基于LabVIEW的風機跑合系統

蘇 偉，宋振民

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

隨著集成電路的快速發展，電子元器件的集成、熱流密度在不斷地增大。電子元器件散熱良好是發揮其良好性能的最佳保障。中頻軸流風機作為電子元器件散熱單元，可以使設備工作在合適的溫度，從而保證電子元器件的可靠工作。為了保證風機產品的性能可靠，需要在出廠前進行一定時間的上電跑合試驗，剔除試驗中的異常風機。傳統的跑合方法是依靠空氣開關、熱繼電器等進行保護，并依靠檢測人員進行不定時監控來防止意外的發生，因此只能在工作時間進行跑合。考慮到多臺同時運行，總電流過大，安全性難以保證，并且噪聲太大，因此單次只跑合一臺風機。基于上述特點，本文基于LabVIEW 2014和可編程USB繼電器模塊、三相固態繼電器以及WT1600功率計，建立一套風機跑合監控系統，改變人工跑合一次一臺的方法，進行一次3臺甚至多臺順序跑合方法。相比較人工跑合系統，自動跑合系統對于風機運行過程中的運行參數能夠做到實時監控，進行過流保護。自動跑合系統可以做到一次3臺甚至多臺依次跑合，并對跑合試驗中的運行電流進行實時監控和過流保護，大大提高了跑合試驗的效率和安全性，減少了檢測人員安裝風機及接線的次數，降低了人工成本。圖1和圖2分別展示了風機人工跑合試驗和無人監控自動跑合的流程。兩者區別在于人工跑合最多一次兩臺，而自動跑合系統可以順序多臺風機跑合并實現自動保護功能。采用LabVIEW建立的風機跑合系統，具有成本低、開發周期短、操作便捷、易于調試和升級等優勢[1]。

圖1 人工跑合試驗流程

圖2 無人監控自動跑合流程

1 硬件系統

開關控制系統具體控制主電路圖如圖3所示，主要由一個24 V開關電源、一個8路USB繼電器，7個三相固態繼電器(直流控交流)組成。

圖3 控制主電路圖

繼電器控制器采用8路繼電器控制板DAM0800(USB版)，其內部有8個繼電器模塊，可以控制不超過250 V、10 A的電路通斷，接口如圖4所示[2]，8個繼電器模塊均為單刀雙擲開關。

圖4 8路繼電器控制板接口圖

三相固態繼電器具有可靠性高、響應速度快、壽命長、耐潮耐高溫的特點[3]，為了滿足跑合試驗中頻繁開關的需要，本系統中采用三相固態繼電器作為風機跑合的繼電器。三相固態繼電器的控制端為直流控制端，A1、B1、C1為三相交流電輸入端，A2、B2、C2為三相交流電輸出端，如圖5所示。控制端采用3～32 V直流控制信號進行控制，間接驅動大電流交流負載。

圖5 三相固態繼電器示意圖

主電路主要由相序切換模塊、功率計切換模塊和順序開關模塊三個功能模塊組成。

相序切換模塊是針對個別風機產品自身相序相反而設計的。通過相序切換模塊可以自動進行電子換相，無須再重新接線。該模塊采用單個繼電器模塊OUT7控制三相固態繼電器1和2進行切換。三相固態繼電器1和三相固態繼電器2輸入端接入電源的相序相反，其控制端分別接OUT7的常閉端和常開端，這樣保證了兩個三相固態繼電器不會同時閉合，防止短路。

功率計切換模塊主要是為了防止風機起動電流過大燒毀功率計而進行起動切換。該功能主要由8路繼電器控制板中OUT8和三相固態繼電器3和4完成。OUT8常閉端接三相固態繼電器4的直流控制端，常開端接三相固態繼電器3的直流控制端。風機起動時三相固態繼電器4接通，等待風機運行平穩后切換至三相固態繼電器3后功率計接通。

順序開關模塊由繼電器模塊OUT1、OUT2、OUT3和三相固態繼電器5、6、7組成。3個模塊的常開端分別接3個三相固態繼電器的直流控制端，默認是斷開狀態。

2 軟件系統

2.1 主體結構

程序主要有相序檢查、跑合試驗兩個部分。相序檢查主要針對個別風機本身相序為反的情況，依次給每臺風機短時通電讓風機轉動，檢驗人員根據轉向是否正確來設定相序轉換開關，減少人工接線次數。跑合試驗事件為正式跑合試驗過程，其過程流程圖如圖6所示。跑合試驗程序需要電流功率數據采集和開關兩個功能模塊以及最后的整合程序。其中，關鍵技術是開關類技術和整合程序。

圖6 跑合試驗程序流程圖

2.2 開關類設計

本文采用了面向對象的方法進行開關模塊的開發。面向對象的程序設計方法是指在開發程序時以對象作為程序的基本模塊，而不是以程序的功能和過程來劃分模塊。以對象作為程序的基本模塊可以提高程序的重用性、靈活性和多態性[4]。具體開關類組成如圖7所示，主要方法由打開開關、關閉開關、控制單個繼電器3個方法以及CRC16校驗碼轉換程序和命令碼生成程序組成。開關類屬性主要由Visa資源名稱、設備地址、功能碼組成，如圖8所示。

圖7 開關類組成圖8 開關類屬性

控制單個繼電器為開關類的主要功能，其程序框圖如圖 9所示，具體由串口命令生成、發送串口命令和讀取返回信息三個部分構成。根據繼電器編號和狀態實現對特定繼電器的閉合斷開控制。

圖9 控制單個繼電器程序框圖

串口命令構成如圖 10所示。串口命令生成的程序框圖如圖11所示。以OUT1閉合為例，按照串口命令組成方式，先組成前6位FE05 0000 FF00，根據前6位進行CRC16校驗得出最后兩位的校驗碼9835，最終得出OUT1閉合的串口命令為FE05 0000 FF00 9835。串口命令生成程序將要控制的繼電器編號和狀態作為輸入參數，轉換后輸出串口命令，例如OUT1～OUT8的寄存器地址是0000～0007。

圖10 串口命令組成

圖11 串口命令生成程序框圖

2.3 整體結構的設計

圖12為風機跑合系統程序前面板。程序前面板主要有3個按鈕：相序檢查、跑合試驗，停止試驗。另外還有3個輸入控件：其中布爾數組為相序設定，用于選擇每臺風機的相序；目標時間為跑合運行時間；電流限值為過流保護的電流限值。

圖12 風機跑合系統前面板

事件分支結構包括相序檢查、跑合試驗、停止試驗3個分支結構。

圖13為相序檢查按鈕按下事件分支的程序框圖。相序檢查按鈕被單擊后，執行相序切換控制OUT7的狀態，再打開OUT[i]的開關，延遲6 s后關閉OUT[i]的開關。人工檢查風機運行的轉向是否正確，如轉向反了，就更改相序設定中對應的值。相序檢查的目的是排除風機產品相序錯誤的故障，同時通過電子換相可以減少人工換相的工作量。

圖13 相序檢查事件分支程序框圖

圖14為跑合試驗按鈕值改變事件分支。圖14中程序按照圖6的程序流程圖進行設計。順序開關由For循環實現，For循環內部先根據相序設定進行相序轉換，再打開風機開關，等待6 s后再切換功率測量開關執行While電流功率數據采集循環。While循環結束后關閉風機開關，同時WT1600功率分析儀斷開。

圖14 跑合試驗事件分支程序框圖

While循環實現電流功率采集存儲、電流比較和定時功能，循環周期為1 s。電流功率采集采用WT1600的LabVIEW驅動中讀取測量值子函數實現，輸出類型為數組形式，數組第二個元素為電流值。采集的電流和功率值可以與采集時間一起存儲在ACCESS數據庫中。

定時功能采用已用時間子函數實現。While循環終止的條件為采集電流值大于電流限值進行，值為真時停止；另一個條件為已用時間達到目標時間時結束端子輸出為真。兩個條件進行“或”的運算。跑合試驗運行過程中的監控電流值顯示在前面板上的波形圖上。

3 系統試驗與分析

圖15為2016年軸流風機跑合的部分試驗數據。圖 16為跑合系統控制主電路，由一個24 V開關電源、16 A的斷路器、8路繼電器控制器和7個三相固態繼電器組成。三相固態繼電器布置及接線方式與圖 4相同。圖 17為J190FZYD180型軸流風機跑合過程中電流波形圖。

該跑合系統在2014年、2015年和2016年3年對一款軸流風機產品進行跑合試驗，累計已進行了200多臺風機的跑合試驗。

圖15 部分跑合試驗數據

圖16 控制主電路實物圖

圖17 風機跑合過程波形圖

4 結 語

本文采用圖形化虛擬儀器語言LabVIEW開發的基于個人計算機的風機跑合系統，采用面向對象的編程方法，可以大大提高編程的效率。試驗證明，該系統能夠有效地完成風機跑合試驗，與傳統的人工跑合方式相比，不僅降低了人工成本，還保證了風機跑合的安全性和可靠性，大大提高了風機跑合試驗的效率。