基于LabVIEW與數(shù)據(jù)采集卡的液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】在液壓馬達(dá)測(cè)試過(guò)程中，為準(zhǔn)確采集壓力、流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)比例閥等器件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，設(shè)計(jì)出一套基于LabVIEW與數(shù)據(jù)采集卡的液壓馬達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)?！痉椒ā吭撓到y(tǒng)硬件部分集成數(shù)據(jù)采集卡、多種變送器、信號(hào)隔離器，并采取抗干擾措施，保證信號(hào)采集的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性；軟件部分通過(guò)LabVIEW主程序及子程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置、傳感器標(biāo)定、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)表生成等功能?！窘Y(jié)果】通過(guò)對(duì)不同型號(hào)的液壓馬達(dá)進(jìn)行測(cè)試，觀察分析數(shù)據(jù)采集波形圖，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)重復(fù)檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定?！窘Y(jié)論】該系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)觀察現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、進(jìn)行質(zhì)量分析、開(kāi)展產(chǎn)品溯源具有積極作用，并為類似信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；液壓馬達(dá)

中圖分類號(hào)：TH137.51" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2025）01-0017-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.003

Design of a Hydraulic Motor Testing System Based on LabVIEW and a Data Acquisition Card

REN Handing ZHU Lu YAO Wei LIU Yuan ZHAO Haojie ZHANG Chao

（Anhui Vocational College of Defense Technology， Lu'an 237000， China）

Abstract： [Purposes] To accurately acquire information such as pressure， flow rate， rotational speed， torque， and temperature， and to control devices like proportional valves in real-time in the process of hydraulic motor test， a hydraulic motor signal acquisition system based on LabVIEW and a data acquisition card is designed. [Methods] The hardware component integrates an Advantech data acquisition card， various transmitters， the signal isolator and anti-interference measures to ensure the accuracy and stability of signal acquisition. The software component， designed through LabVIEW main and subprograms， implements functions such as experimental parameter database setup， sensor calibration， real-time data display， and report generation. [Findings] By testing hydraulic motors of different models and analyzing the data acquisition waveforms， it is found that the detection repeatability of the system is stable. [Conclusions] The implementation of this system plays a positive role in monitoring on-site data， conducting quality analysis， and supporting product traceability. Additionally， it provides a reference for the design of similar signal acquisition systems.

Keywords： LabVIEW; data acquisition; hydraulic motor

收稿日期：2024-09-24

基金項(xiàng)目：2022年度安徽省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目“基于視覺(jué)學(xué)習(xí)的果類品質(zhì)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2022AH052516）；2021年度安徽省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目“基于深度學(xué)習(xí)的學(xué)術(shù)論文圖形/圖像相似度檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究”（KJ2021A1501）；2024年度安徽省教育廳項(xiàng)目自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高精度大功率液壓馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2024AH050201）；2024年度安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目“高端元件測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)”（2024GFKYPT006）、“新型反拉式換位夾持黃麻剝皮機(jī)”（2024GFZR001）、“智能型液壓抓臂式清污機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”（2024GFZR002）；安徽省中青年教師培養(yǎng)行動(dòng)優(yōu)秀青年教師培育項(xiàng)目（YQYB2023196、YQYB2024172）；安徽省高校理工科教師赴企業(yè)掛職實(shí)踐計(jì)劃入選項(xiàng)目（2024jsqygz226）；安徽省質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目（2023jyxm1531）；安徽省職業(yè)與成人教育學(xué)會(huì)2024年教育教學(xué)研究規(guī)劃課題（AZCJ2024067）。

作者簡(jiǎn)介：任漢鼎（1988—），男，碩士，講師，研究方向：電氣工程、自動(dòng)化控制。

0 引言

液壓馬達(dá)屬能量轉(zhuǎn)換裝置，是能產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件。液壓馬達(dá)把輸送來(lái)的油液壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其輸入量是油液的壓力和流量，輸出量是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速（角速度）［1］。為測(cè)試馬達(dá)質(zhì)量，需要對(duì)馬達(dá)進(jìn)行跑合試驗(yàn)與性能測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)比例閥等器件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)對(duì)壓力、流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。液壓馬達(dá)測(cè)試硬件布局如圖1所示。

在測(cè)試液壓馬達(dá)系統(tǒng)過(guò)程中，主要采用西門子S7-1215對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，但所涉及的模擬量與數(shù)字量超過(guò)8個(gè)通信模塊所能承載的上限。綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，確定使用研華數(shù)據(jù)采集卡對(duì)剩余7路模擬量信號(hào)進(jìn)行采集。上位機(jī)與PLC之間采用NI官方的開(kāi)放平臺(tái)通信（OPC）方式。OPC是自動(dòng)化行業(yè)及其他行業(yè)用于數(shù)據(jù)安全交換時(shí)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。OPC獨(dú)立于平臺(tái)，并確保來(lái)自多個(gè)廠商的設(shè)備之間的信息能無(wú)縫傳輸［2］。本研究?jī)H展示數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)間的硬件設(shè)計(jì)及LabVIEW程序綜合設(shè)計(jì)。上位機(jī)如圖2所示。

1 數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集硬件包括數(shù)據(jù)采集卡、變送器、信號(hào)隔離器。數(shù)據(jù)采集卡采用USB-4704，變送器包括壓力變送器、流量變送器、溫度變送器，信號(hào)隔離器采用AOTUKER的GLZH22-A-V（2入2出）。信號(hào)傳輸與轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集卡

該系統(tǒng)采用單端輸入。在測(cè)試過(guò)程中，要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。根據(jù)實(shí)際需求，采用研華USB-4704采集卡。該采集卡可同時(shí)采集8路模擬量信號(hào)，其主要參數(shù)性能見(jiàn)表1。

1.2 變送器

為減少采集過(guò)程中信號(hào)干擾及信號(hào)損失，所采用的壓力變送器、流量變送器、溫度變送器均為電流型變送器。壓力變送器型號(hào)為FRISUO的PT-351，流量變送器型號(hào)為WEBTEC的CT150，溫度變送器型號(hào)為ALDSB的WZPK236。這三款變送器的模擬量采集范圍均為4～20 mA，且在檢測(cè)區(qū)間內(nèi)均具有良好的線性度，可保證檢測(cè)精度。

1.3 信號(hào)隔離器

工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域需要檢測(cè)各類模擬量，如水壓、水流量、濕度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度等非電模擬量，但在信號(hào)采集和傳輸過(guò)程中，為保證控制系統(tǒng)能安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行，通常使用信號(hào)隔離器將傳感器信號(hào)或變送器信號(hào)等測(cè)量系統(tǒng)的地和控制系統(tǒng)的地隔離開(kāi)來(lái)［3］ 。由于變送器信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)，采集卡輸入信號(hào)為0～10 V的電壓信號(hào)，故使用具有AV轉(zhuǎn)換功能的信號(hào)隔離器GLZH22-A-V，除保障信號(hào)傳輸外，還兼具電壓電流轉(zhuǎn)換功能。

1.4 硬件接線

由于要對(duì)回油流量、泄露流量、泄露溫度、泄露壓力、補(bǔ)油壓力、Pi壓力、Ps壓力這7路信號(hào)進(jìn)行采集，采用2個(gè)流量變送器、1個(gè)溫度變送器、3個(gè)壓力變送器，依次連接到4個(gè)GLZH22-A-V信號(hào)隔離器（2進(jìn)2出）輸入端子。信號(hào)隔離器16端子與15端子之間連接DC 24 V，保障供電。信號(hào)隔離器輸出端使用屏蔽線連接至研華USB-4704采集卡，該采集卡具有8路模擬量輸入通道，在系統(tǒng)中僅用通道0～通道6進(jìn)行單端輸入。

在硬件接線過(guò)程中，根據(jù)抗干擾需求，采取GND接地、信號(hào)線包裹屏蔽層、安裝磁環(huán)等措施，能有效保障信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)的軟件功能包括試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置功能、傳感器標(biāo)定功能、數(shù)據(jù)采集與顯示功能、報(bào)表生成功能。

本研究采用研華采集卡附帶有相關(guān)驅(qū)動(dòng)文件。在成功安裝研華采集卡驅(qū)動(dòng)（DAQ XNavi）后，可通過(guò)LabVIEW直接調(diào)用研華的相關(guān)函數(shù)對(duì)采集卡進(jìn)行設(shè)置。其中，創(chuàng)建通道函數(shù)用來(lái)配置信號(hào)范圍、采樣通道等參數(shù)；采樣時(shí)鐘函數(shù)用來(lái)配置采樣頻率和緩沖區(qū)大??；讀取數(shù)據(jù)函數(shù)根據(jù)采集卡的性能，配置每通道采樣數(shù)，并輸出采集的數(shù)據(jù)［4］。

2.1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置功能

在液壓馬達(dá)測(cè)試過(guò)程中，要對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值（r/min）、主泵加載壓力目標(biāo)值（MPa）、馬達(dá)加載壓力目標(biāo)值（MPa）、排量比、減速比等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于被測(cè)馬達(dá)型號(hào)與參數(shù)不同，考慮設(shè)置效率、數(shù)據(jù)共享性等方面，選用Microsoft Access作為存儲(chǔ)方式。Microsoft Access是建立在“關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)”上的一套應(yīng)用系統(tǒng)，有6個(gè)主要對(duì)象（表、查詢、窗體、報(bào)表、宏、模塊），可將一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件當(dāng)作一個(gè)表格對(duì)象進(jìn)行處理。一個(gè)Access數(shù)據(jù)庫(kù)文件包含多張表，可選擇鏈接方式和外部表格、數(shù)據(jù)庫(kù)（包括網(wǎng)絡(luò)）鏈接，而不用直接導(dǎo)入，占用磁盤空間［5］。

在LabVIEW中，通過(guò)函數(shù)選板—互聯(lián)接口—Database選擇數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊進(jìn)行操作，可實(shí)現(xiàn)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的增、改、刪、查等操作。以查詢?yōu)槔?，其操作如圖4所示。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)查詢，先通過(guò)字符串連接數(shù)據(jù)庫(kù)，再調(diào)用SQL語(yǔ)句進(jìn)行查詢，并通過(guò)“Fetch Recordset Data.vi”函數(shù)獲取查到的數(shù)據(jù)，最后通過(guò)嵌套的For循環(huán)將數(shù)據(jù)以數(shù)組方式讀出，賦值給不同變量。此外，增加、改變、刪除操作與查詢操作相同。

2.2 傳感器標(biāo)定功能

由于該系統(tǒng)中壓力變送器、流量變送器、溫度變送器在其工作范圍內(nèi)均具有較好的線性度。在線性區(qū)間內(nèi)，其物理量與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)式（1）。

[y=y2?y1x2?x1?x+y1]" （1）

式中：y2為物理量上限；y1為物理量下限；x2為數(shù)字量上限；x1為數(shù)字量下限；x為采集值；y為實(shí)際值。

通過(guò)編寫(xiě)子vi，并結(jié)合不同變送器的物理量與數(shù)字量量程，將儀表的采集值轉(zhuǎn)換為實(shí)際值，并應(yīng)用于主程序中。其子vi程序框圖如圖5所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集與顯示功能

數(shù)據(jù)采集與顯示是該系統(tǒng)的核心功能，在LabVIEW中構(gòu)建主vi與PLC及采集卡通信采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量/模擬量信號(hào)。同時(shí)，依托西門子S7-1215對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)與變量閥進(jìn)行準(zhǔn)確控制。顯示界面如圖6所示。

2.4 報(bào)表生成功能

將該系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)錄入到Excel表格中。由于表格具有可拓展性，采用“Excel Get Last Row.vi”函數(shù)輸出最后一行的簇信息，并通過(guò)解綁簇，可獲得最后一行的行信息。在報(bào)表中寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，能定位寫(xiě)入位置。定位報(bào)表最后一行如圖7所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

基于多款型號(hào)的液壓馬達(dá)，對(duì)該系統(tǒng)展開(kāi)測(cè)試，依次進(jìn)行正向速度跑合、正向壓力跑合、反向速度跑合、反向壓力跑合、正向低速性能測(cè)試、正向高速性能測(cè)試、反向高速性能測(cè)試、反向低速性能測(cè)試。PLC與采集卡采集到的變量在上位機(jī)上顯示重復(fù)檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定。表格數(shù)據(jù)記錄正常，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)構(gòu)建基于LabVIEW與數(shù)據(jù)采集卡的液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)液壓馬達(dá)的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集并判斷，不僅能通過(guò)對(duì)主界面的監(jiān)控直觀觀察現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還能通過(guò)生成的波形圖對(duì)壓力、流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行時(shí)域顯示，開(kāi)展產(chǎn)品質(zhì)量分析，更能利用生成的表格對(duì)產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，方便產(chǎn)品溯源。本研究將對(duì)后續(xù)的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)與觀察具有重要的參考價(jià)值。

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