混凝土泵车泵送系统数据采集及分析系统研究

高艳玲，揭琳锋

（1.博世电动工具（中国） 有限公司，浙江 杭州 310052；2.扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127）

混凝土泵车是当前建筑行业的工程主力军，满足高层建筑的混凝土输送要求，具备运输效率高、整体费用低、单位时间内运输量大等优点。混凝土泵车实现混凝土泵送，对液压技术有很高的要求，当前液压控制研究中仍以开发液压试验台为主，开发和维护费用高，技术更新周期长，与其他设备连接困难，越来越不能满足泵车液压系统的设计及检测要求。采用虚拟设备软件硬件开发的泵车泵送系统数据采集及分析系统，测试精度高，操作方便，性能可靠，能够满足液压系统的研发实验要求。

1 系统硬件组成

1.1 具有缓冲结构的混凝土泵送系统工作原理

高压油从主油泵输出到主换向阀、插装阀，进入一主油缸的有杆腔，该活塞收回，同时油缸的无杆腔液压油受挤压，通过插装阀进入另一主油缸的无杆腔，推动该活塞向外运动。当活塞向外运动到缓冲点时，泵送缓冲机构摆动机构液动换向阀在油压差的作用下，换向阀换向。此时，液控阀也开始换向，从而使泵送系统主换向阀换向，泵送系统在主油泵的高压油循环输出下往复工作，实现混凝土的泵送工作[1]。

1.2 数据采集及分析系统总体框架

根据泵送系统工作原理，搭建的数据采集及分析系统的硬件构成见图1。信号采集部分由压力传感器、流量传感器、数据采集卡组成；数据分析部分由调理电路、屏蔽盒和中央处理器等组成。系统的基本工作原理是：混凝土泵车为被测对象，压力传感器将泵送系统压力信号转换为电压信号，流量传感器将流量信号转换为脉冲信号。直接采集的传感器信号比较微弱，也容易受到干扰，本系统采用调理电路对信号进行滤波和放大，数据采集卡的作用就是将经滤波放大后的模拟信号转换为数字信号输出给中央处理器处理[2]。

图1 数据采集与分析系统总体框架

由于泵送系统工作时产生强烈的振动和冲击，各油路的压力和流量信号都表现出以下特点：信号本身的频谱分布很宽，又受到各种干扰，造成波形乱，不规律；时变与非平稳性明显；信号交变，不稳定；信号紊乱、脉冲波动大，同时出现许多峰值。针对这些信号特点，SCXI 系列信号调理模块连接到测试系统进行放大和滤波处理来自传感器的弱信号。

1.3 硬件的选择

1） 信号传感器的选择。信号传感器能将各种物理参数通过传感器的传感原理转换成电信号，系统的测试精度需要传感器性能来保证。

压力传感器：在对现场分析基础上，选用上海自动化仪表有限公司生产的型号为BPR-40 的电阻应变式压力传感器采集液压系统压力信号。

流量传感器：流量传感器选用的是WEBSTER公司的LTE400 型涡轮流量计，其性能为：每转脉冲数6 个、每升流量脉冲数146 个、最小输出频率15 Hz、最大输出频率800 Hz。其在测量低粘度、大流量油液时精度好，也有一定的动态响应。同时体积小、重量轻、使用方便，能够满足系统要求。

电流变送器：现场实验测定主泵排量电流范围为200～600 mA，故该系统选用北京莱姆电子有限公司生产的LEM 直流漏电流变送器，型号为CB-CNS6B1，可测量10～600 mA 的小电流信号。

2） 数据采集卡的选择。本数据采集及分析系统，选用NI 公司生产的M 系列的PCI6232 数据采集卡。它具备单端和差分模拟量组合输入方式，拥有16 路单端采样率为250 kS/s 的16 位模拟输入、2 路最大输出率为500 kS/s 的16 位模拟输出、6 路24 V 漏极或源极数字输入、4 路源极数字输出、2 个计数器/定时器和数字触发功能。该数据采集卡还具备A/D 转换和频率计数功能，可对采集的压力传感器输出的电压信号进行A/D 转换；对流量传感器输出的脉冲信号进行计数。因此，该采集卡能够满足本系统信号采集的要求。

2 数据采集及分析系统软件

系统软件设计主要内容：采集模块、分析处理模块、数据存储模块。其中采集模块具备对采集集卡输入数据的采集功能，同时还能做一些简单的数据分析；分析处理模块完成对采集信号进一步的分析，如时域分析、频域分析等；存储模块把分析处理的结果保存。

2.1 系统功能

1） 人机交互。Labview 软件功能强大，有与测控相关的大量前面板控件，如按钮、表格、曲线，及专门的装饰控件。操作员可以实时更改测试系统参数，确认现场运行数据，图形界面简单、方便、直观。界面和实际的仪表表盘相似。

2） 数据采集与数据分析。NI 公司提供有丰富的数据采集硬件设备，能与Labview 建立通信，Labview 可通过其采集函数库进行采集程序编写，方法简单方便。本系统对采集的压力信号分别进行了时域统计分析和频域功率谱、FFT 分析。

3） 历史数据存储。存储模块根据操作员要求，可将数据结果自动或手动保存到指定的电子表格中，可以很方便地调用，进行后续处理[3-5]。

2.2 系统程序操作主界面

前面板包括两张选项卡，第一页选项卡为测试结果，第二页选项卡为数据分析和数据保存。前面板设置开始按钮和停止按钮控制测试系统的开始和停止，可随时开始或者停止测试，操作相当方便；测试结果显示选项卡主要通过数值显示控件、波形图表显示测试结果，波形图和多列列表用实时显示数据分析结果，图形界面简单、方便、直观。

测试系统前面板：前面板第一页选项卡主要分为4 个框：上左框是控制程序开始停止的按钮，上中框是采集的参数区域，上右框是缓冲流量的显示区域，下面是主泵压力、活塞进油口压力、连通腔压力的显示区域。第二页选项卡主要是数据分析的结构显示。数据采集及分析系统前面板见图2。

图2 数据采集及分析系统前面板示意图

3 现场实验

现场试验时，该数据采集及分析系统采用泵车调试场三相电经变压后供电。首先将各传感器安装到指定的信号采集位置，没有安装孔的需设置相应的安装孔。其中采集主泵压力信号的压力传感器接入混凝土泵车液压系统主换向阀进油油路上，采集活塞进油口压力信号的压力传感器接入主缸进油油路上，采集连通腔压力信号的压力传感器接入指定缸的进油油路上，采集缓冲通道流量信号的流量传感器接入主缸缓冲通道上，通过引线传感器信号输出端接入数据采集卡，电源线接经变压后的直流电源提供电能。所有采集到的信号通过数据采集卡输入到计算机，完成混凝土泵车泵送系统的压力和流量信号的采集，以便于后期的分析处理[6-7]。测试结果见图3、图4。

图3 主泵压力曲线图

图4 主泵压力局部放大图

该测试系统在硬件方面采取了滤波和放大的信号处理，在软件方面也进行了软件滤波处理，所以从图3 和图4 可看出，所采集的主泵压力信号已不似原始波形的峰值波动过大，信号过于紊乱；在泵送稳定阶段压力波形比较平滑。从图4 可知：液压系统在3.65 s 换向时的主泵压力变化值由80 ～110 MPa，压力变化范围明显缩小，这说明了泵送压实阶段和换向阶段的压力突变范围过大的现象得到改善。另外，从现场试验也可以看出：活塞进油口压力和连通腔的压力曲线也比较平滑，压力变化范围也有明显缩小；缓冲通道流量值显示为42 L，这与该款泵车的实际缓冲流量比较接近。

4 结论

本项研究结合混凝土泵车泵送液压原理，运用虚拟仪器软件Labview 开发了混凝土泵车泵送系统数据采集与分析系统。该系统不仅实现对液压系统中关键压力和流量数据的采集，还能够实时将数据显示出来，分析结果可通过自动和手动方式录入电子表格进行保存。现场试验表明：该测试系统用户操作界面友好，操作简单，数据的记录和整理更为方便, 为泵车泵送系统的研究提供了可靠的数据，可以极大提高液压系统的实验测试能力，促进混凝土泵车液压系统的技术提升。