助远程数据传输 协议，利用 进行远程传输，将上位机处理的有关数据传输给远程客户端，便于专家系统远程故障诊断。图 液压缸实时监测系统原理简图.系统硬件设计硬件平台主要包括液压泵站、传感器、信号采集卡、机、模拟量输出板、比例放大器、液压缸等元件。模拟量输出板的串口通信方式为 ，具有一定的抗干扰能力。信号采集卡为 数据采集卡，不仅通信便捷且 内含 等自定义的测量系统与之匹配。在实验过程中，机输出控制信号，控制信号通过模拟量输出板和比例放大器的处理后，驱动电磁阀工作，阀控液压缸系统接通，液压缸工作。此时，位移传感器采集活塞杆的位移信号，传输给数据采集卡处理，通过串口通信的方式将数据传回 机。此时，系统采集到的信号将显示在前面板上，实际采集的位移信号与期望信号的差值也将显示到前面板上。本地测试现场布置如图 所示。图 本地现场测试布置.系统软件设计系统软件部分包括系统前面板设计和系统控制程序设计。系统前面板在 中设计，其界面中包括信号显示模块、系数设置模块、控制模块和限位报警模块等。系统前面板设计结果如图 所示。图 系统前面板设计.限位报警模块工程机械在工作过程中存在液压缸极限行程工作的情况，导致油缸里形成回流冲击甚至碰撞损伤。针对上述问题，监测系统中设计了限位报警模块。根据液压缸参数设置活塞杆正常工作区间。程序中设定活塞杆安全工作上限值为 ，下限值为 ，当采集位移信号数值超过正常工作区间时，指示灯闪烁提醒操作人员注意。限位报警程序如图 所示。图 限位报警程序.机床与液压第 卷.数据存储模块液压系统故障时需要参考监测数据进行故障分析。为此，监测系统中设计了数据存储模块，将每一时刻采集的数据进行存储。同时，存储程序中设计了报警指示功能，实时进行预期信号与采集的执行机构的实际工作信号比较，当二者之间数值误差超过最大误差设定值时，则认为液压系统工作不稳定且警示灯亮。警示灯为长亮状态，则液压系统系统故障。数据存储程序如图 所示。图 数据存储程序.控制模块将液压系统进行简化，忽略供油压力与控制器合外力的作用，可以得到系统的传递函数如式（）所示。根据式（）可以得出，此液压系统是一个增益系统且受很多非线性因素影响。若要避免这些非线性因素的影响，需要增加控制模块提高系统控制性能。控制具有控制原理简单、实现难度低、适用范围广等特点。控制中 个参数的调节关系整个系统稳态误差、控制精度和响应速度。因此，在 信号采集系统设计了 反馈的方法降低系统的非线性。（）（）（）|（）经多次试验验证和仿真分析得出比例系数、积分系数、微分系数分别采用、.、。其目的是降低液压缸非线性的影响，通过控制算法使输入输出信号尽可能接近，使系统达到一个相对稳定的状态。软件下的无 控制模块和添加 控制模块的系统仿真模型图如图 所示。图 系统仿真模型.远程数据传输远程实时监测系统借助 通信协议实现单个网络内部或互相连通的网络间的通信，实现数据在网络间或因特网上的计算机间传递。数据传输过程中，一端设定为服务器端，另一端为客户端。协议是一个面向连接的传输控制协议，具有顺序传递、流量控制拥塞控制、差错控制等机制，能够实现可靠的连接服务，为数据的无差错传输提供了保障。此实验平台的远程数据传输程序如图 所示。工作实验效果如图 所示。图 远程传输程序.第 期丁绅 等：基于 的远程实时液压系统状态监控 图 远程故障诊断端信号实时同步效果展示.：（），；（）远程控制系统的实验验证通过输入的期望值与位移传感器输出的实际值对比，证明控制系统的控制性能。基于搭建好的硬件平台验证电液比例远程控制系统的控制精度、响应速度及实时性。阶跃信号对系统响应性能要求高，工程上常被用作衡量一个控制系统响应性能的输入信号，正弦信号是最常用的评判系统控制性能的标准信号。文中所述的验证实验同样以正弦信号和阶跃信号作为实验的输入控制信号。.正弦信号实验验证将幅值为 、频率为.的正弦波信号作为系统的输入控制信号，目的是考察所设计远程控制系统在输入控制信号快速变化的情况下，跟随期望值变化的能力。正弦信号由上位机发出，控制电液比例阀阀芯的移动，最终，截取了一段系统稳定状态下远程控制系统发出的输入信号与液压缸实际产生位移的输出对比曲线，如图 所示，并将液压缸产生的位移数据与远程控制信号对比分析，得出正弦信号控制下的误差值如图 所示，正弦信号控制下的误差绝对值如图 所示。分析得出此远程控制系统对于此液压缸控制的最大误差为.，误差绝对值平均数为.，标准差为.。因此，此远程控制系统的控制效果稳定，精度较高，能够达到电液比例远程控制的要求。图 输入信号和实际位移曲线.图 正弦信号控制下误差值.图 正弦信号控制下误差绝对值.阶跃信号实验验证系统选用幅值为 的阶跃信号作为输入控制信号，考察所设计远程控制系统在输入控制信号产生阶跃变化的情况下，跟随期望值变化的能力。阶跃信号由上位机发出，最终记录所连接液压缸产生的位移信号并进行数据的记录和分析。远程输入信号与实际位移曲线对比情况如图 所示，分析结果如图 所示。可知：在整个 运动过程中，液压缸完成了一组伸出和缩回的动作。其中，液压缸伸出，从控制器接收到控制信号到液压缸完成伸出动作，此控制器只用了约.；机床与液压第 卷，液压缸缩回，从控制器接收到控制信号到液压缸完成缩回动作，此控制器用了约.。可以看出：活塞杆能够根据输入信号的变化做出阶跃变化，活塞杆位移曲线呈阶跃状，产生的延迟现象在可接受的范围内。图 远程输入信号与实际位移信号对比情况.图 阶跃信号控制的误差值.远程系统的实时性验证在系统准备工作就绪之后，利用上位机程序中的控制信号输入模块“滑动杆”给下位机发送控制指令，利用秒表记录发送指令至液压缸产生位移动作的时间，及液压缸发生位移动作之后上位机数据采集模块生成波形图的时间。多次试验，记录其中 次发送指令至液压缸产生位移动作的时间，及液压缸发生位移动作之后上位机数据采集模块生成波形图的时间，这两段时间分别表示控制命令输入时间和数据采集输入时间，以此来验证系统的实时性。整理出控制命令及数据采集输入时间情况如表 所示。分析发现：控制命令输入时间最大值为.，平均值为.；数据采集输入时间最大值为.，平均值为.。由此可见，上位机发出控制命令至液压缸做出动作的时间及上位机成功显示数据采集信息的时间均在 内，所设计的远程控制系统具有一定的实时性。表 控制命令及数据采集输入时间.序号控制命令输入时间 数据采集输入时间 序号控制命令输入时间 数据采集输入时间 结语文中基于 虚拟仪器技术，以阀控液压缸系统为研究对象，数据采集卡和位移传感器为硬件核心，通信和 数据传输技术为主要技术手段，开发了一套液压缸工作状态远程监控系统。该系统不仅能够实现液压缸位移信号的采集、液压系统的控制与位移数据的存储，还能实现采集数据的远程传输及液压缸工作状态的远程监测，为远程故障诊断提供依据。该系统具有精度高、稳定性好等优点且具有实际应用价值，为其他远程监控系统的研究提供参考。参考文献：周威中国工程机械产业国际竞争力研究长春：吉林大学，：，陈伟，吴金海面向人工智能 的工程机械创新趋势筑路机械与施工机械化，（）：，（）：田海龙油液污染对重型数控机床液压系统可靠性的影响规律研究长春：吉林大学，：，第 期丁绅 等：基于 的远程实时液压系统状态监控 ，：江平，王海杰，董雅丽，等某型装备液压系统便携式故障检测仪设计液压与气动，（）：，（）：，：，（）：，（）：吴小文基于物联网的煤矿井下安全监控系统设计与应用研究煤矿现代化，（）：，（）：孙瑞娟，党晓圆，杨佳义基于物联网技术的温室微气候监控系统设计农业与技术，（）：，（）：诸剑，王玉鹏，吴金文，等大数据背景下工程机械远程监控技术研究现代信息科技，（）：，（）：诸剑，王玉鹏，房剑飞，等基于大数据的工程机械远程监控系统研究科技资讯，（）：，（）：崔志成工程机械远程监控与诊断技术在大型工程中的应用建筑机械化，（）：，（）：王晓，陈杰，李济顺，等大型设备远程状态监测及信息采集技术研究自动化仪表，（）：，（）：机床与液压 投稿要求 来稿应具有科学性、实用性、逻辑性。文字准确、通顺、精炼，重点突出。稿件应包括篇名（中英文）、摘要及关键词（中英文）、作者及作者单位（中英文）、正文、参考文献等，并提供中图分类号和作者简介。若是科研基金项目或国家、部、省级攻关项目，请将项目类型名称和编号标注在文稿首页的页脚，并在文章末尾提供基金项目介绍，内容包括：基金项目名称、申请单位、项目组成员、研究内容，同时请用不多于 个汉字介绍文章的主要创新点。强烈建议作者投稿时提供关于文章的图文摘要，欢迎提供视频摘要，具体要求见公众号文章 论文图文摘要撰写及视频制作要求。文题应恰当、简明地反映文章的内容，符合编制题录、索引和选择关键词等所遵循的原则。作者应具备下列条件：（）参与选题和设计或参与资料的分析和解释者；（）起草或修改论文中关键性理论或其他主要内容者；（）最终同意该文发表者。来自高校的论文务必将导师列为作者之一。每篇论文作者的排序应在投稿时确定，在编排过程中不应再作更改。摘要。中英文摘要