基于LabVIEW的水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)測試系統(tǒng)

蔡尚炅，王洪杰，劉世勛，魏顯著，陳金霞

( 1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；2. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040 )

1 前言

現(xiàn)代水力設(shè)計(jì)方法及手段大大促進(jìn)了大型水輪機(jī)的開發(fā)，然而設(shè)計(jì)結(jié)果如何，需要試驗(yàn)來鑒定。原型機(jī)試驗(yàn)有費(fèi)用高、精度低等缺點(diǎn)，目前世界上已普遍采用水力機(jī)械模型試驗(yàn)來評價(jià)原型機(jī)性能[1,2]。然而水力機(jī)械試驗(yàn)周期長，現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)已不能滿足日益增長的水電市場需求，再建水力機(jī)械試驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)已成為必須。鑒于此，哈爾濱大電機(jī)研究所在高Ⅰ臺(tái)、Ⅱ臺(tái)的基礎(chǔ)上，采用當(dāng)前最新設(shè)計(jì)思想及測試平臺(tái)，建設(shè)了哈爾濱大電機(jī)研究所水力機(jī)械Ⅲ臺(tái)、Ⅳ臺(tái)[3]。

水力機(jī)械模型試驗(yàn)的質(zhì)量好壞，在很大程度上取決于其測量技術(shù)。要快速、準(zhǔn)確地獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要一套可靠、高效的測試系統(tǒng)[4]。

美國National Instruments(NI)公司在測試測量技術(shù)上已處于世界領(lǐng)先地位，國內(nèi)外大多采用其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了各種測試功能。日本日立公司研制的“水力發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)”以及日本東京電力公司和東芝公司共同研究開發(fā)“抽水蓄能發(fā)電機(jī)組自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)”，均取得了良好成效[5]。

本測試系統(tǒng)選擇NI公司的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，利用其圖形化開發(fā)軟件LabVIEW設(shè)計(jì)了一套水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)測試系統(tǒng)。通過本測試系統(tǒng)軟件可以在線實(shí)現(xiàn)水力機(jī)械模型的各種試驗(yàn)。對混流式、軸流式、貫流式水輪機(jī)以及可逆式水泵水輪機(jī)模型實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速和精確數(shù)據(jù)測量。

2 測試原理

水力機(jī)械模型試驗(yàn)，是在保證水輪機(jī)過流表面尺寸幾何相似的情況下，通過相似換算原理，把模型轉(zhuǎn)輪的試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為真實(shí)轉(zhuǎn)輪的性能數(shù)據(jù)[6]。水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

圖1 水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)

3 基于LabVIEW的測試軟件系統(tǒng)

3.1 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本測試系統(tǒng)軟件任務(wù)復(fù)雜、功能齊全。采用基于事件結(jié)構(gòu)的狀態(tài)機(jī)模式來構(gòu)建程序框架。該模式結(jié)合了隊(duì)列狀態(tài)機(jī)和事件結(jié)構(gòu)，能快速準(zhǔn)確地捕捉用戶操作指令，并使軟件穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集任務(wù)同用戶操作及參數(shù)顯示分別放置在不同的循環(huán)內(nèi)，這樣保證了數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，也使得用戶的操作更加準(zhǔn)確。程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 程序結(jié)構(gòu)圖

3.2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含三部分：一是傳感器率定系統(tǒng)，二是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，三是后處理系統(tǒng)。測試系統(tǒng)軟件的架構(gòu)如圖3所示。

3.2.1 傳感器率定系統(tǒng)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)之前，為保證傳感器量值傳遞的準(zhǔn)確性，需先對其進(jìn)行率定。通過傳感器率定，也即標(biāo)定，建立真實(shí)物理值與電信號(hào)之間的匹配關(guān)系。測試系統(tǒng)對各種類型傳感器的率定功能實(shí)現(xiàn)見表1。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)混流式、軸流式、貫流式水輪機(jī)以及可逆式水泵水輪機(jī)模型的效率、空化、飛逸、蝸殼壓差、軸向力、徑向力、導(dǎo)葉水力矩、壓力脈動(dòng)、補(bǔ)氣、變空化壓力脈動(dòng)、力矩波動(dòng)、圓筒閥、成像觀測試驗(yàn)，對可逆式水泵水輪機(jī)還能實(shí)現(xiàn)泵工況效率及四象限試驗(yàn)。基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)具有移植性好，通用性強(qiáng)，使用方便等特點(diǎn)。具體功能如圖4所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

表1 傳感器率定功能

（1）實(shí)時(shí)采集

數(shù)據(jù)采集過程中，根據(jù)率定結(jié)果，測試系統(tǒng)對傳感器實(shí)時(shí)采集來的電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，并計(jì)算出該工況下的各個(gè)特性參數(shù)，如效率等。考慮到試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)算量龐大，為方便管理，本測試系統(tǒng)采用 VC編譯運(yùn)算公式，生成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件（即DLL文件）。最后采用LabVIEW中的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)（CLN）函數(shù)，對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)用。

（2）數(shù)據(jù)保存

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析過程在本系統(tǒng)中得以集成化，這使得試驗(yàn)人員解脫于繁重的事務(wù)勞動(dòng)，從而關(guān)注試驗(yàn)本身的問題。進(jìn)入試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容及日期預(yù)先自動(dòng)生成數(shù)據(jù)存放目錄，并根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)定文件名。為了預(yù)防斷電等外界不確定因素造成數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)自動(dòng)開辟一數(shù)據(jù)保存空間動(dòng)態(tài)保存1min內(nèi)的數(shù)據(jù)，用于特殊情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

圖4 采集試驗(yàn)流程

（3）算例

為了校驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在效率試驗(yàn)中提供了算例功能。點(diǎn)擊“算例”按鈕，彈出算例電子表格文件。文件中對部分關(guān)鍵參數(shù)值進(jìn)行比對，以驗(yàn)證系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果。算例如圖5所示。

圖5 算例

（4）歷史數(shù)據(jù)

為了對過往試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看與分析，試驗(yàn)人員只需點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)”按鈕即可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)調(diào)取。調(diào)取方式可選，分別有追加、重新調(diào)取及清空三種。追加為在已有歷史數(shù)據(jù)上增加新的數(shù)據(jù)；重新調(diào)取后只顯示新的歷史值；若點(diǎn)擊取消將清空歷史數(shù)據(jù)。

（5）打印報(bào)表

試驗(yàn)結(jié)束后，點(diǎn)擊“打印預(yù)覽”，系統(tǒng)彈出按預(yù)先模板生成的試驗(yàn)報(bào)表。報(bào)表樣式如圖6所示。

圖6 報(bào)表預(yù)覽

（6）自動(dòng)預(yù)警

為了更好地監(jiān)視水庫、尾水箱大罐、尾水箱小罐的液位，本測試系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)預(yù)警判斷功能，給用戶提供更好的信息及即時(shí)的反饋。如圖7所示。

圖7 自動(dòng)預(yù)警

3.2.3 后處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，可對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和調(diào)整，并生成相應(yīng)的特性文件，以及繪制出各種特性曲線。

在效率試驗(yàn)中，對轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，一般需對每一槳葉開度下的數(shù)據(jù)取最優(yōu)值，生成包絡(luò)線。最優(yōu)值的選取方式有三種：取各個(gè)開度下的最高效率點(diǎn)；由試驗(yàn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)選取數(shù)據(jù)點(diǎn)；程序自動(dòng)求取，并生成曲線包絡(luò)。前兩種方式易于處理，但是工作量太大、準(zhǔn)確度較差。

在第三種情況中可采用控制誤差來求解包絡(luò)線。具體做法為先對每條曲線進(jìn)行取點(diǎn)，然后對所選數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值，生成插值曲線。最后判別插值后的曲線是否位于所有曲線上方（即相切，這是理想時(shí)的情況），或曲線與每條曲線縱向差距不超過給定的誤差，該插值曲線即為所求包絡(luò)線。如圖8所示。

圖8 包絡(luò)線

4 結(jié)論

（1）基于美國NI公司LabVIEW軟件平臺(tái)的水力機(jī)械測試系統(tǒng)，充分利用了軟件本身的強(qiáng)大功能，完成了與水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析與處理等。

（2）本測試系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高，大大降低了試驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)也提高了測試效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。并在此測試系統(tǒng)開發(fā)中取得的經(jīng)驗(yàn)，可在其他模型試驗(yàn)臺(tái)的測試系統(tǒng)中推廣。

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