滿衛(wèi)芳，彭 杉，丁 婷

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.駐上海704所軍事代表室，上海200031；3.中船重工第704研究所，上海200031）

基于LabVIEW的燃?xì)廨啓C(jī)軸功率測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滿衛(wèi)芳1，彭 杉2，丁 婷3

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.駐上海704所軍事代表室，上海200031；3.中船重工第704研究所，上海200031）

介紹了燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸功率測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。測(cè)試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集硬件、串口通訊、工控機(jī)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)換器通過(guò)USB總線相連，轉(zhuǎn)換器和工控機(jī)通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)基于LabVIEW開(kāi)發(fā)軟件程序，以實(shí)現(xiàn)扭矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、傳輸、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和查詢的功能。在環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試系統(tǒng)工作正常、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、通信穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的測(cè)試。

軸功率測(cè)試；USB總線；LabVIEW

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是將氣體壓縮后與燃料在燃燒室混合后將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為燃?xì)鉄崮埽俳?jīng)燃?xì)馔钙綍r(shí)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能和電能的原動(dòng)機(jī)。它直接采用空氣作為工質(zhì)，省去了鍋爐、冷凝器、給水處理等大型設(shè)備，所以裝置具有質(zhì)量輕、體積小的特點(diǎn)[1]。在西氣東輸?shù)墓芫€中使用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行增壓輸送，燃?xì)廨啓C(jī)的狀態(tài)直接影響整條管線的實(shí)際輸送效果，其輸出效率直接決定輸送的成本，為提高輸出效率、改善機(jī)組的性能，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行輸出軸功率測(cè)試顯得尤為重要。燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸功率測(cè)試對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控要求非常高，用LabVIEW 平臺(tái)設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)能滿足這一要求。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化編程軟件，又稱G語(yǔ)言，與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言C、C++、Visual BASIC等相比，LabVIEW具有編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高等特點(diǎn)[2]?；?LabVIEW 開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格合理、數(shù)據(jù)處理效率高，而且操作方便、界面美觀，功能擴(kuò)展性好。

1 測(cè)試系統(tǒng)組成及原理

測(cè)試系統(tǒng)以在西氣東輸工程中用于氣體增壓輸送的燃?xì)廨啓C(jī)作為測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)試燃?xì)廨啓C(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速，計(jì)算出燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸功率，兼以溫度、壓力、燃料流量等幾個(gè)參數(shù)，計(jì)算得出機(jī)組的效率，熱效率=3600×燃料輸入總熱量/輸出軸功率。本文根據(jù)輪機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)及測(cè)試要求，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)扭矩測(cè)量的相關(guān)研究成果，設(shè)計(jì)了一套完全適用于西部管道燃?xì)廨啓C(jī)性能現(xiàn)場(chǎng)扭矩、轉(zhuǎn)速、功率參數(shù)測(cè)試的系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸功率測(cè)試系統(tǒng)組成

燃?xì)廨啓C(jī)軸功率輸出測(cè)試系統(tǒng)由扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩轉(zhuǎn)速參數(shù)采集系統(tǒng)、USB通訊接口、工控機(jī)等部分組成。在實(shí)際工況下，燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)為扭矩量程 5kNm～100kNm，轉(zhuǎn)速范圍100r/min～6000r/min。由于扭矩量程大、精度要求高，因而使用自主設(shè)計(jì)的扭矩傳感器，它由聯(lián)軸器和粘貼于其上的全橋電阻應(yīng)變片組成。根據(jù)應(yīng)變片金屬線材的電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比[3]這一性質(zhì)，建立應(yīng)變與電阻變化進(jìn)而與電壓變化的正比關(guān)聯(lián)，傳感器靈敏系數(shù)通過(guò)國(guó)防大扭矩一級(jí)計(jì)量站 200kNm最高標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行量值溯源。轉(zhuǎn)速測(cè)量使用光電轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)量齒盤齒槽的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖頻率，換算得轉(zhuǎn)速。根據(jù)前期扭矩傳感器溯源數(shù)據(jù)，結(jié)合齒盤測(cè)速參數(shù)，計(jì)算得出該系統(tǒng)的輸出軸功率P：

式中，U為全橋應(yīng)變片的橋壓；f為激光脈沖傳感器采集的脈沖頻率。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸功率測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試原理，選擇合適量程及精度的傳感器，通過(guò)合理的信號(hào)采集傳輸方式，將采集數(shù)據(jù)集中到上位PC機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。從硬件組成、數(shù)據(jù)傳輸通訊設(shè)計(jì)、操作軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面詳述。

2.1 下位機(jī)硬件組成

軸功率測(cè)試系統(tǒng)硬件部分包含扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、信號(hào)采集處理、信號(hào)傳輸?shù)?。按照在系統(tǒng)中的功能劃分為扭矩采集和發(fā)射接收模塊、轉(zhuǎn)速采集模塊。結(jié)合實(shí)際使用時(shí)的安裝位置，建立如圖2所示的原理框圖。

圖2 軸功率測(cè)試系統(tǒng)硬件原理框圖

扭矩信號(hào)采集和發(fā)射模塊，采用高精度低紋波系數(shù)的電源電路將外部3.7V直流電壓調(diào)理成穩(wěn)定的直流電源3.3V并以此作為傳感器和AD轉(zhuǎn)換芯片的激勵(lì)源和參考電壓。應(yīng)用高精度儀表放大器和信號(hào)調(diào)理電路，將應(yīng)變信號(hào)0mV/V～2mV/V進(jìn)行放大，以及濾波處理，采用24位高精度、低噪聲AD轉(zhuǎn)換芯片CS5532，以提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和采樣精度。采用高速低功耗處理器nrf24le1，以保證采集數(shù)據(jù)的速度和實(shí)時(shí)性，同時(shí)，該處理器是單芯片GFSK處理器，集成了2.4G無(wú)線射頻收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送。組成框圖如圖3所示。扭矩信號(hào)接收和轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊，采用高速低功耗處理器nrf24le1作為數(shù)據(jù)無(wú)線接收部分處理器，將扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并行傳入主處理器STC12C5A60S2，該處理器具有高速低功耗特點(diǎn)，能滿足系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間在線測(cè)試的需求。轉(zhuǎn)速采集模塊采用高精度低紋波系數(shù)的電源電路將外部220V/50Hz交流電處理成穩(wěn)定的直流電源，以為轉(zhuǎn)速傳感器供電。采用高速的晶振時(shí)鐘填充方式，將測(cè)周和測(cè)頻的方法結(jié)合使用，以進(jìn)行轉(zhuǎn)速脈沖測(cè)量，保證轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量。

圖3 扭矩測(cè)量模塊功能組成框圖

2.2 數(shù)據(jù)傳輸通訊設(shè)計(jì)

軸功率測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)主要在串口通訊方面，即PC機(jī)與串口轉(zhuǎn)高速USB接口之間的通信。LabVIEW的串口通信功能模塊可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與處理器之間的通信。LabVIEW串口編程有兩種方式：傳統(tǒng)的串口編程方式和VISA編程方式。考慮到VISA的接口高通用性、高可訪問(wèn)性和可配置性，尤其是其具有接口函數(shù)少、編程簡(jiǎn)單的特性，測(cè)試系統(tǒng)串口通信采用了VISA編程方式。

串口通信程序由串口參數(shù)設(shè)置、接收數(shù)據(jù)模塊組成。利用VISA配置串口函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行初始化[4]。該函數(shù)有多個(gè)輸入?yún)?shù)：VISA資源名稱，COM1；波特率，57600bps；數(shù)據(jù)位，8位；奇偶位，無(wú)；停止位，1位；流控制，無(wú)；終止符，無(wú)。利用VISA讀取函數(shù)讀取串口接收的數(shù)據(jù)(接收緩沖區(qū)中)。在接收數(shù)據(jù)之前使用 VISA串口字節(jié)數(shù)函數(shù)查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，VISA讀取函數(shù)讀取當(dāng)前串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。

通過(guò)VISA函數(shù)對(duì)串口的配置、讀取和寫(xiě)入程序，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收和向上位機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.3 上位機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)

西部管道燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率測(cè)試系統(tǒng)軟件，采用圖形化編輯語(yǔ)言LabVIEW開(kāi)發(fā)，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，主要包括測(cè)試系統(tǒng)主功能參數(shù)圖形化邏輯控制、測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢等功能模塊。程序面板如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)程序界面

主要圖形化邏輯控制，將測(cè)試系統(tǒng)需要完成的設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過(guò)集成的方式，將數(shù)據(jù)采集處理的全程進(jìn)行流程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)功能模塊化分組，以達(dá)到操作一鍵化、人機(jī)交互友好的目標(biāo)。

測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，主要包括：當(dāng)前數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)的列表和曲線顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表的打印。數(shù)據(jù)的顯示由LabVIEW提供的控件完成，數(shù)值顯示控件只顯示數(shù)據(jù)的當(dāng)前值，無(wú)法反映量值變化，影響測(cè)控效果。為此，測(cè)試系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上嵌入了波形顯示功能，使用波形圖表控件顯示所有數(shù)據(jù)的歷史圖形，為保證顯示效果，波形顯示設(shè)計(jì)為切換式。此外，可根據(jù)需要選擇是否進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)打印。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能模塊，將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ACESS 數(shù)據(jù)庫(kù)中，包括測(cè)試時(shí)間(年/月/日/時(shí)/分/秒)、扭矩值(Nm、kNm)、轉(zhuǎn)速值(r/min)及功率(kW)，測(cè)試數(shù)據(jù)可根據(jù)測(cè)試時(shí)間區(qū)間進(jìn)行查詢。

在已經(jīng)完成測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)在環(huán)聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能、操作便捷度、功能實(shí)現(xiàn)率。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)完全符合西部管道燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸功率測(cè)試的設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)量精度和準(zhǔn)確度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，軟件使用交互性較好。對(duì)在環(huán)測(cè)試時(shí)軟件部分狀態(tài)進(jìn)行截圖，測(cè)試系統(tǒng)軟件啟動(dòng)界面如圖5所示，測(cè)試系統(tǒng)軟件主界面如圖6所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)軟件啟動(dòng)界面

圖6 測(cè)試系統(tǒng)PC主界面

3 結(jié)論

基于 LabVIEW 開(kāi)發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸功率測(cè)試系統(tǒng)軟件可使界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，程序設(shè)計(jì)運(yùn)行效率高。本文介紹的燃?xì)廨啓C(jī)軸功率測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于西部管道工程中對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。運(yùn)行狀況表明，該測(cè)試系統(tǒng)能正常工作，運(yùn)行狀態(tài)良好，上位機(jī)與下位機(jī)通信穩(wěn)定可靠，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示清晰易辨，監(jiān)控界面美觀友好，軟件操作簡(jiǎn)單方便，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，這為西氣東輸領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)輸出效率的實(shí)驗(yàn)研究提供了良好保障。

[1]翁史烈.燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)[M].1997.

[2]Jeffery Travis,Jim Kring.LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[3]商維綠,繆德源,錢順章,等.現(xiàn)代扭矩測(cè)量技術(shù)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1999.

[4]朱文發(fā),柴曉冬,鄭樹(shù)彬,等.基于 LabVIEW 的慣性測(cè)量單元信號(hào)采集及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(6):1697-1698.

Design of Test System of Gas Turbine Shaft Power#Based on LabVIEW

MAN Wei-fang1,PENG Shan2,DING Ting3
(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240;2.Military Agent's Room in Shanghai 704 Institute,Shanghai 200031,China;3.704 Research Institute of CSIC,Shanghai 200031,China)

This paper introduces the design of shaft power test system of gas turbine.The system consists of data acquisition hardware,serial port communication and PC,where data acquisition nodes and converter connect through USB bus.The converter and industrial PC communicate via a serial port.System software develops program based on LabVIEW,then,the signal collection,transmission,real-time display,storage and query functions about the torque and rotate speed are realized.The ring experiments show that,the test system works properly,the data are accurate and communication runs stable,which can meet the test requirement.

shaft power test; USB bus; Lab VIEW

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.014

滿衛(wèi)芳(1973-)，女，研究生，主要從事扭矩量值領(lǐng)域的儀器儀表工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。