基于虛擬儀器的液壓系統(tǒng)故障檢測(cè)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入以計(jì)算機(jī)、數(shù)控和液壓為主體的發(fā)展階段，由于液壓傳動(dòng)具有單位功率重量輕、體積小、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速、易于實(shí)現(xiàn)載荷控制和動(dòng)力傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而在工程中得到了廣泛地應(yīng)用。但由于液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)是流體，流體本身存在連續(xù)性和靜壓傳遞的均布性，很難判斷液壓系統(tǒng)故障的因果關(guān)系，再加上控制元件主要是靠機(jī)械動(dòng)作改變閥口來實(shí)現(xiàn)的，因此很容易造成密封件磨損而導(dǎo)致的元件內(nèi)泄漏等故障，這些故障通常相當(dāng)復(fù)雜和隱蔽，單憑感官、經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)的檢測(cè)方法來判斷，相當(dāng)困難并且準(zhǔn)確性不高。那么如何對(duì)液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，使得液壓設(shè)備準(zhǔn)確、高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，是擺在工程技術(shù)人員面前的一大難題。本文提出一種基于虛擬儀器技術(shù)的液壓系統(tǒng)故障檢測(cè)方法。 2虛擬儀器及其軟件開發(fā)平臺(tái)Labview

2．1虛擬儀器

虛擬儀器是一種全新的儀器概念，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用計(jì)算機(jī)的硬件資源、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路以及計(jì)算機(jī)軟件資源，使得使用者操作這臺(tái)通用計(jì)算機(jī)就像操作一臺(tái)自己專門設(shè)計(jì)的儀器一樣。虛擬儀器技術(shù)的最大特點(diǎn)是"軟件就是儀器"的觀念。除此之外，虛擬儀器還具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能，虛擬儀器將信號(hào)分析、顯示、存儲(chǔ)、打印和其他管理集中由計(jì)算機(jī)來處理，充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和顯示能力，使得組建系統(tǒng)更加靈活、簡單。

2)儀器由用戶自己定義，虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫，可以很方便地修改儀器功能和面板。

3)開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用低，系統(tǒng)組建時(shí)間短，當(dāng)需要增加新的測(cè)量功能，只需要增加軟件模塊或通用的硬件模塊，縮短了系統(tǒng)的更新時(shí)間，而且有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

2．2軟件開發(fā)平臺(tái)IabVIEW

LabVI EW(Laboratory Vinual Instrument．Engi-neering Workbench)，即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境，是美國NI公司推出的一種非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言--G語言。它和Visual Basic、Visual C++、Delphi、Perl等基于文本型程序代碼的編程語言不同，LabVIEW采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，因此，在編程時(shí)，基本不寫程序代碼，取而代之的是圖標(biāo)、連線構(gòu)成的框圖。LabVIEW提供了豐富的函數(shù)庫和子程序庫，這些模塊為使用者完成一般的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示等任務(wù)，提供了極大的方便。

LabVIEW程序分為兩部分：前面板(Front Pan-e1)和程序框圖(Block Diagram)。前面板是VI的圖形用戶接口，它集成了用戶輸入和輸出功能。主要由控制量和顯示量構(gòu)成。用戶通過控制量(如輸人數(shù)據(jù)的文本框以及一些開關(guān)、按鈕等)輸入數(shù)據(jù)和控制程序的運(yùn)行，而顯示量(如波形圖、波形表等)則主要用于顯示程序運(yùn)行的結(jié)果。程序框圖包含了虛擬儀器的圖形化源代碼，用以控制和操縱定義在前面板上輸入和輸出功能。此外，還包括內(nèi)置于LabVIEW庫中的函數(shù)、結(jié)構(gòu)、連線和子VI等。

3采用虛擬儀器技術(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)

在液壓傳動(dòng)過程中，系統(tǒng)故障時(shí)有發(fā)生，如沒有運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)方向不正確，運(yùn)動(dòng)速度不合要求以及爬行、噪音、油溫急劇上升等。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可以通過故障后系統(tǒng)的輸出信息和正常運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行比較，從而診斷出故障的原因和部位。但是無論什么原因，液壓系統(tǒng)故障都可以從壓力、流量和方向三個(gè)大問題中反映出來，因此，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)是十分必要的。在液壓系統(tǒng)中需要檢測(cè)的主要參數(shù)有壓力和流量，同時(shí)還有油溫和液位等等。由于壓力和流量變化比較快，可采用動(dòng)態(tài)的在線檢測(cè)，能及時(shí)反映出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，而油溫的變化相對(duì)平緩，則可采用靜態(tài)檢測(cè)。本文以液壓系統(tǒng)中壓力的檢測(cè)為例說明基于虛擬儀器技術(shù)的液壓系統(tǒng)故障檢測(cè)的設(shè)計(jì)方法。

3．1壓力檢測(cè)裝置的組成

該裝置由四部分個(gè)組成，即傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過傳感器對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行時(shí)實(shí)采集，但由于采集到的電信號(hào)大多數(shù)是含有噪聲的微弱信號(hào)或是非電信號(hào)，因此要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理的作用就是對(duì)采集的電信號(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換或?yàn)V波等處理，使之成為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。然后再接人數(shù)據(jù)采集卡。將模擬電信號(hào)進(jìn)行離散化和數(shù)字化，最后通過計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。本裝置還具有時(shí)實(shí)越限報(bào)警功能，當(dāng)壓力超出警戒線時(shí)，給出報(bào)警信號(hào)。

在整個(gè)壓力檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集卡是核心部分。通常，一個(gè)典型的采集卡可以完成多種功能：模／數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)／模轉(zhuǎn)換、數(shù)字量I／O，以及計(jì)數(shù)器／定時(shí)器操作等。在該檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)中選用的是即插即用的USB6009數(shù)據(jù)采集卡。USB6009具有8路模擬輸入通道，2路模擬輸出，14位分辨率，12條數(shù)字I／O線，48 kS／s的多功能數(shù)據(jù)采集卡。

3．2壓力檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

壓力檢測(cè)可根據(jù)信道的數(shù)目不同分為單通道壓力檢測(cè)和多通道壓力檢測(cè)兩種情況，這里我們研究的是單通道壓力檢測(cè)。

單通道壓力檢測(cè)是選用數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)模擬輸入通道，用戶在彈出的對(duì)話框中選擇所要檢測(cè)的通道，軟件系統(tǒng)就從選中的通道中按照設(shè)定的采集頻率采集數(shù)據(jù)。并將采樣的數(shù)據(jù)用曲線的形式加以顯示。利用LabVIEW設(shè)計(jì)的壓力檢測(cè)裝置的前面板如圖2所示：

該前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。實(shí)現(xiàn)的功能有：

1)系統(tǒng)控制：對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，設(shè)置采樣頻率，使用戶在檢測(cè)過程中可隨時(shí)改變采樣頻率的值以適應(yīng)采樣的需求，設(shè)置報(bào)警的上下限壓力值。
2)數(shù)據(jù)分析：主要完成數(shù)據(jù)的處理，這里主要是求平均壓力值。
3)顯示控制：可以顯示壓力隨時(shí)間的變化曲線，當(dāng)壓力超過警戒范圍時(shí)，指示燈就會(huì)變亮。

可以看出前面板猶如儀器的面板，可用于控制和顯示，充分體現(xiàn)了虛擬儀器"軟件就是儀器"的優(yōu)點(diǎn)。與前面板相對(duì)應(yīng)的程序框圖，相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼，是由圖框、端口、連線和結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中結(jié)構(gòu)起到控制作用，如循環(huán)控制、事件控制、延時(shí)控制等。通過工具、控制和函數(shù)模板，可以十分方便的創(chuàng)建框圖程序。

虛擬儀器有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性和靈活性?？梢赃x擇不同種類的傳感器，進(jìn)行相應(yīng)的前面板設(shè)計(jì)，就能實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)中的流量、溫度等其它信號(hào)的檢測(cè)。

4 總結(jié)

本文以液壓系統(tǒng)中壓力檢測(cè)為例說明了虛擬儀器技術(shù)在故障檢測(cè)中的應(yīng)用。利用虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)的擴(kuò)展性，用戶可以根據(jù)自己的需要，隨時(shí)設(shè)計(jì)和修改前面板，周期短，易于維護(hù)和調(diào)試。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在測(cè)試、監(jiān)控和故障診斷等方面將有越來越多的應(yīng)用。