基于 Labview 上位機軟件的渦輪增壓器試驗臺開發

張力，路林吉

基于 Labview 上位機軟件的渦輪增壓器試驗臺開發

張力，路林吉

本文通過研讀渦輪增壓器試驗臺的文獻資料，了解相關行業標準和研究國內傳統渦輪增壓器試驗臺的結構布局，提出了關于設計本試驗臺和測控系統新的思路：使用了抗干擾能力強、適用于工業現場的數字顯示儀表，和功能強大、使用方便、可靠性強、維修簡便的 PLC 電氣控制系統，以及可視性強、圖形表現能力強、編程易懂、操作方便的 Labview 上位機軟件系統，融合了計算機技術、網絡通信技術，在 Labview 中完成了測試臺系統對渦輪增壓器的各個參數進行測量、分析、顯示和存儲的功能，通過對試驗結果的分析表明：測試臺工作正常，實驗數據合理，與以往測試臺相比，實現了測試過程全自動化的要求，節省了大量人力。

渦輪增壓器；測試臺；電氣控制；Labview；全自動化

0 引言

直接影響到對渦輪增壓器性能的判斷結果[3][4]。

當今世界諸多國家都在不斷提高汽車排放的標準，“高效，節能，減排”已成為汽車發動機技術發展的主要關注點；采用渦輪增壓器技術可以大幅度提高汽車發動機的燃燒效率，節省燃油和改善排放性能，是實現這一目標的重要手段。國內渦輪增壓器產業隨渦輪增壓器市場需求量的不斷增大，也在隨之不斷發展和擴大。

目前，我國對于增壓器的研究在其性能、匹配技術、中冷技術等方面正在完善過程中，而且也在積極進行對于新型的增壓系統的研發。隨著汽油機的平均有效壓力和增壓器的增壓比不斷提高，需要對增壓系統進行充分研究，從試驗中獲得汽油壓氣機和渦輪的性能數據，以便整改渦輪增壓器的設計，得到性能最優的機型，使得增壓系統與汽油機更好地匹配。所以對渦輪增壓器試驗臺的研究越來越有必要[1][2]。

在研究和開發增壓器的過程中，需要通過試驗獲得壓氣機和渦輪的相關數據，以便了解其性能，并進行改進。對于一個渦輪增壓器，衡量其性能好壞的主要指標包括氣壓比、流量、振動、噪聲、效率等。這些參數分別由渦輪增壓器測試臺系統中的壓力、流量、振動、噪聲等傳感器直接測得或間接運算獲得，所以，試驗中所獲得的這些數據的測量精度

1 系統結構和原理

本文描述的渦輪增壓器測控系統的總體設計方案圖1所示：

圖1 渦輪增壓器測控系統的總體設計方案

它由3部分組成：

(1)控制系統：對現場的執行機構進行操作與控制，包括電機、閥門、夾具、接頭等；

(2)檢測與顯示：采用高精度傳感器與數字顯示儀表對增壓器的溫度、壓力、轉速等參數進行檢測與顯示；并具有報警輸出，通過控制系統控制現場執行機構。

(3)計算機測試：現場采集到的數據通過數顯儀表的通信接口與計算機連接，將數據傳入計算機中，由計算機對數據進行記錄、儲存，形成實時報表和歷史報表，供查閱與打印。

對渦輪的測控原理為：壓縮空氣經單向閥后通過線性調節閥調節進入渦輪增壓器的氣體壓力和流量，經過溫度傳感器和壓力傳感器分別測量氣體溫度和壓力，再經單向閥后進入渦輪增壓器。轉速傳感器將測量渦輪轉速。當渦輪轉速超限時放氣閥將動作以降低轉速。加速度傳感器用于測量渦輪增壓器的振動，以了解渦輪增壓器是否發生喘振。排出的氣體經夾管閥后經消聲器排到大氣中。中間有一壓力傳感器用于測量排氣背壓。

對壓氣機的測控原理為：空氣經濾清器后經過流量計和夾管閥進入壓氣機，由渦輪帶動壓氣機對進氣進行壓縮，壓縮后氣體經過夾管閥和線性調節閥，線性調節閥可以控制壓縮空氣的流量和壓力，后經單向閥和消聲器排到大氣中，中間有溫度傳感器和壓力傳感器分別測量壓縮氣體的溫度和壓力[5]。

2 測試參數

該系統測試的主要參數可分為以下幾種類型：

（1）壓力參數：如壓氣機進出口壓力、渦輪進出口壓力、流量計前后壓差、潤滑油壓力、冷卻水壓力等；（2）溫度參數：主要有壓氣機進出口溫度、渦輪進出口溫度、流量計前溫度、潤滑油進出口溫度、冷卻水進出口溫度等；（3）轉速：現有增壓器最高試驗轉速可達 100000r/min 以上，而且測試工況點都在規定的折合轉速下進行。由于試驗數據的測量點是在某一穩定轉速的工況下測得的，所以壓氣機轉速的測量精度對壓氣機性能影響較大，因此對轉速測量要求有較高的精度和靈敏度；（4）振動和噪聲：渦輪增壓器是一個高速運轉的部件，對其機組的振動和噪聲要求也是重要參數；（5）流量：可以利用流量計測得的壓力及溫度值當作壓氣機進口的壓力和溫度，流量測試所得數據可用于壓氣機和增壓器性能的測算。

3 系統測試流程

系統測試的具體操作流程如下：

1 給設備供電：供氣電磁閥打開，在氣源壓力作用下檢測臺氣源壓力繼電器連通，開始為系統供電。啟動液壓泵站：溫度到達設定值，潤滑泵站開始啟動。

自動檢測

（1）測試前準備工作：檢測臺內所有氣缸復位后，按門前雙聯開關，這時檢測門開啟，門氣缸形成開關原位，安全門開關解鎖。

（2）循環過程：

a.掃描：使用條碼槍手工讀入條形代碼；

b.連接：手動將渦輪增壓器放置到夾具上，渦輪增壓器各部件夾緊到位；

c.潤滑：氣動機油泵向渦輪增壓器中間體軸承供潤滑油2s 以上;

d.采集數據：此時系統開始工作采集潤滑系統特征參數、蝸殼端和壓氣機端的進出口氣壓力、溫度，流量等參數，以及采集增壓器本體的振動、壓力波動、葉輪轉速等參數噪音檢測，并將數據存儲在工控機內。

e. 渦輪增壓器各項性能參數測試：包括壓力、溫度、流量、轉速、振動、噪聲等；

f. 吹氣：吹氣持續約 10s，清掃回路；

g．系統復位。

具體流程圖如2所示：

圖2 系統操作流程圖

由上述流程圖可以看出，系統的測試流程除了手動掃描和連接步驟外，其他步驟均是由系統在電氣控制下自動完成的。這個自動化過程的實現節省了工人大量的勞動力，避免了人工讀數的誤差，為渦輪增壓器的出廠性能提供了良好的保障。

4 測試界面及結果示例

上位機 labview 的操作界面如圖3，4 所示：

圖3 測試界面示例

圖4 原始數據界面示例

這些曲線的數據分別由壓力變送器、流量傳感器、溫度傳感器和位移傳感器測得，并將信號傳送給 PLC，再經過OPC 服務器傳送至上位機，由 Labview 最終顯示出來。

數據采集與保存結束后，程序進入測試結果列表界面，操作者可以點擊界面右上側的選擇框來瀏覽相應的測試曲線，或點擊合格或不合格顯示燈，來查看相應的數據曲線。數據分析的界面如圖5所示：

圖5 數據分析界面照片示例

主要包括的是各項測試經過分析判斷后是否合格的控件。如“噪聲頻域測試”控件，在測試合格時會顯示文本“PASS”和綠色；當測試不合格時會顯示文本“FAIL”和紅色。當“噪聲頻域測試”、“噪聲時域測試”、“振動頻域測試”、“振動時域測試”均通過時，“NVH 測試結果”將顯示為綠色，“NVH 測試狀態”將顯示文本“噪聲振動測試通過！”；反之，則分別顯示為紅色和“噪聲振動測試不通過！”。當NVH測試結果和下面的壓力、流量、溫度等矩形控件全都顯示通過時，界面上方的測試結果（圓形控件）才會顯示合格/綠色，否則顯示不合格/紅色。

5 結論

基于 PLC 電氣控制系統和 Labview 上位機軟件開發出來的渦輪增壓器性能測試系統實現了對試驗臺的液壓氣動控制，并對渦輪增壓器運作過程中的各個參數進行了測量、采集、分析和存儲。比起傳統的渦輪增壓器試驗臺，本測試臺該系統與以往測試臺不同，融合了計算機技術、網絡技術，通過電氣控制系統來控制液壓系統，實現了除去手動掃描條形碼和裝工件外的操作流程全自動化的功能要求，大大節省了工廠檢驗工件的人力物力，且集成化、一體化的設計達到了小型化、設計簡化、安裝維護方便等目的，具有系統結構簡單，可靠性高、測試精度高，操作簡單、維護容易等特點。

[1] 周虹偉,渦輪增壓器主要部件結構特性及改進研究,[J]中國鐵道科學,2004,25(2),72-76

[2] 樊永貞,淺談汽油機渦輪增壓器的作用與使用方法, [J]黑龍江科技信息,2010(5),28

[3] 王紅蓮,基于虛擬儀器的相繼增壓熱動力試驗臺測控系統設計[D],哈爾濱工程大學 2009:13-15

[4] 高潮,汽油機渦輪增壓測量分析系統研制與試驗研究[D],武漢理工大學,2006,5

[5] 鐘華貴,劉坤,文國治,車用渦輪增壓器試驗臺與試驗技術, [J]燃氣渦輪試驗與研究 2003,16(4):37-44

[6] THEODOSIOS K,KORKIANITIS T Turbocharger design effects on gasoline-engine [J]performance,2005(3):30

[7] 鐘華貴,車用渦輪增壓器試驗臺與試驗技術,燃氣渦輪試驗與研究,2003(04):37-40

Research on The Test Bench of Turbocharger Based on Labview

Zhang Li, Lu Linji
(Department of Automation, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

By studying the relative industry standards, documentation and reference structures and layouts of traditional domestic or foreign turbocharger test benches, a new idea was put forward about the design and research of the test bench. The digital display electrical instruments we use are strong in anti-interference, suitable for industrial field. The PLC electrical control system we apply is powerful, easy to operate, reliable, and easy to maintain. The Labview PC software we use has high visibility, strong graphics performance capabilities, and it’s easy to program, understand and operate. The new test bench system, with the integration of computer technology, network communication technology, has a simple structure, high reliability, high precision, simple operation and easy maintenance. The analysis of the test results showed that: the test bench works normally, the experimental data is reasonable, and much labor was saved because of the full automation.

Turbocharger; Test Bench; Electric Control; Labview; Full Automation

TP311

A

1007-757X(2014)02-0050-03

2014.02.14)

張 力（1990-）安慶，上海交通大學自動化系，碩士研究生，研究方向：控制工程，上海，200240路林吉（1963-）男，上海交通大學自動化系，副教授，研究方向：工業自動化系統設計，數字圖像處理技術及應用，上海，200240