基于LabVIEW的水力机械试验台测试系统
2011-07-02蔡尚炅王洪杰刘世勋魏显著陈金霞
蔡尚炅,王洪杰,刘世勋,魏显著,陈金霞
( 1. 哈尔滨工业大学,哈尔滨 150001;2. 哈尔滨大电机研究所,哈尔滨 150040 )
1 前言
现代水力设计方法及手段大大促进了大型水轮机的开发,然而设计结果如何,需要试验来鉴定。原型机试验有费用高、精度低等缺点,目前世界上已普遍采用水力机械模型试验来评价原型机性能[1,2]。然而水力机械试验周期长,现有试验台已不能满足日益增长的水电市场需求,再建水力机械试验试验台已成为必须。鉴于此,哈尔滨大电机研究所在高Ⅰ台、Ⅱ台的基础上,采用当前最新设计思想及测试平台,建设了哈尔滨大电机研究所水力机械Ⅲ台、Ⅳ台[3]。
水力机械模型试验的质量好坏,在很大程度上取决于其测量技术。要快速、准确地获取试验数据,需要一套可靠、高效的测试系统[4]。
美国National Instruments(NI)公司在测试测量技术上已处于世界领先地位,国内外大多采用其产品实现了各种测试功能。日本日立公司研制的“水力发电设备状态监测系统”以及日本东京电力公司和东芝公司共同研究开发“抽水蓄能发电机组自动监视系统”,均取得了良好成效[5]。
本测试系统选择NI公司的数据采集设备,利用其图形化开发软件LabVIEW设计了一套水力机械试验台测试系统。通过本测试系统软件可以在线实现水力机械模型的各种试验。对混流式、轴流式、贯流式水轮机以及可逆式水泵水轮机模型实现实时、快速和精确数据测量。
2 测试原理
水力机械模型试验,是在保证水轮机过流表面尺寸几何相似的情况下,通过相似换算原理,把模型转轮的试验结果转化为真实转轮的性能数据[6]。水力机械模型试验台如图1所示。
图1 水力机械模型试验台
3 基于LabVIEW的测试软件系统
3.1 程序结构设计
本测试系统软件任务复杂、功能齐全。采用基于事件结构的状态机模式来构建程序框架。该模式结合了队列状态机和事件结构,能快速准确地捕捉用户操作指令,并使软件稳定运行。数据采集任务同用户操作及参数显示分别放置在不同的循环内,这样保证了数据采集的连续性,也使得用户的操作更加准确。程序结构如图2所示。
图2 程序结构图
3.2 测试系统设计
测试系统软件设计包含三部分:一是传感器率定系统,二是数据采集系统,三是后处理系统。测试系统软件的架构如图3所示。
3.2.1 传感器率定系统
在进行数据采集试验之前,为保证传感器量值传递的准确性,需先对其进行率定。通过传感器率定,也即标定,建立真实物理值与电信号之间的匹配关系。测试系统对各种类型传感器的率定功能实现见表1。
3.2.2 数据采集系统
本测试系统数据采集系统可以实现混流式、轴流式、贯流式水轮机以及可逆式水泵水轮机模型的效率、空化、飞逸、蜗壳压差、轴向力、径向力、导叶水力矩、压力脉动、补气、变空化压力脉动、力矩波动、圆筒阀、成像观测试验,对可逆式水泵水轮机还能实现泵工况效率及四象限试验。基于虚拟仪器的测试系统具有移植性好,通用性强,使用方便等特点。具体功能如图4所示。
图3 测试系统软件架构
表1 传感器率定功能
(1)实时采集
数据采集过程中,根据率定结果,测试系统对传感器实时采集来的电信号进行实时转换,并计算出该工况下的各个特性参数,如效率等。考虑到试验系统参数运算量庞大,为方便管理,本测试系统采用 VC编译运算公式,生成动态链接库文件(即DLL文件)。最后采用LabVIEW中的调用库函数节点(CLN)函数,对其进行动态调用。
(2)数据保存
数据存储与分析过程在本系统中得以集成化,这使得试验人员解脱于繁重的事务劳动,从而关注试验本身的问题。进入试验时,系统根据试验项目内容及日期预先自动生成数据存放目录,并根据试验需求设定文件名。为了预防断电等外界不确定因素造成数据丢失,系统自动开辟一数据保存空间动态保存1min内的数据,用于特殊情况下进行数据恢复。
图4 采集试验流程
(3)算例
为了校验数据的准确性,在效率试验中提供了算例功能。点击“算例”按钮,弹出算例电子表格文件。文件中对部分关键参数值进行比对,以验证系统计算结果。算例如图5所示。
图5 算例
(4)历史数据
为了对过往试验数据进行查看与分析,试验人员只需点击“历史数据”按钮即可实现历史数据调取。调取方式可选,分别有追加、重新调取及清空三种。追加为在已有历史数据上增加新的数据;重新调取后只显示新的历史值;若点击取消将清空历史数据。
(5)打印报表
试验结束后,点击“打印预览”,系统弹出按预先模板生成的试验报表。报表样式如图6所示。
图6 报表预览
(6)自动预警
为了更好地监视水库、尾水箱大罐、尾水箱小罐的液位,本测试系统启动自动预警判断功能,给用户提供更好的信息及即时的反馈。如图7所示。
图7 自动预警
3.2.3 后处理系统
数据采集完成后,进入数据后处理系统,可对试验数据进行选择和调整,并生成相应的特性文件,以及绘制出各种特性曲线。
在效率试验中,对转桨式水轮机,一般需对每一桨叶开度下的数据取最优值,生成包络线。最优值的选取方式有三种:取各个开度下的最高效率点;由试验人员根据经验手动选取数据点;程序自动求取,并生成曲线包络。前两种方式易于处理,但是工作量太大、准确度较差。
在第三种情况中可采用控制误差来求解包络线。具体做法为先对每条曲线进行取点,然后对所选数据点进行插值,生成插值曲线。最后判别插值后的曲线是否位于所有曲线上方(即相切,这是理想时的情况),或曲线与每条曲线纵向差距不超过给定的误差,该插值曲线即为所求包络线。如图8所示。
图8 包络线
4 结论
(1)基于美国NI公司LabVIEW软件平台的水力机械测试系统,充分利用了软件本身的强大功能,完成了与水力机械试验台之间数据的实时采集、分析与处理等。
(2)本测试系统,自动化程度高,大大降低了试验人员的工作强度,同时也提高了测试效率,增强了系统稳定性和可靠性。并在此测试系统开发中取得的经验,可在其他模型试验台的测试系统中推广。
[1]赵越, 刘智良, 郭全宝. 确定模型水泵水轮机水泵工况叶片初生空化的声学方法研究[J]. 大电机技术, 2011, (1): 39-45.
[2]陈金霞, 赵越, 覃大清. 哈电高水头试验台(Ⅱ)测试系统的特点[J]. 大电机技术, 2002, (4):47-50.
[3]赵越, 吕延光, 黎辉, 吴可君. 近年来水轮机模型试验技术的发展[J]. 大电机技术, 2010, (1):41-45.
[4]黄豪彩, 杨灿军, 陈道华, 等. 基于 LabVIEW的深海气密采水器测控系统[J]. 仪器仪表学报,2011, 32(1): 40-45.
[5]彭文季.水力机组空蚀在线监测系统的LabVIEW 实现[D]. 昆明: 昆明理工大学,2004.
[6]曹鹍. 水轮机原理及水力设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 1991, (6): 26-106.