基于LabVlEW的離心鑄造監測系統設計

沈 毅，費 鑫，駱然然，楊 明

（浙江理工大學浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，杭州310018）

基于LabVlEW的離心鑄造監測系統設計

沈 毅，費 鑫，駱然然，楊 明

（浙江理工大學浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，杭州310018）

設計了一套基于LabVIEW的自動化系統，實現離心鑄造機生產參數的實時監測。以浙江永成集團ZJ013860型離心鑄造機為研究對象，搭建了一臺大型離心鑄造機過程監測的虛擬儀器系統，實現了振動監測、轉速監測和溫度監測可視化程序。仿真實驗對溫度、轉速和振動加速度進行了驗證，結果表明系統設計方案可行，設計的系統提高了離心鑄造過程重要參數監測的精確性和可視化，對生產過程的數據化、智能化和安全監測有一定的實用價值。

Lab VIEW；離心鑄造機；實時監測系統

0 引 言

目前在我國離心鑄造行業中，多數企業采用了專業的鑄造監控儀器及專用遠程監控設備進行鑄造的遠程控制和監測，但部分工廠依舊采用人工操作的方法進行鑄造生產加工，生產工藝參數的控制多依賴于經驗，也存在不少的安全隱患，因此生產過程中工藝參數的數據化、智能化和實時安全監測對于這些企業已成為一個亟待解決的問題［1-3］。

本課題以浙江永成機械有限公司ZJ013860型離心鑄造機為研究對象。其鑄造機采用了大型安全防護罩、地坑式鑄造保護設計和遠距離人工監測等方式進行加工生產，但對鑄造生產的精度及鑄造工藝的控制主要依賴于經驗，因此該企業迫切希望開發一套能夠對生產過程及工藝參數實現遠程計算機實時監測的控制系統，并且要求該系統便于操作人員使用和調試。

開發生產過程監測系統的目的是對鑄造設備進行實時的安全監測，以及生產過程工藝參數的控制。一方面，可以加強生產過程中人身安全保障，另一方面，生產過程監測系統能夠及時并且直觀地監測到軸承溫升、鑄型異常振動等不正常的工作參數，并且結合工程技術人員的豐富經驗及龐大的監測數據庫對生產過程進行實時控制，從而提高鑄件的質量和生產效率。

1 虛擬儀器平臺選擇

虛擬儀器是計算機技術和儀器技術結合產生出的一種新型的儀器發展模式。虛擬儀器指的是在計算機的基礎上安裝軟件和必要的硬件設備，比如數據采集卡、傳感器等，使得測試人員可以通過計算機軟件進行儀器的操作，還可以根據測試的具體情況，對計算機軟件進行二次開發，從而滿足不同的測試情況。

在眾多虛擬儀器的編程軟件中，LabVIEW因具有很多優點而凸現出來［4-5］。由于具有簡便的程序編寫環境、強大的數據處理能力、友好的人機界面、以及能支持多種不同數據采集卡的優點，LabVIEW被廣泛地應用于工業界和科學研究之中。

2 系統框架設計

根據離心鑄造設備工作的特點和加工的實際情況，初步設計離心鑄造機過程監測系統，包括實時對離心鑄造加工過程中的軸承座溫度、軸承座振動加速度、銅合金溶液溫度、離心鑄造機主軸轉速的監測。整套離心鑄造機過程監測系統核心部分主要包括了傳感器、數據采集設備、計算機、虛擬儀器軟件四部分，各部分的組成如圖1所示。

圖1 過程監測系統組成

通過離心鑄造機過程監測系統四大核心部分實現對系統溫度、轉速和振動加速度的監測，各個監測對象程序框架結構設計如圖2所示。

圖2 監測系統程序構架

通過圖2可知，離心鑄造機過程監測系統中幾個監測模塊主要實現鑄造機的振動加速度、轉速和溫度的監測、顯示、報警、參數輸出等功能，通過這幾個功能使得鑄造機軸承座振動加速度、鑄造機轉速、金屬溶液和軸承座溫度能夠實時的顯示在計算機上，并可人工設置危險報警值，從而使得鑄造機能夠安全有效地進行鑄造生產。

3 硬件系統設計

根據本設計監測對象特點，選用研華PCI-1710型數據采集卡和配套PCL10168數據線纜及ADAM-3968接線端子盒，振動測量選用康泰ULT2003壓電式離心加速度傳感器及配套CM3502恒流源模塊，轉速測量選用雙福N1H-5C-70霍爾轉速傳感器，熔爐金屬液溫度測量選用JST1200紅外溫度傳感器，軸承座溫度測量選用中旺PT100鉑熱式貼片式溫度傳感器。具體傳感器規格參數如表1所示。

表1 主要傳感設備規格參數

4 軟件系統設計

4.1 振動監測程序

根據選擇的ULT2003壓電式離心加速度傳感器及CM3502恒流源模塊輸出電壓，使用Lab VIEW隨機數模塊（0～1）并乘以常數10使仿真振動傳感器電壓輸出信號為0～10 V，通過添加數值顯示模塊、數值輸入模塊、滑動桿模塊、波形顯示器、指示燈模塊、比較模塊、運算模塊和逐點加1模塊實現振動監測程序組［6-7］各個功能，具體程序功能流程及Lab VIEW程序連接如圖3、圖4所示。

圖3 振動監測流程圖

圖4 振動監測VI程序連接圖

通過圖4可以實現振動信號的仿真、振動加速度值波形顯示、振動報警設置和振動報警計數的功能，通過6對程序組即可仿真實現2個位置6個方向（X、Y、Z）加速度值的監測仿真。由于被測目標對象重力方向靜態加速度值為重力加速度，因此Z方向報警振動數值輸入控件最小值強制設置為9.8 g，另外報警振動數值輸入控件大小加減按鈕最小變化值強制設置為1 g，最大設置為100 g。

4.2 轉速監測程序

根據選擇的N1H-5C-70霍爾式轉速傳感器輸出高電平為24 V的方波信號，因此使用LabVIEW仿真信號模塊和隨機數模塊（0～1）仿真霍爾式轉速傳感器方波信號，通過添加單頻測量、數值顯示模塊、數值輸入模塊、滑動桿模塊、波形顯示器、指示燈模塊、比較模塊、運算模塊和逐點加1模塊實現轉速監測程序組［8］各個功能，具體程序功能流程及LabVIEW程序連接如圖5、圖6所示。

通過圖6可以實現轉速信號的仿真、轉速信號波形顯示、轉速值曲線記錄、實時顯示轉速、轉速報警設置和轉速報警計數的功能。在本設計中由于被測對象轉速有限，因此通過常數1 300與隨機數模塊控制仿真信號模塊仿真最高1 300 Hz的方波信號，報警轉速數值輸入控件最大值強制設置為1 300 r/min，另外報警轉速數值輸入控件輸入大小加減按鈕最小變化值強制設置為1 r/min。

圖5 轉速監測流程

圖6 轉速監測VI程序連接圖

4.3 溫度監測程序

根據選擇的JST1200紅外測溫傳感器輸出為0～5 V電壓信號，因此使用Lab VIEW隨機數模塊（0～1）并乘以常數5使仿真紅外測溫傳感器輸出電壓信號，通過添加數值輸入模塊、數值顯示模塊、滑動桿模塊、波形顯示器、旋鈕顯示器、溫度計顯示器、比較模塊、布爾模塊、選擇開關模塊、創建表格模塊、寫入測量文件模塊、運算模塊和逐點加1模塊實現溫度監測程序組［9］各個功能，具體程序功能流程及Lab VIEW程序連接如圖7、圖8所示。

圖7 溫度監測程序組流程

通過圖8可以實現溫度信號的仿真、攝氏溫度值曲線記錄、實時顯示溫度、溫度信號攝氏度華氏度的顯示切換和輸出切換、溫度報警設置和溫度報警計數的功能。在本設計中由于被測目標對象溫度值有限，因此報警溫度數值輸入控件最大值強制設置為1 200℃，由于JST1200紅外溫度傳感器識別的銅液溫度最小變化為1.2℃，PT100鉑熱電阻溫度傳感器識別的軸承座溫度最小變化為0.5℃。因此對兩個溫度檢測程序組中報警溫度數值輸入控件大小加減按鈕最小變化值分別強制設置為1.2℃及0.5℃。在本設計中由于銅液溫度和軸承座溫度監測程序組基本相似，因此不再對軸承座溫度監測程序做具體程序設計。

圖8 溫度監測程序組VI程序連接圖

4.4 軟件主界面設計

根據本設計所需要監測的目標對象，將程序主界面分為三個主要區域，從左到右依次為：溫度監測區域、轉速監測區域和振動加速度監測區域。

溫度監測區域主要包括了工作進度顯示條、傳感器電壓值顯示控件、溫度計顯示控件、攝氏度華氏度切換按鈕、溫度數值記錄表、溫度數值記錄控制按鈕組、報警溫度數值記錄表、報警溫度設置控件、報警溫度計數器、溫度數值記錄曲線圖、攝氏度華氏度實時顯示器。

轉速監測區域主要包括了工作進度顯示條、霍爾轉速傳感器波形圖、轉速值記錄曲線圖、轉速實時顯示器、轉速數值顯示器、轉速報警設置控件、轉速報警計數器。

振動加速度監測區域主要包括了工作進度顯示條、6個加速度值記錄曲線圖（1號軸承座X、Y、Z，2號軸承座X、Y、Z）、6個加速度報警組。具體系統界面如圖9所示。

圖9 系統主界面

5 結 語

本文論述了離心鑄造過程監測基于虛擬儀器的軟硬件設計，選擇合適的溫度、轉速和振動傳感器及PCI-1710數據采集卡，搭建了基于Lab VIEW的大型離心鑄造機過程監測的虛擬儀器系統。通過對離心鑄造機工作過程中的幾項重要參數的實時監測，提高了離心鑄造過程重要參數監測的精確性和可視化。由于實驗條件限制，在實驗室階段只通過隨機數和仿真信號的模擬，對溫度、轉速和振動加速度進行了實驗驗證，證實方案是切實可行的，因此，工業生產的采集工作只需要建立在相應的硬件基礎上將程序框圖中隨機數模塊及仿真信號模塊替換成Express中的NI-DAQ助手模塊或者研華DAQNAVI模塊并對相應程序簡單的設定即可，設計程序基本無需大范圍改動。通過該監測系統的運用，不僅可提高鑄造加工生產的工藝過程控制精度，還可以有效地提升離心鑄造技師在操作過程中的安全性。

［1］荊 濤，雷 霆，柳百成.離心鑄造復合軋輥凝固過程的數值模擬和微機監控［J］.鑄造技術，1992（4）：45-48.

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［3］Ede J D，Zhu Z Q，Howe D.Rotor resonances highspeed permanent magnet brushless machines［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（6）：1542-1548.

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［5］Lipovszki G.Simulating complex systems and processes in Lab VIEW［J］.Journal of Mathematical Sciences，2006，132（5）：629-636.

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［9］周 全.基于Lab VIEW的溫度監測分析儀［J］.中國西部科技，2011，10（31）：30-31.

Design of Centrifugal Casting Monitoring System Based on LabVlEW

SHEN Yi，FEI Xin，LUO Ran-ran，YANG Ming
（Key Laboratory of Modern Textile Machinery Technology of Zhejiang Province，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

With ZJ013860 centrifugal casting machine of Zhejiang Yongcheng Group as the research object，based on virtual instrument software Lab VIEW，this research designs an automation system that can conduct real-time monitoring on production parameters，Sets up a process monitoring virtual instrument system for large centrifugal casting machine，realizes the visible monitoring of vibration，rotating speed and temperature.The simulation experiment verified the temperature，rotating speed and vibration acceleration in the monitoring process and the design scheme shows feasible.The system improves the precision and visualization of monitoring during the centrifugal casting process，and expected to have certain practical values for datamation，intelligentization and safety monitoring of production process.

Lab VIEW；centrifugal casting machine；real-time monitoring system

TP206.1

A

（責任編輯：張祖堯）

1673-3851（2014）01-0065-06

2013-04-05

沈 毅（1963-），男，浙江杭州人，教授，碩士；主要從事機械設計及理論，CAD及運動仿真的研究。