基于LabVIEW的燃燒室疲勞性能試驗測控系統設計

陳海清，孫永飛，張鵬淼

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

主燃燒室疲勞性能試驗主要驗證新型材料結構的火焰筒耐溫能力和熱疲勞的能力[1,2]，評估新材料燃燒室的綜合性能[3]。因此疲勞性能試驗具有與常規燃燒室試驗不同的特點，一方面要求對燃油進行周期連續的過程控制，手動操作很難實現準確的時序控制；另一方面在燃油流量調節的操作過程中需要監視多個參數，防止試驗風險出現，操作人員很難同時兼顧多個參數。所以在這種情況下就需要利用計算機程序自動控制來實現試驗的控制目標。

LabVIEW是目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一。LabVIEW是一種圖像化編程語言[4]，它用圖標、連線和框圖代替傳統的程序代碼，利用豐富的VI模塊，能夠實現測控程序的快速開發。LXI總線儀器具有可靠性高、緊湊靈活、體積小、數據傳輸便捷、吞吐率高等特點，適合于構建分布式的測試系統[5]。工業變頻器[6]的作為一種功能越來越強大的大功率電子設備，廣泛普及于自動化系統中，采用變頻器控制方式不僅可以提高電機控制上精度，并且可以減少人為操作，為智能控制提供了一種可行的手段。基于以上3種技術手段，本文提出一種LabVIEW＋LXI+變頻器組合形式的測控系統，部分改變了傳統試驗中手動的測控方式，將計算機強大的計算能力和儀器設備硬件的測量、控制結合起來，滿足了疲勞性能試驗測試和控制的需求，通過試驗模擬仿真方式，取得了較好的控制效果。

1 疲勞試驗測控任務需求

試驗需要實現148路物理量通道和35路計算通道數據的監視、記錄。其中物理量通道主要實現對溫度、壓力、流量、角度、頻率等參數的采集，計算通道主要實現對空氣流量、燃燒效率、分布系數等參數的計算過程，對其中主要參數設定限值范圍，并做超限報警提示。記錄方式采用連續采集方式和即時報表輸出方式。軟件上實現數據的多種顯示方式，如數值格式、柱狀圖、實時曲線圖、歷史數據回放曲線圖、數據場云圖等。測試系統需要與旋轉控制系統、燃油控制系統、燃氣分析系統[7]實現局域網內的數據交互，實現數據共享。

試驗的燃油控制方式采用手動和自動兩種方式，控制目標為燃燒室全部壁面溫度中最大值按設定規律周期變化，如圖1所示。控制策略為在保證試驗進口條件一定的情況下，供應的燃油流量大小按時序周期性自動調節。控制參數如時間、目標值、限值、循環次數均可實現界面化輸入。

圖1 疲勞性能控制規律

發動機燃燒室試驗為高溫高壓型試驗，在試驗過程中試驗設備要受到嚴酷的熱、力載荷，試驗操作不當會造成重大損失，因此防控試驗風險顯得尤為重要。測控系統需要有對風險的預防處理手段，做好試驗的安全防護工作。

2 硬件系統設計

測控系統主要硬件包括；計算機、數據采集設備、電源、PLC和變頻器幾部分組成。主要硬件以網絡為基礎搭建，利用網線和交換機連接各個設備，系統結構如圖2所示。現場變送器輸出的信號為4～20mA電流信號，采用信號線連接；電偶輸出mV電壓信號，采用補償導線連接；現場流量計輸出頻率信號，經信號調理模塊將信號轉換后，輸出mV信號，這些模擬量信號由LXI數據采集儀器進行分區域的集中采集。現場集中的壓力測點經高壓尼龍管引出，由DSA壓力掃描閥采集。LXI數據采集儀器和DSA壓力掃描閥安裝在靠近測點的位置，由網絡向計算機發送實時數據，由軟件實現數據的處理。測控系統中的電源采用UPS+穩壓電源的供電方式，這樣即避免了干擾信號的引入，又防止了異常停電對試驗設備造成的損失。

變頻器的通訊接口為RS485串口[8,9]，利用研華EKI-1522型串口轉網口服務器，將變頻器端口連入了局域網絡中。通過變頻器控制油泵電機轉速，從而實現對燃油流量大小的調節過程。本系統中選用的是ABB公司的ACS510變頻器，該變頻器可以反饋電流、頻率和溫度，通過監視這些參數，可以有效防止試驗中燃料供應異常情況的出現。

控制系統中安裝急停按鈕，通過繼電器控制燃油管路上的電磁閥通斷，當異常情況出現時，可人為切斷燃油的供應，防止燃燒超溫現象。

變頻器可接收0～10V直流電壓控制信號，因此手動控制方式采用外部電路對變頻器進行控制，利用高精度電位器調節變頻器的輸入電壓控制信號，變頻器將接收到的電壓值轉化為輸出頻率，從而實現了燃油電機泵的遠程手動控制過程。

3 軟件系統設計

LabVIEW是美國NI公司開發的一種基于圖形化的編程語言，它內置數據采集、儀器控制、過程監控和自動測試功能，包括VISA、GPIB、RS232、DAQ等模塊和基本分析庫；提供強大的數據分析、處理、顯示功能的同時還保證系統靈活性；LabVIEW具有開放的系統互連性及廣泛的硬件支撐，具有DDL和CIN接口，可以與多種設備直接連接；流程圖式的開發環境大大簡化了程序開發的復雜程度，利用LabVIEW的數據探針，可以在軟件調試階段即時發現程序錯誤，縮短開發周期；。

為了滿足試驗任務需求，本文設計的軟件由測試軟件和控制軟件組成，分別安裝在兩臺計算機上。軟件采用LabVIEW語言開發，軟件間的數據交換采用LabVIEW發布的網絡共享變量作為數據交換的途徑，軟件與變頻器、PLC之間采用OPC方式進行通訊，結構及功能如圖3所示。

圖2 硬件系統結構圖

圖3 軟件通訊方式

3.1 測試軟件設計

測試軟件結構分為軟件管理、數據處理、數據顯示傳輸三個部分，分為三個線程編輯，程序框圖如圖4所示。利用LabVIEW模塊化的結構逐個實現每一個部分中具體的功能，如圖5所示。

軟件管理功能模塊是通過前面板的下拉菜單方式切換到相應信息管理界面的前面板上，其中信息管理界面包括：儀器管理界面、試驗項目管理界面和試驗文件管理界面。儀器管理實現對儀器的數量增減、初始化、參數設置和儀器管理信息的記錄等；試驗項目管理實現對試驗項目調用、測試通道配置；試驗文件管理實現對記錄文件模板復制、文件路徑修改、文件信息查詢。各個信息管理界面與測試軟件主界面間以全局變量作為信息的傳遞渠道。

數據處理功能模塊中的數據以簇結構格式進行傳遞，簇結構內包括通道名稱、通道數值、通道上下限、異常報警等通道信息。這種數據格式方便了數據通道的信息管理和數據的顯示。利用Database組件實現了LabVIEW對Access數據庫的查詢、插入功能的操作，通過這種方式將數據連續記錄在Access數據庫中。利用自動化引用句柄的形式調用了Excel應用程序，并將數據逐個寫入到復制的模板報表下的具體Range單元格中，從而形成標準格式的報表，通過這種方式記錄試驗狀態點的穩態數據。

圖4 測試軟件程序框圖

圖5 測試軟件功能結構圖

測試軟件與其他軟件間采用LabVIEW的網絡共享變量進行傳輸。共享方式的實現過程，首先分類建立變量庫，如圖6所示。將變量數據類型設置為變體，變量類型設置為網絡發布。其次將變量庫在局域網內進行部署，通過這個過程實現了變量庫在多臺計算機的共享。然后在軟件的前面板的控件屬性中，選擇將控件綁定在共享變量引擎（NI-PSP）下的共享變量上，并設定控件對變量的訪問類型，通過以上步驟實現了數據在網絡中的傳輸過程，共享變量庫如表1所示。

圖6 共享變量建立示意圖

表1 共享變量庫

3.2 控制軟件設計

控制軟件結構分為參數輸入、控制執行和故障處理三部分，分三個線程編輯，程序框圖如圖7所示，軟件功能如圖8所示。利用研華串行服務器組件，實現了在上位機虛擬的串行端口，如圖9所示，利用NI OPC SERVER組件建立了上位機與控制器寄存器連接的地址變量，如圖10所示。在LabVIEW前面板的控件屬性中，選擇將控件綁定到Datasocket下的OPC變量上，并設定控件對變量的訪問類型，通過以上步驟實現了LabVIEW控件對控制器控制命令的發送與反饋數據的接收。

在疲勞性能試驗中實現對壁面溫度周期性控制，是在手動保持試驗進口條件一定的情況下，通過軟件自動控制變頻器的頻率來實現的。在前期手動調節時記錄下壁面溫度高溫、低溫、限制溫度與變頻器反饋頻率間的對應關系，將頻率數值作為設定參數通過界面輸入到軟件中。在控制執行時采用定時循環的方式向變頻器發送頻率給定值，定時時鐘設定為50ms。頻率給定值是隨時間周期連續變化的數值，單個周期內分為頻率上升階段如公式1、高頻保持階段如公式2、頻率下降階段如公式3、低頻保持階段如公式4。

式中：

tl——時鐘的時間間隔；

j——第i階段中的循環第次。

圖7 控制軟件程序框圖

圖8 控制軟件功能結構圖

圖9 串口轉網口服務器配置圖

圖10 OPC通訊配置配置圖

4 試驗風險因素

發動機燃燒室試驗是高溫、高壓、高耗能、高風險的試驗，考慮試驗成本因素，一般盡量縮短試驗前期實際的調試過程。新型的試驗可能存在一些未知因素風險，一般不直接采用閉環方式實現自動控制，而是先通過手動控制方式摸索，再進行進一步的自動控制。疲勞性能試驗具有自身特殊性。周期性的時序操作，長時間的操作過程，都增加了操作人員的操作難度，所以存在軟件的自動控制的必要性。

自動控制下可能出現的風險因素主要包括兩類：儀器測試故障和重要參數超限。儀器測試故障可能發生于儀器工作過熱，振動引起網絡連接、測點連接異常，儀器、計算機異常死機等，這類故障情況會造成試驗人員的誤判，做出錯誤的執行動作。重要參數超限可能出現于設備操作不當，實際試驗影響因素超出預測值等，造成設備損壞。

5 試驗流程及安全措施

按照模擬試驗、手動控制試驗、自動控制試驗的流程順序開展試驗。通過模擬試驗驗證程序的可靠性，通過手動控制試驗摸索影響燃燒室壁面溫度的因素。在了解了溫度與頻率的相關性后開展自動控制試驗。在積累了大量燃燒室進口溫度、壓力、流量，余氣系數，壁面溫度，變頻器頻率等實際樣本數據后，再通過建立數據間數學模型，從而實現閉環控制下的精確控制；

軟件自動識別硬件的故障信息，并共享給局域網內各個計算機軟件上，由控制軟件根據故障信息做出自動的處理，操作人員也可以通過軟件和硬件按鈕一鍵控制，處理異常情況。如表2所示。

表2 故障及處理辦法

設定變頻器給定頻率的上下限，預防試驗超溫現象對設備造成的損壞。

6 系統模擬測試結果

了評價系統的運行性能，在完成系統設計的編譯后，在試驗臺上模擬運行，并將試驗設定參數輸入到系統相關模塊，從正常狀態下和模擬故障下，系統運行的情況，對系統的可行性進行了驗證，如圖11、12所示。

7 結論

圖11 正常狀態模擬效果圖

圖12 異常狀態模擬效果圖

該文根據疲勞性能試驗需求，設計了測控系統的硬件與軟件。硬件上建立了基于網絡結構的測控系統，軟件上利用LabVIEW軟件平臺開發了測試軟件和控制軟件，利用OPC通訊方式，實現了上位機與變頻器、PLC的通訊，利用網絡共享變量實現了軟件間的數據傳輸，并開發了疲勞性能試驗的周期連續的時序控制方式。針對試驗中可能出現的風險，在系統設計中制定了相應的防范措施，通過模擬運行驗證了系統的可靠性，為正式疲勞性能試驗奠定了基礎。

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