基于LabVIEW和PLC的齿轮泵性能测试系统设计.pdf

液压气动与密封/2 0 2 4年第1期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.006基于 LabVIEW 和 PLC 的齿轮泵性能测试系统设计张兵,王勇敢，杜厚羿，朱勋燚，张新星12（1.江苏大学机械工程学院，江苏镇江2 12 0 13；2.江苏大学工程训练中心，江苏镇江2 12 0 13）摘要：对于齿轮泵的传统测试装置接线复杂、测试速度慢和不便于维护等缺点，基于S7-1200PLC和LabVIEW软件开发平台，将测试技术与虚拟仪器技术相结合,开发了集数据采集与查询、TCP/IP通信、效率实验、生成Excel报表和数据存储等功能为一体的齿轮泵性能测试系统。从测试系统总体设计、硬件系统设计和软件系统设计3个方面进行了叙述。所开发的测试系统具有设备成本低、操作简便、易于维护和更新的优点。关键词：齿轮泵；S7-1200PLC;LabVIEW；测试系统；数据采集中图分类号：TH137Design of Gear Pump Performance Test System Based on LabVIEW and PLCZHANG Bing,WANG Yong-gan,DU Hou-yl,ZHU Xun-y,ZHANG Xin-xing-?(1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.Engineering Training Center,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract:For the gear pump of the traditional test device wiring complex,slow test speed and not easy to maintain and other shortcomings.Based on S7-1200 PLC and LabVIEW software development platform,combining testing technology with virtual instrument technology.Aperformance test system for gear pump is developed,which integrates data acquisition and query,TCP/IP communication,efficiencyexperiment,Excel report generation and data storage.The overall design of the test system,hardware system design and software system designare described.The developed test system has the advantages of low equipment cost,simple operation,easy to maintain and update.Key words:gear pump;S7-1200 PLC;LabVIEW;test system;data acquisition0引言齿轮泵是液压传动系统中常用的液压元件，在结构上可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵,其中外啮合齿轮泵以其结构简单、质量轻、价格低廉、工作可靠以及维护方便等优点 2 ,广泛应用于船舶、机床、国防、采矿、汽车、冶金等领域 3。在外啮合齿轮泵设计完成以后，对其进行性能测试是投人批量生产之前必不可少的1个环节。根据齿轮泵测试国家标准，需要采集相关物理参数,对实验数据进行分析和计算,最终验证齿轮泵性能是否满足检测标准。早期的齿轮泵测试技术自动化程度不高，测试实验装备和测试流程较为复杂，需经过手工测试和人工收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 8基金项目：国家自然科学基金（518 0 52 15）；2 0 2 1年工业中心大学生创新实践基金（ZXJG2021040）作者简介：张兵（198 4-），男，江苏宿迁人，副教授，博士，研究方向为流体传动与控制。34文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 1-0 0 34-0 5记录，因此需要操作人员具有丰富的经验和较高的熟练程度，而且培训操作人员的周期较长，这些因素都制约了测试精度和准确性的提高 4。随着计算机技术、测量技术和仪器仪表技术的快速更新发展，测量技术和虚拟仪器技术不断地进行着深层次的融合 5。目前，国内已经开发出一些拥有较高性能的液压元件测试系统。孙洪亮等 6 基于LabVIEW虚拟仪器技术开发出了液压泵空载排量试验系统，目前该系统已应用到液压泵的测试试验台上。段国元等 7 基于LabVIEW软件开发平台，结合测试技术和虚拟仪器技术，设计出一套测试精度高、交互性能好和更新维护方便的摆线马达性能测试系统。虚拟仪器技术在液压测试系统的开发方面具有广阔的发展空间，越来越成为液压测试系统的一个重要开发工具 5。但以上介绍的测试系统仍存在接线复杂、功能简单和测试效率低等不足。针对以上这些问题，本研究设计了一套齿轮泵性能测试系统,将PC上的LabVIEW软件平台作为上位机,将可编程控制器(PLC)作为下位机,通Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024用传感器采集所需的试验数据,并将数据保存到PC18上的SQLServer数据库中,通过计算分析来验证齿17轮泵性能的优劣，该齿轮泵性能测试系统具有开发16成本低、交互性能好、测量精度高和操作维护方便等优点。1测试系统总体设计测试系统的总体设计包括硬件系统设计和软件系统设计,硬件系统需要搭建液压系统回路和测控系统结构；软件系统需要完成数据通信、数据的采集与显示、数据库存储、错误报警和生成Excel报表等功能。将安装有LabVIEW软件的PC作为上位机,其中可编程逻辑控制器（PLC）充当测试系统的下位机，上位机通过LabVIEW软件前面板的控制按钮对下位机发送控制指令，从而实现对齿轮泵性能测试试验台的远程控制 8 。根据JB/T6434-2010输油齿轮泵机械行业标准，针对外啮合齿轮泵的工作特点,开发出一套测量精确可靠的测试试验平台，实现对齿轮泵的性能测试。所设计齿轮泵性能测试试验台的整体构架如图1所示。19PJ4W15JVPJ3141329WXDTI-123456CYB20WFTT21DT2jP128YJ圈22PJ1TJ125262728液位齿轮泵转迪兼出口压力售路技测试齿轮通图1齿轮泵性能测试试验台在液压系统中,变频电机通过联轴器为齿轮泵提供旋转扭矩，使用欧姆龙旋转编码器调整变频器的输出参数,进而来控制齿轮泵的正转和反转；当电磁换向阀处于左位时，液压系统处于空载回路；当电磁换向阀处于右位时，液压系统处于测试回路，通过调节比例溢流阀来控制整个液压系统的安全压力；在对被测齿轮泵进行测试试验时，油液温度升高将影响测试的精度和准确度，在油箱中安装温度传感器，当温度超过设定的油温上限时，将启动恒温油冷机来对油液进行降温；在每次试验前观察油箱中的液位计显示值，当液位超过下限时，及时向油箱内补充液压油。所设计的齿轮泵测试系统的液压原理如图2所示。1.加热器2.吸湿空气滤清器3.变频电机+欧姆龙编码器4.轮胎式联轴器5.扭矩转速传感器6、8.联轴器7.轴承座9、2 6.球阀10、12.快换接头11.被试泵13.双筒高压过滤器14.过滤器15.高压流量计16.测压软管17.测压接头18.压力表19.压力传感器2 0、2 3.温度传感器21.比例溢流阀2 2.回油过滤器2 4.磁性浮球开关25.液位传感器2 7.胶管2 8.恒温油冷机2 9.电磁换向阀图2 齿轮泵性能测试液压原理2硬件系统设计本测试系统的主要功能为：通过传感器采集测试系统的试验数据，传感器将采集到的数字信号或模拟信号传输到下位机PLC，经过PLC程序段将采集的电信号标定为上位机LabVIEW可接收识别的物理参数，通过TCP通信模块将处理后的物理参数经过网线传输到LabVIEW软件，最终将试验数据存储到SQLServer数据库,硬件系统结构如图3所示。首先深人了解齿轮泵测试台的系统结构和工作原理；接下来根据所需采集与控制的物理参数,选择确定PLC的IO通道数与传感器的型号；最终选定需要的PLC型号与模拟输人输出模块，给全部的输入输出信号设置好IO地址之后，绘制出PLC端口接线原理图；35液压气动与密封/2 0 2 4年第1期按照接线原理图，完成传感器以及被控液压元件等与PLC输人输出端口的连线。通讯总线数据信息输入控制指令输出4计算机立显长器PLC的构成包括电源模块、CPU模块、输人输出模块与存储模块 9,PLC 程序段不断地循环执行,不停地监控上位机的输入信号，程序将依照输入信号产生相应的高速脉冲控制指令，对变频电机、电磁换向阀和比例溢流阀等实现精准控制,因为篇幅所限,现仅对 PLC型号选取这方面内容进行简要介绍。依照I0通道数的估算值与传感器采集的信号类型,选取 S7-1200系列的 CPU1214C作为下位机。该型号PLC拥有14个数字信号输人端口和10 个数字信号输出端口，且需要配备一块SM1231的模拟信号输人模块,用来采集油温、液位及扭矩这3个模拟信号；并配备一块SM1232的模拟信号输出模块，来控制比例溢流阀压力和变频电机频率。3软件系统设计软件系统设计作为整个齿轮泵性能测试试验台的核心与关键，其主要分为PLC程序设计和LabVIEW程序设计这两个部分 8%M1.2AlwaysTRUE363.1FPLC程序设计在TIAPortalV15.1软件开发环境下,实现对硬件PLC组态和程序段的设计,因为篇幅所限,现在仅对PLC程序中的函数块(FB)进行介绍,函数块(FB)可以将自身控制采集指令信号输出输入滤温度传感扭矩传压力#变频电机转加热器转速传传流感感感阀阀器器器齿轮泵测试系统图3硬件系统结构NORM_XUSInttoRealEN0.0-ZMIN%DB10.DBB3TRCV_DB.比例溢流阀压力一VALUE50.0-MAXEN0.0-MN%DB10.DBB4TRCV_DB变频电机频率一VALUE50.02MAX的值永久保存在背景数据块中，因此保证了这些值在块执行以后依旧可用，在函数块（FB）中完成模拟信号油箱液位控制继电器输人程序段和模拟信号输出程序段的编写。流量传感器油压力发讯装置ENO%D144OUTTag_22NORM_XUSInttoReal对于温度传感器、液位传感器和扭矩传感器采集到的模拟输入信号，模拟信号输入程序段首先插人标准化功能框,再插人缩放功能框，从而完成将温度、液位和扭矩这3个模拟量信号转化为数字量信号。模拟信号输人程序段的PLC程序如图4所示。对于需要调整的比例溢流阀压力和变频电机频率这两种模拟输出信号，模拟信号输出程序段同样先插人标准化功能框，再插人缩放功能框，从而实现将被控制硬件的数字量设定值转化为模拟量控制信号。模拟信号输出程序段如图5所示。3.2LabVEW程序设计虚拟仪器技术于2 0 世纪40 年代开始兴起，其主要包括操作计算机、开发应用软件与总线I/0设备这3部分 10 ,其中计算机是其关键部分。LabVIEW是美国NI公司起先为方便测试工程师做开发而设计的一款图形化的编程语言。LabVIEW的程序与流程图极其类似，为编程开发者提供了极大的便利 12 。尹一鸣 13 将水箱和锅炉作为被控对象,将LabVIEW和PLC作为控制工具，设计出一套过程控制系统;姚娟等 14 以LabVIEW软件为开发平台，设计出1套数据采集系统，可以实现远程控制和低成本的要求。在LabVIEW2020软件开发平台上完成LabVIEW程序的设计,LabVIEW程序整体结构如图6 所示。EN0.0-MIN%D144Tag_22VALUE27648.0-ZMAXENOEN%D1480.0-ZMINOUTTag_51%D148Tag_51VALUE27648.0-ZMAX图4模拟信号输入程序段SCALE_XRealtoIntSCALE_XRealtoIntENO%QW12OUT一比例溢流阀压力ENO%QW114OUT一“变频电机频率Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024%M1.2NORM_XAlwaysTRUEInttoRealEN0MIN%W96“管路油温VALUE27648MAXEN0MIN%W98“油箱液位VALUE27648MAXEN0MIN%WI00“扭矩1VALUE27648MAX主程序参数设置网络通信数据显示手动控制系统被控参数件信设置息测试数据系统状态报警指示图6测试系统LabVIEW程序架构测试系统的LabVIEW前面板如图7 所示,界面左侧用来输人被测试齿轮泵、试验编号和试验人员工号等信息；中间部分是齿轮泵测试系统的传感器以及被控件的状态信息；界面右侧为TCP通讯连接和数据库连接状态。测试系统的上位机LabVIEW在进行数据采集前需要和下位机PLC建立TCP通信，数据库的连接可以在数据存储和查询时建立。受篇幅所限,现仅对TCP通讯连接的程序进行简要介绍,TCP通讯主要由TCP数据侦听模块、TCP数据EReaderrorin布尔类.建立/断开连接布尔类.tcp是否连接？字符串类.提示正在连接布尔类急停布尔类.变频电机布尔类.正反转布尔类.换向阀滑动杆类电机频率调节滑动杆类,比例溢流阀调节SCALE_XReal toRealENOEN%D1000.0MINOUT-Tag.2NORM_XInttoRealNORM_XInttoReal图5模拟信号输出程序段读取模块、TCP数据写人模块以及TCP关闭连接模块这四部分组成。其中TCP数据侦听模块的程序框图如数据库管理图8 所示。数据写入数数数据据据查询更除新CONTBOL:B-Str正在连接.ValueV引用包柄SETBUSYSTATUSENO%DB9.DBDO%D100TSEND_DB.Tag_2VALUE100.0MAXENOEN%D1040.0MINOUTTag_4%D104Tag_4VALUE100.0MAXENOEN%D108-500.0MINOUTTag_6%D108Tag_6VALUE385.0-MAX状态谢试数据-表格曼示制造商回轮泵型号12345E压力(MPa)鼎鹿光许压力(MPa)m定特通ir/min)试验信息试验调号武始人员工号设定压力(MPa)投提充量(L/min)精等级ABC4测试结果选取丹佛斯SNP2NN型号外啮合齿轮泵作为被测试泵，该泵额定转速为40 0 0 r/min，最大排量4mL/r，额定压力2 5MPa。根据JB/T6434-2010输油齿轮泵机械行业标准，对被测试齿轮泵进行性能测试 15。性能无错误erroroutSTATUS回StrVisible数据通信端口2000OUT一管路油温SCALE_XReal to RealSCALE_XRealto Real聚出口油盘100变频电机自体电机证反加热器r/min压力(MPa转速曲线遇2030时间图7主VI前面板设置鼠标状态为忙碌.vi国SETBUSYB-Bool(严格)StrValue回VisibleTCPData ConnectionIDTCP连接状态TCPDataconnectionreferenceWriteReadHANDLEFGYSENO%DB9.DBD4TSEND_DB.OUT一油箱液位ENO%DB9.DBD8OUTTSEND_DB扭矩控制1007550减位(cm)轮流量L/min)扭炬曲线图102030时间FGVSHANDLEFGVS口2000建立连接ONm服务雅名格LENOVO-PCTWINCCHydrauicMotortelEReadWriteSTATUSSTATUSINFOINFO图8 TCP数据侦听程序框图37液压与气动,2 0 15（3）：46-49,31.液压气动与密封/2 0 2 4年第1期测试系统按从小到大来设定被试泵的转速，分别在25%，40%，55%，7 0%，8 5%，10 0%额定转速下采集并存储被测试泵的出口流量、出口压力和管路油温等参数，根据试验数据，绘制被测试齿轮泵在不同转速下的压力流量曲线和效率曲线 10 。由容积效率曲线图和总效率曲线图可知,本系统所得齿轮泵性能测试结果满足检测标准和实验精度的要求，从而验证所设计的齿轮泵性能测试系统的可靠性和准确性,被测试齿轮泵在不同转速下的压力流量曲线如图9 所示。*1000 r/min-1600 r/min-2200 r/min16*2800 r/min-3400 r/min-o-4000 r/min14121080642010图9压力-流量曲线图被测试齿轮泵在不同转速下的容积效率曲线如图10所示。1.000.950.900.850.800.7510图10 容积效率曲线图被测试齿轮泵在不同转速下的总效率曲线如图11所示。1000 r/min-1600 r/min-2200 r/min-2800 r/min 3400 r/min-o4000 r/min0.500.450.400.350.300.250.20引用本文：张兵，王勇敢，杜厚羿，等.基于LabVIEW和PLC的齿轮泵性能测试系统设计 J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（1）：34-38.ZHANG Bing,WANG Yonggan,DU Houyi,et al.Design of Gear Pump Performance Test System Based on LabVIEW and PLC J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(1):34-38.385结论本研究设计了基于 S7-1200 PLC 和 LabVIEW的外啮合齿轮泵性能测试系统，并简要地叙述了本测试系统的硬件系统和软件系统的功能和原理,并通过实验验证了所设计的齿轮泵性能测试系统的可靠性和准确性。该测试系统以其更新维护方便的优点，便于设计者进行完善和添加其他的功能模块，并为以后测试系统中液压元件的寿命预测及故障诊断的研究，提供准确完整的实验数据。参考文献1栾振辉.齿轮泵研究的现状与发展 J.起重运输机械，?2005(6):11-13.2张永祥，金健.齿轮泵的瞬时流量及流量脉动的抑制J，米米1316压力/MPa*-1000 r/min-1600 r/min-2200 r/min-2800 r/min 3400 r/min-4000 r/min口米1316压力/MPa1013图11总效率曲线图米19191619压力/MPa米212121米22.522.5口22.53 杨旭伟,张强，赵龙，等.液压齿轮泵主动轴断裂原因分析J.液压气动与密封,2 0 2 0,40（7）：6 8-6 9,7 2.4柴宪宏.基于LABVIEW的高压高速液压马达试验系统研究与开发 D.南京：南京航空航天大学,2 0 13.5杨超.基于虚拟仪器的液压泵/马达性能测试系统研究D.秦皇岛：燕山大学,2 0 0 6.6孙洪亮，裘丽华，王占林.基于虚拟仪器技术液压泵空载排量试验系统 J.机床与液压,2 0 0 5（3）：115-118.7段国元，王勇敢，张兵，等.基于LabVIEW和PLC的摆线马达性能测试系统设计 J.液压气动与密封,2 0 2 2,42(12):62 66.8武文凯，李明辉，巩强令.基于S7-1200PLC与LabVIEW的泵轮检测设备控制系统 J.仪表技术与传感器,2 0 2 0(12);82 85.9王雪艳.基于PLC和工控机的监控系统设计 J.煤炭技术,2 0 12,31(1):6 3-6 4.10雷晓顺.基于虚拟仪器技术的液压元件性能测试系统的研究与设计 D.西安：长安大学,2 0 17.11】张毅刚.虚拟仪器技术介绍 J.国外电子测量技术,2 0 0 6(6):1 6.12马草原,郭双强，李国欣.基于LabVIEW的串口调试与数据分析 J.工矿自动化,2 0 0 5（4）：7 4-7 6.13尹一鸣.基于LabVIEW和PLC 的过程控制系统的设计J.仪表技术与传感器,2 0 10（3）：39-40,10 6.14姚娟,张志杰，李丽芳.基于LabVIEW和TCP的数据采集系统设计与实现 J.电子技术应用，2 0 12,38（7）：7 2-7 4.15JB/T6434-2010,输油齿轮泵 S.