基于LabVIEW齿轮箱试验台数据采集系统的设计.doc

基于LabVIEW齿轮箱试验台数据采集系统的设计摘要齿轮箱试验台主要用于对多种风电齿轮及其它工业齿轮箱性能测试试验，采集试验过程中的被试验设备的各主要性能参数，如温度、扭矩、转速；实时显示、保存，以方便分析被试件的各种性能以及减速机的试验研究。所以试验台必须具备一套精确的数据采集系统，而虚拟仪器数据采集技术的发展使得齿轮箱试验台得以完成测控现场化、远程化、网络化等更多的要求。本论文的研究内容为基于LabVIEW齿轮箱试验台数据采集系统的设计。该系统是针对齿轮箱试验台设计的一套数据采集软件，主要功能是测点数据的获取、显示、存储，系统研制的主要目的是把获得的数据(温度、转矩、转速等)实时传给控制系统，从而实现精确控制。该系统的数据采集是基于虚拟仪器平台。虚拟仪器的发展为远程测量、海量数据处理和实时分析显示提供了强大的支撑平台。本系统以虚拟仪器采集硬件系统NI compactFieldPoint为平台，完成多路传感器信号的采集，利用LabVIEW软件开发齿轮箱试验台测点数据采集系统，对数据进行实时显示、保存和报表生成。LabVIEW软件设计分为三部分：数据采集、数据实时显示及历史数据检索。关键词：齿轮箱；试验台；数据采集；虚拟仪器；LabVIEW目录摘要Abstract第1章绪论1 1.1齿轮箱试验台数据采集的背景1 1.2齿轮箱试验台数据采集的意义1 1.3数据采集技术的发展现状及历史2 1.4虚拟仪器技术4 1.4.1虚拟仪器技术介绍4 1.4.2虚拟仪器在数据采集中的应用5 1.4.3虚拟仪器与传统电子仪器测量的比较5 1.5研究的基本内容与拟解决的主要问题6第2章齿轮箱试验台数据采集系统分析7 2.1整体数据采集系统概述7 2.2数据采集系统硬件部分7 2.2.1温度传感器PT100的介绍8 2.2.2交换机9 2.2.3 Compact FieldPoint 10第3章LabVIEW软件设计部分12 3.1远程数据采集的基本原理12 3.2软件系统总体介绍13 3.2远程数据采集程序部分15 3.3用户登录17 3.4主界面18 3.5用户管理20 3.5.1新建用户25 3.5.2修改密码28 3.5.3删除用户30 3.6数据采集32 3.6.1数据采集初始阶段33 3.6.2参数保存35 3.6.3数据同步37 3.6.4实时保存数据37 3.6.5实时显示曲线和表格38 3.6.6开始采集和停止采集38 3.6.7退出采集39 3.7系统设置40 3.8参数设置40 3.9实验报告41第4章数据采集结果43第5章总结45参考文献46致谢47第1章绪论1.1齿轮箱试验台数据采集的背景齿轮箱试验台主要用于对多种风电齿轮及其它工业齿轮箱性能测试试验；经过简单的夹具改造，并可满足对于一些结构类似的减速机的拓展要求。高效完成各种大功率减速机的扭矩转速功率等进行采样。并对中压大功率电机的运行参数进行监控，确保电机可靠平稳运行，试验过程中的被试验设备的各主性能参数，如扭矩转速实时存入专用数据库，并可打印出相应的报表及曲线，方便分析被试件的各种性能以及减速机的试验研究。如图1-1所示为一个大功率齿轮箱试验台，它的基本结构是：电机-连轴器-扭矩仪-电齿轮箱(主试)-风电齿轮箱(陪试)-扭矩仪-万向连轴器-电机。试验台必须具备一套精确的数据采集系统，而虚拟仪器数据采集技术的发展使得齿轮箱试验台得以完成测控现场化、远程化、网络化等更多的要求。图1-1齿轮箱试验台1.2齿轮箱试验台数据采集的意义目前，国内缺少齿轮测试仪器和设备，由此造成全国年产2000多万台齿轮箱的质量缺乏可靠的测试数据。为彻底改变齿轮行业零部件内在质量的落后状况，专家指出，必须重视和加强测试仪器和设备的开发。目前塑料工业网，全国齿轮行业中大约只有300家齿轮生产厂具有仪器基本配套的计量室，总计约有三坐标测量仪200多台金属加工网版权所有，且大多从国外进口；各类(机械、光电、数控)齿轮测量仪器1000余台，其中齿轮测量中心30余台，总成测试仪器、蜗轮副检查仪约10余台，变速箱试验台和驱动桥试验台不超过50台；圆度仪、测长仪、光学分度头、粗糙度仪、投影仪、万工显等各类测量仪器500余台。其余约200家齿轮生产厂几乎没有精密测量仪器鬼知道版权所有，部分企业除了万能量具外没有一台测量仪器。专家指出为进一步提高齿轮行业产品质量和竞争力，应尽快配备相应的各类精密测试仪器。在今后几年中，大中型齿轮企业应配备三坐标测量机、齿轮测量中心和其它精密测量仪及配套完整的中心计量室金属加工网，小型企业也要配备必要的精密测量仪器1。1.3数据采集技术的发展现状及历史虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电子仪器随着相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。从二十世纪初到五十年代左右，测量仪器的材料性能得到改善出现了电子管，同时测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表五十年代以后随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到测量仪器。这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主要特征。七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此发展迅猛，在其影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器。智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面都有明显的进步。这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。但是在数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。人们发明制造出CAMAC、RS-232和GPIB等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统。1982年美国西北仪器公司总裁德伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。PC总线仪器系统是卡式仪器的一种，它是利用PC机内部的总线，把若干块仪器卡插在PC机内部或外部扩展机箱内而组成的。插卡总线机箱与PC机间的通信，可利用RS-232、GPIB接口总线或以太网电缆等进行。虽然许多厂家通过定义新的仪器总线，不断对卡式仪器进行改进，但其大多是在微机内总线的插槽上进行开发，没有统一标准，且各厂家生产的插卡尺寸的大小不一，设备兼容性较差。在这种情况下，用户自然会提出标准化的要求。1987年，美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统-VXI(VME extension For Instrumentation)总线，即由微机总线VME扩展而成的微机化仪器专用总线。1997年美国NI公司推出了一种新的仪器总线标准PXI总线标准。制定PXI规范的目的是为了将PC的性能价格比优势和PCI总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。相对VXI仪器，按PXI总线标准制成的PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点。这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器2。1.4虚拟仪器技术1.4.1虚拟仪器技术介绍所谓虚拟仪器(Virtual Instrument,简称VI)，就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机来实现和扩展传统测试仪器系统与仪器的功能。软件就是仪器是虚拟仪器概念最简单，也是最为本质的表述。虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司(National Instruments),简称NI，在1986年提出的，但其雏形可追溯到1981年由美国西北仪器系统公司推出的Apple为基础的数字存储示波器。这种仪器与个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器(Personal Instrument)。个人仪器的设计思想代表了仪器技术与计算机技术相结合的发展趋势，但是由于当时计算机软件发展水平的限制，编写个人仪器的驱动程序和人机交互界面是一种专门的技术工作，须由专业厂商才能完成，这种状况使得个人仪器的推广与应用没有形成工业标准。从20世纪80年代中期开始，微软公司windows操作系统的出现，使得计算机操作系统的图形支持功能得到很大提高。1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，标志着虚拟仪器设计软件平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。需要特别指出的是：虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想，而非一种具体的仪器。换言之，虚拟仪器可以有各种各样的形式，完全取决于实际的物理系统和构成仪器数据采集单元的硬件类型，但是有一点是相同的，那就是虚拟遗爱离不开计算机控制，软件是虚拟仪器设计中最重要，也是最复杂的部分3。1.4.2虚拟仪器在数据采集中的应用虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展4。当今社会正处于一个正在高速发展的状态中，要在有限的时空内实现大量的信息交换，随之而来的是信息密度急剧增大，因而在研究和生产过程中要求数据采集系统对信息的处理速度越来越高，功能越来越强。先进的数据采集系统，不仅希望设备能够单独进行数据采集，还希望他们之间能够互相通信，构成数据采集系统，甚至是测试网络系统，实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。然而传统的数据采集仪器在此方面受到很大的限制。基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理5。1.4.3虚拟仪器与传统电子仪器测量的比较传统的电子测量仪器如示波器、电压表、频率计、信号源等，是由专业厂家生产的具有特定功能和仪器外观的测试设备，其共同特点是仪器由厂商制造，具有固定不变的操作面板，采用固化了的系统软件，采用固定不变的硬件电子线路和专用的借口器件，而且功能固定，如前面板有旋钮、开关等，在机箱内部有A/D转换器、信号调节器、微处理器、存储器和公共总线等特定电路对真实信号进行转换、分析，再把结果提供给用户，因此，其系统封闭、扩展性能差，用户只能用单台仪器完成单一的或固定的测试工作。虚拟仪器则是一个全新的仪器概念，它通过选取基本的测试硬件模块，利用软件构造出不针对具体测试对象的仪器。例如，它可以是示波器，也可以是信号发生器，或者同时是具有两种功能的仪器。人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关、按键等选用仪器功能，设置各种参数，启动或停止一台仪器的工作。虚拟仪器实现了测量仪器的智能化、多样化、模块化，即在相同的硬件平台下，虚拟仪器完全由用户自己定义，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的测试仪器。下表1-1为虚拟仪器和传统仪器的比较6。表1-1虚拟仪器和传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器功能由用户自己定义功能由生产厂商定义可方便地与网络外设连接与其他仪器设备的连接有限基于软件体系，开发和维护费用低开发和维护费用高技术更新周期短(0.51年)技术更新周期长(510年)软件是关键硬件是关键价格较低价格较高开放灵活与计算机同步，可重配置和使用固定自己编程硬件，二次开发强无法自己编程硬件，二次开发差无限的显示选项有限的显示选项完整的时间记录和测试说明部分具有时间记录和测试说明自动化的测试过程测试部分自动化1.5研究的基本内容与拟解决的主要问题本系统要设计一个齿轮箱试验台数据采集系统，利用NI CFP-2220采集系统、交换机和LabVIEW构建，实现远程的温度、压力等的实时采集功能。测量部分：温度通过PT100传感器，接入CFP采集系统，CFP-2220上带的网络模块，通过交换机实现网络数据共享到工控机，工控机LabVIEW数据采集软件对数据进行显示和保存等功能。主要的课题内容是用LabVIEW编写一个远程数据采集系统，实现数据波形实时显示、保存、历史索引和报表生成。第2章齿轮箱试验台数据采集系统分析2.1整体数据采集系统概述本课题数据采集系统硬件部分整体框图如图2-1所示，温度通过PT100传感器，接入CFP采集系统，CFP-2220上带的网络模块，通过交换机实现网络数据共享到工控机，从而搭建了一个远程的数据采集系统。软件部分采用window XP系统下的LabVIEW编程平台。参考文献1教育网.中国国内缺少齿轮行业测试仪器和设备亟待开发EB/OL.2009-6-10/2008-3-122蒋林峰.基于LabVIEW的多通道数据采集系统D.内蒙古：内蒙古科技大学,2004.3杨乐平,李海涛,肖凯,杨磊.虚拟仪器技术概论M.北京：电子工业出版社,2003.354汪敏生.LabVIEW基础教程M.北京：电子工业出版社,2002.1205庞君.计算机辅助测试的发展趋势之虚拟仪器J,攀枝花学院学报,2003.20(6)：82836陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建M.北京：电子工业出版社,2006.10127飞扬电气.温度传感器PT100EB/OL.磊科.Netcore NS108网络交换机EB/OL.http：//detail/1329/132876 _126513.html9NI公司.Compact FieldPointEB/OL.陈国顺,宋新民,马峻.网络化测控技术M,北京：电子工业出版社,2006.91211NI公司.选择您的LabVIEW RT硬件平台EB/OL.张晶.边干边学数据库应用EB/OL.顾兴南.基于LabVIEW的远程数据采集方法D.南京：河海大学电气工程学院,2010.14方宁,习友宝.基于CFP分布式数据采集应用J.四川理工学院学报,2004.17(3)：6915刘金城,刘冀川,刘春凤,等.基于LabVIEW的多路智能数据采集仪R.中国工程物理研究院化工材料研究所,200616龙华