基于LabVIEW的燃氣輪機軸功率測試系統(tǒng)設(shè)計

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的燃氣輪機軸功率測試系統(tǒng)設(shè)計

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）

介紹了燃氣輪機輸出軸功率測試系統(tǒng)的開發(fā)。測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集硬件、串口通訊、工控機構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集節(jié)點和轉(zhuǎn)換器通過USB總線相連，轉(zhuǎn)換器和工控機通過串口實現(xiàn)通信。系統(tǒng)基于LabVIEW開發(fā)軟件程序，以實現(xiàn)扭矩、轉(zhuǎn)速信號的采集、傳輸、實時顯示、存儲和查詢的功能。在環(huán)實驗結(jié)果表明，測試系統(tǒng)工作正常、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、通信穩(wěn)定，實現(xiàn)了燃氣輪機輸出功率的測試。

軸功率測試；USB總線；LabVIEW

0 引言

燃氣輪機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)化為燃氣熱能，再經(jīng)燃氣透平時將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能和電能的原動機。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[1]。在西氣東輸?shù)墓芫€中使用燃氣輪機進行增壓輸送，燃氣輪機的狀態(tài)直接影響整條管線的實際輸送效果，其輸出效率直接決定輸送的成本，為提高輸出效率、改善機組的性能，對燃氣輪機進行輸出軸功率測試顯得尤為重要。燃氣輪機輸出軸功率測試對實時監(jiān)控要求非常高，用LabVIEW 平臺設(shè)計的測試系統(tǒng)能滿足這一要求。LabVIEW是美國國家儀器公司(NI)開發(fā)的產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化編程軟件，又稱G語言，與傳統(tǒng)編程語言C、C++、Visual BASIC等相比，LabVIEW具有編程簡單、直觀、開發(fā)效率高等特點[2]。基于 LabVIEW 開發(fā)的測試系統(tǒng)價格合理、數(shù)據(jù)處理效率高，而且操作方便、界面美觀，功能擴展性好。

1 測試系統(tǒng)組成及原理

測試系統(tǒng)以在西氣東輸工程中用于氣體增壓輸送的燃氣輪機作為測試對象，設(shè)計通過實時測試燃氣輪機扭矩、轉(zhuǎn)速，計算出燃氣輪機輸出軸功率，兼以溫度、壓力、燃料流量等幾個參數(shù)，計算得出機組的效率，熱效率=3600×燃料輸入總熱量/輸出軸功率。本文根據(jù)輪機設(shè)計的技術(shù)參數(shù)及測試要求，結(jié)合目前國內(nèi)扭矩測量的相關(guān)研究成果，設(shè)計了一套完全適用于西部管道燃氣輪機性能現(xiàn)場扭矩、轉(zhuǎn)速、功率參數(shù)測試的系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 燃氣輪機輸出軸功率測試系統(tǒng)組成

燃氣輪機軸功率輸出測試系統(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、工控機等部分組成。在實際工況下，燃氣輪機設(shè)計性能指標(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)變與電阻變化進而與電壓變化的正比關(guān)聯(lián)，傳感器靈敏系數(shù)通過國防大扭矩一級計量站 200kNm最高標(biāo)準(zhǔn)裝置進行量值溯源。轉(zhuǎn)速測量使用光電轉(zhuǎn)速傳感器，測量齒盤齒槽的轉(zhuǎn)動脈沖頻率，換算得轉(zhuǎn)速。根據(jù)前期扭矩傳感器溯源數(shù)據(jù)，結(jié)合齒盤測速參數(shù)，計算得出該系統(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 測試系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

根據(jù)燃氣輪機輸出軸功率測試系統(tǒng)的測試原理，選擇合適量程及精度的傳感器，通過合理的信號采集傳輸方式，將采集數(shù)據(jù)集中到上位PC機上進行實時顯示并進行數(shù)據(jù)存儲。從硬件組成、數(shù)據(jù)傳輸通訊設(shè)計、操作軟件設(shè)計三個方面詳述。

2.1 下位機硬件組成

軸功率測試系統(tǒng)硬件部分包含扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、信號采集處理、信號傳輸?shù)取０凑赵谙到y(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)合實際使用時的安裝位置，建立如圖2所示的原理框圖。

圖2 軸功率測試系統(tǒng)硬件原理框圖

扭矩信號采集和發(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)換芯片的激勵源和參考電壓。應(yīng)用高精度儀表放大器和信號調(diào)理電路，將應(yīng)變信號0mV/V～2mV/V進行放大，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)的速度和實時性，同時，該處理器是單芯片GFSK處理器，集成了2.4G無線射頻收發(fā)器，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。組成框圖如圖3所示。扭矩信號接收和轉(zhuǎn)速測量模塊，采用高速低功耗處理器nrf24le1作為數(shù)據(jù)無線接收部分處理器，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，能滿足系統(tǒng)長時間在線測試的需求。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。采用高速的晶振時鐘填充方式，將測周和測頻的方法結(jié)合使用，以進行轉(zhuǎn)速脈沖測量，保證轉(zhuǎn)速的精確測量。

圖3 扭矩測量模塊功能組成框圖

2.2 數(shù)據(jù)傳輸通訊設(shè)計

軸功率測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊設(shè)計主要在串口通訊方面，即PC機與串口轉(zhuǎn)高速USB接口之間的通信。LabVIEW的串口通信功能模塊可實現(xiàn)PC機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、高可訪問性和可配置性，尤其是其具有接口函數(shù)少、編程簡單的特性，測試系統(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)對串口進行初始化[4]。該函數(shù)有多個輸入?yún)?shù)：VISA資源名稱，COM1；波特率，57600bps；數(shù)據(jù)位，8位；奇偶位，無；停止位，1位；流控制，無；終止符，無。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VISA函數(shù)對串口的配置、讀取和寫入程序，實現(xiàn)了下位機采集節(jié)點數(shù)據(jù)的接收和向上位機數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.3 上位機軟件功能設(shè)計

西部管道燃氣輪機輸出功率測試系統(tǒng)軟件，采用圖形化編輯語言LabVIEW開發(fā)，將接收到的數(shù)據(jù)進行顯示和處理，主要包括測試系統(tǒng)主功能參數(shù)圖形化邏輯控制、測試數(shù)據(jù)實時顯示、采集數(shù)據(jù)存儲和查詢等功能模塊。程序面板如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)程序界面

主要圖形化邏輯控制，將測試系統(tǒng)需要完成的設(shè)計指標(biāo)，通過集成的方式，將數(shù)據(jù)采集處理的全程進行流程設(shè)置，實現(xiàn)功能模塊化分組，以達到操作一鍵化、人機交互友好的目標(biāo)。

測試數(shù)據(jù)實時顯示，主要包括：當(dāng)前數(shù)據(jù)的實時顯示、歷史數(shù)據(jù)的列表和曲線顯示、數(shù)據(jù)報表的打印。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，無法反映量值變化，影響測控效果。為此，測試系統(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)計為切換式。此外，可根據(jù)需要選擇是否進行測試數(shù)據(jù)打印。

數(shù)據(jù)存儲和查詢功能模塊，將采集數(shù)據(jù)存儲在ACESS 數(shù)據(jù)庫中，包括測試時間(年/月/日/時/分/秒)、扭矩值(Nm、kNm)、轉(zhuǎn)速值(r/min)及功率(kW)，測試數(shù)據(jù)可根據(jù)測試時間區(qū)間進行查詢。

在已經(jīng)完成測試系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)在環(huán)聯(lián)調(diào)實驗，檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性能、操作便捷度、功能實現(xiàn)率。通過現(xiàn)場實驗驗證了測試系統(tǒng)完全符合西部管道燃氣輪機輸出軸功率測試的設(shè)計需求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量精度和準(zhǔn)確度滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，軟件使用交互性較好。對在環(huán)測試時軟件部分狀態(tài)進行截圖，測試系統(tǒng)軟件啟動界面如圖5所示，測試系統(tǒng)軟件主界面如圖6所示。

圖5 測試系統(tǒng)軟件啟動界面

圖6 測試系統(tǒng)PC主界面

3 結(jié)論

基于 LabVIEW 開發(fā)燃氣輪機輸出軸功率測試系統(tǒng)軟件可使界面設(shè)計簡單，程序設(shè)計運行效率高。本文介紹的燃氣輪機軸功率測試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于西部管道工程中對燃氣輪機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。運行狀況表明，該測試系統(tǒng)能正常工作，運行狀態(tài)良好，上位機與下位機通信穩(wěn)定可靠，實驗數(shù)據(jù)顯示清晰易辨，監(jiān)控界面美觀友好，軟件操作簡單方便，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的實時監(jiān)控，這為西氣東輸領(lǐng)域燃氣輪機輸出效率的實驗研究提供了良好保障。

[1]翁史烈.燃氣輪機與蒸汽輪機[M].1997.

[2]Jeffery Travis,Jim Kring.LabVIEW大學(xué)實用教程[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,鄭樹彬,等.基于 LabVIEW 的慣性測量單元信號采集及處理系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,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)計開發(fā)工作。