□ 于 辉 □ 金侠杰 □ 邢科礼 □ 吴白羽

上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072

随着液压技术的发展，液压泵和液压马达在现代工业应用中越来越广泛，作为液压系统的动力元件和执行元件，一台液压泵或者液压马达的好坏直接影响到整个液压系统是否能正常运行，所以，对液压泵和液压马达的检测是十分关键的。随着科技的进步，系统的自动化程度也越来越高，这不仅可以节省大量人力物力，同时也可以减少操作人员对测试过程的干预，提高检测质量。传统的开发环境，如C++、VB和C，不仅开发周期长，运行速度慢，而且调试和维护也比较困难。本系统采用LabVIEW编写自动测控软件，LabVIEW灵活、高效、面向对象，其强大的可视化编程环境及图形化编程语言受到越来越多的开发人员的青睐。PLC作为现代控制工具的支柱之一，以其抗干扰能力强、性能稳定而在工业控制中得到广泛应用，把LabVIEW与PLC结合到液压测试系统中具有很好的应用前景。

OPC （OLE for Progress Control） 是基于 Windows NT技术的OLE、COM/DCOM接口的扩展，采用客户端/服务器模式，其本质是OPC Client通过一种标准化、开放式的通信方式与OPC Server进行数据交换。使用第三方硬件时，只需要硬件方提供OPC Server，软件开发人员无须编写底层的驱动程序，只需要软件的OPC Client就可与之通信。该自动测试系统运用Profibus现场总线控制，通过建立OPC服务器与客户端完成SIEMENS S7-300 PLC与PC的通信。实现LabVIEW与S7-300实时、稳定的数据交换是该系统实现的关键及难点。

1 系统结构与功能实现

1.1 测控系统体系结构

该系统要求除必要的电源开关以及急停保护按钮外，不允许面板上有控制液压系统的其它按钮，即不能手动进行液压泵和液压马达的测试，只能通过PC完成对液压泵或液压马达的自动测试并生成测试报告。但是当液压系统出现问题时，自动测试系统无法进行调试，因此，该系统中又加入一个触摸屏，该触摸屏的主要功能为控制液压系统中电机的启停、电磁阀的开关及比例阀的调节，另外加入一些传感器的数据显示，方便工作人员在液压系统出现问题时进行调试，该触摸屏采用密码保护，在自动测试过程中不允许使用。

根据以上介绍，在该液压系统运行过程中，S7-300PLC需要完成与PC和触摸屏两种方式的通信，所以该PLC至少要有两个通信接口。CPU 317-2DP拥有一个MPI/DP和一个DP通信口，而且功能强大，可满足要求。其中，触摸屏采用485串口线与PLC的MPI口连接，PC通过Profibus总线与PLC的DP口连接，完成两种通信方式，两种通信方式互不干扰。该系统体系结构如图1所示。

1.2 通信的建立

1.2.1 系统软、硬件组成

软件：LabVIEW8.6、SIMATIC NET （包含 OPC）、STEP7 V5.5，其中LabVIEW8.6用于上位机编程，SIMATIC NET用于对通信进行组态并配置OPC Server，STEP7 V5.5用于S7-300PLC的编程。

硬件：PC、西门子 S7-300PLC（CPU 317-2DP）、西门子CP5611通信卡、Profibus总线及插头。Profibus总线是西门子公司的一种适用于工业现场控制的总线，在100 m范围内通信速率可达到12 Mbit/s。CP5611是一种PCI通信卡，用于PC与Profibus进行连接。

▲图1 测试系统结构图

1.2.2 通信方案选择

在以上硬件条件下，要实现LabVIEW和S7-300PLC的通信，关键是要利用LabVIEW驱动CP5611通信卡。当通信卡被驱动后，LabVIEW就可以通过Profibus总线对PLC的地址块进行读写数据，从而完成对液压测试系统的自动控制。但CP5611通信卡没有LabVIEW的驱动，要在LabVIEW环境下驱动CP5611主要有以下两种方法。

（1）从底层动态链接库开始编写CP5611的驱动程序。

（2） 安 装 西 门 子 OPC Server， 利 用 NI的DataSocket技术与之进行数据交换。

显然，第二种方法更加方便，故选用第二种方案。

1.2.3 LabVIEW与S7-300通信

利用SIMATIC NET配置好OPC Server后，还需要LabVIEW与OPC Server进行数据通信。LabVIEW支持DataSocket技术，Data Socket技术能实现数据共享，该系统利用DataSocket技术实现对OPC Server的访问。DataSocket技术是基于Microsoft COM和ActiveX，源于TCP/IP协议并对其进行高度封装，面向测量和自动化应用，用于共享和发布实时数据，是一种易用的高性能数据交换编程接口。它不必像TCP/IP编程那样把数据转换为非结构化的字节流，而是以自己特有的编码格式传输各种类型的数据，包括字符串、数字、布尔量以及波形等，还可以在现场数据和用户自定义属性之间建立联系，一起传送。尽管DataSocket与OPC的实现原理有所不同，但DataSocket与OPC在体系上比较相似，两者结构上都是客户机/服务器模式，都为跨网络传输数据定义了各自的传输协议，并以URL的方式访问服务器数据项目。在LabVIEW中，可以通过DataSocket数据绑定的方式将LabVIEW的数据变量与在SIMATIC NET中建立的变量进行绑定，在数据绑定中选择要访问的变量的路径即可，路径中localhost表示主机名，OPC.SimaticNET表示通过西门子SIMATIC NET建立的OPC服务器，最后一部分表示PLC内部数据地址，图2所示为从MREAL块中读取从MREAL400开始的4个实数地址的路径。

2 基于LabVIEW的自动测试软件

程序主界面如图3所示，该程序主要功能包括实验信息录入、实验数据显示、自动测试流程管理、手动数据处理、报警指示等。

▲图2 DataSocket数据绑定

传感器数值以及所设置的报警指示灯都是通过DataSocket与OPC Server进行稳定通信获得的数据。程序左上角可以对测试信息进行设置，包括被测液压泵或液压马达的型号、出厂编号、进行测试的工位及对被试液压泵或液压马达测试采用开式还是闭式系统、试验员名称。自动流程可在流程设置子界面中进行设置，主要包括跑合试验（即液压泵和马达的磨合试验）中每一阶段中压力、转速以及跑合时间的设置。压力实时曲线可以显示实验过程中压力与流量的变化过程。压力实时曲线下方的表格可以手动记录想要的数据，并可导出到Excel表格，方便技术人员分析。报警指示区会显示液压系统中的一些异常情况，当液压系统出现问题时，如过滤器堵塞等，相应的指示灯会高亮显示，并且报警指示灯下方的信息栏会显示具体的报警信息，并在PLC中做好了停机等异常处理方法。该系统采用水冷的方式进行冷却，当油温达到规定的上限（56℃）后，程序会自动打开冷却水阀，使冷却水进入散热器，同时会启动循环泵，加速散热；当温度降到规定的下限（44℃）后，程序会关掉冷却水阀及循环泵。

为了检测液压泵和液压马达的性能，液压泵和液压马达需要在不同的压力、转速下运行，所以在整个自动测试过程中，需要对系统压力和电机转速进行控制。系统采用比例溢流阀作为加载元件，试验中可以通过控制其工作电压实现对系统压力的自动调节。系统采用西门子MICROMASTER 440变频器对电机进行控制，通过设置变频器参数，可以设置变频器为外部电压控制，即可通过调节外部电压来控制变频器的频率，进而可以调节电机的转速，另外变频器可以实现PID闭环控制，可以实现对转速的精确控制。对于转速和压力的控制，均通过西门子S7-300PLC的AO模块实现。

▲图3 程序主界面

▲图4 液压马达实时测试曲线

按下自动程序开始按钮之后，程序会自动检测相关的阀是否到位，以保证自动测试过程的顺利进行。程序会按照预先设置好的流程进行自动试验，下方的指示灯及右下方的实验信息栏会显示程序运行到的步骤及试验状态。当自动测试过程中出现问题且软件并没有检测出来时，可按下自动程序停止按钮或直接按下面板上的急停按钮。当排除问题后，若要继续试验，先按下程序底端的参数恢复按钮，该按钮会将系统中的所有参数恢复到默认的规定值，以防某些参数没有恢复而对测试过程以及系统造成影响。自动测试完成后，程序会根据每个阶段的运行参数（压力、流量、容积效率、机械效率等），判断液压泵或液压马达是否合格，并打印出检测报告。

3 液压马达测试

利用该测试系统对液压马达进行测试，马达型号为A2FE1256.1RVAL10，其理论排量为125 mL/r，额定压力为31.5 MPa，额定转速为1 450 r/min。将该马达安装好后在软件中设置自动测试流程：①空载，20%额定转速，跑合30 s；② 40%额定转速，20%额定压力，跑合30 s；③60%额定转速，50%额定压力，跑合30 s；④80%额定转速，80%额定压力，跑合30 s；⑤额定转速、额定压力下跑合60 s；⑥排量验证试验；⑦额定转速、额定压力下容积效率和总效率计算。试验过程中，马达进油口和出油口压力及流量曲线如图4所示。

在整个测试过程中，主要是对加载压力和电机转速进行调节。电机转速通过西门子变频器进行控制，只需将需要的转速传递给变频器，变频器会自动调节电机至需要的转速（转速实时曲线未在图中显示，系统流量为转速与被测马达排量的乘积，由于马达排量是固定的，所以系统流量的变化过程即为转速的变化过程）；压力调节采用PID算法控制，由于比例溢流阀具有良好的线性关系，采用P参数控制即可满足要求。由图中流量曲线可以看出，在调节转速过程中有时会出现超调的情况，但在短时间内会恢复至目标转速。对比马达的A口压力（即马达正转时的进油口压力，马达反转时进油口为B口）曲线，在转速变化的瞬间，压力会随之波动上升，所以压力调节要在转速稳定后进行。从测试曲线图可以看到，该马达在整个测试过程运行比较平稳。根据测试过程中的数据，计算得到该马达的参数为：实际排量125.96 mL/r，额定压力和转速下容积效率为97.65%，总效率为87.53%，均在测试标准范围内，该马达合格。

4 结束语

该系统利用LabVIEW自带的DataSocket技术与OPC Server之间进行实时通信，方便而且稳定，该方法适用于西门子几乎所有的通信总线及通信卡，当更换通信卡时，只需要在硬件配置时将通信卡换成实际应用的通信卡并设置通信参数即可。利用虚拟仪器技术开发测试系统大大节省了开发时间，且人机界面友好，运行稳定，方便维护。该系统已经稳定运行半年，提高了测试的自动化水平，减轻操作人员的负担。

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