管路部件爆破试验台测控系统设计

摘要：针对汽车管路部件耐压爆破试验的要求，为爆破试验台设计了测控系统。采用上位计算机和下位可编程控制器实现分布式两级控制方式，上位监控系统采用LabVIEW设计，实现试验参数的设置、试验过程的监控、试验数据的保存和报表生成，通过串口与下位机通讯，发送目标压力；可编程控制器采集试验过程中的实际压力，并通过控制伺服阀放大器进行压力闭环控制。试验运行验证了测控系统的合理性、可靠性和稳定性。

关键词：爆破试验；压力控制；试验台；测控系统；LabVIEW

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号： 1009-3044（2016）14-0196-03

Design of Measurement and Control System for Pipe Burst Test Bench

CHEN Wei， SUN Jin-qiu， TIAN Xiao-qin

（Jin Cheng College， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211156， China）

Abstract： To satisfy the requirement of the pressure burst test of the automobile pipe part， the measurement and control system was designed for the blasting test bench. The distributed two-stage control mode was realized by adopting the upper computer and lower programmable controller. The LabVIEW was used to design the monitor system with the function of test parameters setting， test process monitoring， test data preservation and report generation. The target pressure was transmitted to lower machine by serial port. Programming controller to do the work of acquiring the test pressure and closed loop control by controlling the server valve amplifier. Test operations verify the rationality， reliability and stability of the measurement and control system.

Keywords： burst test； press control； test bench； measurement and control system； LabVIEW

管路是汽车的重要零部件之一，在各大组成部分都包含不同材质的管路，如制动软管、空调管、燃油管、冷却液管等，管路的耐压能力优劣直接决定了汽车的质量可靠性和行驶安全性。从监管部门、汽车制造厂到零部件供应商，都提出了质量控制和保障要求，制定了相应的行业标准和国家标准，规定了管路的耐压爆破试验标准和方法[1]。针对汽车管路耐压爆破试验的要求，采用计算机测量与控制技术为爆破试验台设计了测控系统，实现了试验过程自动化，在0.5～60MPa内试验压力和升压速度可无级调节，试验开始后可以自动充水、升压、保压、卸压排水，当被试件发生破裂时，试验台自动停止加压，试验参数、数据和曲线能实时显示、保存并自动生成报表，为管路耐压爆破试验提供了可靠的检测手段。

1 总体方案

爆破试验机系统结构图如图1所示，增压部分由液压站、液驱增压泵和电液伺服阀组成，伺服阀放大器在可编程控制器的控制信号作用下驱动电液伺服阀，控制液压油驱动增压泵动作的频率和幅度，将试验介质压入试件腔体，实现系统的加压[2-3]。由于增压泵自吸能力有时不能满足流量要求，采用水泵保证试验介质的连续。保压阀在保压试验过程中关闭，满足试验保压试验的需求。卸压阀可以根据需要打开，释放试件压力，试验介质通过管路流回水槽。

测控系统设计成两级分布式控制方式，工业控制计算机为上级，采用NI公司的LabVIEW软件设计监控系统，完成人机界面交互、试验过程调度、试验数据的处理与存储以及报表的生成和打印。可编程控制器为下级，根据试验台的输入输出需求，选用OMRON公司CP1E-NA20DT型，根据上位机命令采集和实时控制试验压力，以及控制相关执行机构的动作，上位机和下位机通过串口进行通讯。

2 压力控制系统设计

可编程控制器的主要任务是在上位机的调度下实现试验压力的采集和实时控制，按模块化设计思想分解为若干子任务，分别为采集实际压力信号、解算上位机发送的目标压力、压力闭环控制、以及将需要和上位机交互的信息传送到通讯缓冲区。压力采集数据处理过程如图2所示，使用OMRON PLC的内建AD/DA，需要在开发环境CX-Programmer中对PLC进行设置，激活AD/DA功能，并使能自带的平均化功能进行滤波抑制噪声，在程序中从分配的字地址中就可以读取转换的数字量，DA同样只需将数字量写入分配的字地址。对于实际压力采集，首先将数字量变换位工程物理量，再用低通滤波器进一步减小测量噪声，此外，压力传感器存在一定的非线性误差，为减小压力控制误差和满足实时控制的要求，采用查表法进行非线性补偿。压力控制采用PI调节器实现，目标压力由上位机发送，实际压力由PLC采集，输出的控制量转换为数字量后传送到DA的字地址，转换为控制伺服阀放大器的模拟电压。由于增压系统单向阀的作用，压力只能正向控制，因此，PI调节器中采取了有条件的积分控制，当实际压力高于目标压力时禁止积分控制。

3 监控软件设计

试验台的功能依赖于测控软件，上位机监控软件是试验过程自动化控制和数据采集的核心。LabVIEW使用图形化编程语言编程，简单直观，可极大节省监控软件的设计时间，同时提供丰富的库函数和功能模块，可完成各种各样的编程任务，广泛应用于各类测控系统设计[4]。

3.1 试验过程控制

针对爆破试验标准规定的方法，本系统采用结构化设计，将整个控制任务按不同的功能分解，主要包括：试验参数的设置、试验信息的输入、试验过程的监控、与下位机通讯、异常监测和报表生成等，监控系统主流程图如图3所示。试验台开机或处于待测试状态时，所有的执行机构都处于复位状态，开始试验后，首先开启水泵、打开泄压阀和保压阀进行排空操作，使试验介质充满被试件，然后关闭泄压阀，根据界面选择的试验方式进行增压，试验过程中需要实时检测被试件是否破裂、试验仓是否关闭、急停是否按下，当出现异常时，为保证试验人员和设备的安全，系统自动停止加压并打开泄压阀释放压力，试验结束后，根据试验情况，自动生成报表。

3.2 PLC通讯功能

LabVIEW和OMRON PLC可以采用普通的RS232通讯和调用DSC里面的OPC SERVERS的驱动来定义变量通讯，后者需要购买授权，因此，本设计采用普通的RS232通讯。

上位机需要写入PLC的数据主要有：开关量输出控制、目标压力、比例系数和积分系数，需要读取的PLC数据有：开关量输入状态、实际压力、当前比例系数和积分系数，为了减小通讯量，所有的数据的读写都通过数据存储区DM进行，在PLC中建立CIO区和数据存储区DM的映射关系。具体实现时，首先调用VISA配置串口VI设置串口号、波特率、数据位、奇偶校验位、停止位和超时等通信参数，且设置和PLC的RS232参数一致，然后根据通讯命令的格式，调用VISA写入函数向PLC发送命令帧置PLC为监控模式，延时后，调用VISA读取函数从串口缓冲区中读取返回的字符串帧，并判断是否通信正常[5]。如果通信正常，依次将开关量输出控制、目标压力、比例系数和积分系数转换为十六进制字符串，由于上位机实时计算出的目标压力是浮点型，通过串行通信发送给PLC，需要占用两个字，为了简化数据解算，上位机将目标压力值放大100倍转换为整数后再转换为十六进制字符串，按照写DM的格式，连接字符串，计算帧检测序列，形成写DM区的命令帧，调用VISA写入函数写入PLC[6-8]。试验过程中，还需要及时读取实际压力和开关量输入量的状态，上位机首先需要向PLC发出读DM区命令帧，主要信息包括数据区的起始地址和读取字的个数，延时后，调用VISA读取函数从串口缓冲区接收由下位机返回的数据信息，根据下位机中的定义，调用截取字符串函数从返回的帧中提取数据并进行类型转换，解算出开关量输入状态、实际压力、当前比例系数和积分系数。

3.3 报表功能

LabVIEW Report Generation Toolkit 工具包通过ActiveX 技术将Microsoft Word 和Excel 与LabVIEW 集成开发环境结合起来，用于快速生成专业的报告，从而高效地表示出各种测试数据和结果[9-10]。首先建立Excel报表模版，读取前面板输入的试件信息，程序框图完成试验压力的采集、处理和保存等任务，将试验数据、结果、试验信息等统一转换为字符串格式，调用LabVIEW的程序间通信子VI写入到Excel上，把设置的试验条件参数写入表格预定的单元格中，并将试验曲线图插入到报表的设定位置。

生成适用于本试验的Excel报表涉及的主要VI及输入参数如下：

1）New Report，创建报表，参数报表类型选择Excel类型。

2）Append Table to Report，添加表格至报表，使二维数组作为表格至报表，将试验过程中的实际压力和对应的时刻加入报表中去，需要提供创建的报表、文本数据、写入Excel工作表中插入点作为输入参数。

3）Append Control Image to Report，添加控件图像到报表，VI将测试曲线加入到报表的模板中去，必须输入参数为：报表输入、图像文件类型、控件引用、MS Office参数分别为之前创建的报表、JPG类型、前面板的压力-时间曲线控件的引用、曲线插入报表单元格的名称。

4）VI Excel Easy Text，将试件厂家、产品型号、试验员等文本信息添加到Excel报表中去。

5）Save Report to Files，在指定目录中保存报表，目录由用户在文件对话框中选择确定。

6）Depose Report，关闭报表接口，关闭报表并释放其界面，节省内存，在程序的最后一步执行。

4 结语

本文针对管路部件爆破试验的需求，综合应用可编程控制器和虚拟仪器的优点设计测控系统，通过对电液伺服系统的控制实现了管路部件爆破试验压力的精确控制，实现了试验过程的自动化，实际应用表明系统功能、稳定性和可靠性满足要求，本测控系统的设计方法可应用于具有共同技术需求的试验台。

参考文献：

[1] GB16897， 制动软管的结构、性能要求及试验方法[S].

[2] 高泽普，徐佩金，华军. 计算机控制的高压、小口径导管液压强度和爆破试验设备[J].液压与气动，2014，（11）：95-99.

[3] 由宏新，韩冰，刘润杰，等. 气瓶水压爆破试验装置关键硬件的选择[J]. 压力容器.2013，30（5）：13-17.

[4] 吴焱明，王旭东，林旭东，等. 水压综合测试试验台控制系统设计[J]. 液压与气动，2014（12）：74-76.

[5] OMRON， CS/CJ/CP Series Communications Commands Reference Manual[EB].2010.

[6] 熊舸，刘娴，张煜，熊轲. 基于LabVIEW的实时串口数据采集及Excel报表生成技术[J]. 软件，2014，35（3）：28-32.

[7] 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，2010（3）：39-41.

[8] 刘峰.基于自由口协议的LabVIEW与PLC通讯设计[J]. 现代制造技术与装备， 2012（5）：59-61.

[9] 苑光明，申敏，张春慧，等. 基于LabVIEW的液力变矩器性能测试系统报表生成技术研究[J].工程机械，2013，44（9）：30-33.

[10] 董慧群，王福明. 基于LabVIEW的报表生成[J].电子测试， 2011，（12）：37-40.