基于 Labview 上位机软件的涡轮增压器试验台开发

张力，路林吉

基于 Labview 上位机软件的涡轮增压器试验台开发

张力，路林吉

本文通过研读涡轮增压器试验台的文献资料，了解相关行业标准和研究国内传统涡轮增压器试验台的结构布局，提出了关于设计本试验台和测控系统新的思路：使用了抗干扰能力强、适用于工业现场的数字显示仪表，和功能强大、使用方便、可靠性强、维修简便的 PLC 电气控制系统，以及可视性强、图形表现能力强、编程易懂、操作方便的 Labview 上位机软件系统，融合了计算机技术、网络通信技术，在 Labview 中完成了测试台系统对涡轮增压器的各个参数进行测量、分析、显示和存储的功能，通过对试验结果的分析表明：测试台工作正常，实验数据合理，与以往测试台相比，实现了测试过程全自动化的要求，节省了大量人力。

涡轮增压器；测试台；电气控制；Labview；全自动化

0 引言

直接影响到对涡轮增压器性能的判断结果[3][4]。

当今世界诸多国家都在不断提高汽车排放的标准，“高效，节能，减排”已成为汽车发动机技术发展的主要关注点；采用涡轮增压器技术可以大幅度提高汽车发动机的燃烧效率，节省燃油和改善排放性能，是实现这一目标的重要手段。国内涡轮增压器产业随涡轮增压器市场需求量的不断增大，也在随之不断发展和扩大。

目前，我国对于增压器的研究在其性能、匹配技术、中冷技术等方面正在完善过程中，而且也在积极进行对于新型的增压系统的研发。随着汽油机的平均有效压力和增压器的增压比不断提高，需要对增压系统进行充分研究，从试验中获得汽油压气机和涡轮的性能数据，以便整改涡轮增压器的设计，得到性能最优的机型，使得增压系统与汽油机更好地匹配。所以对涡轮增压器试验台的研究越来越有必要[1][2]。

在研究和开发增压器的过程中，需要通过试验获得压气机和涡轮的相关数据，以便了解其性能，并进行改进。对于一个涡轮增压器，衡量其性能好坏的主要指标包括气压比、流量、振动、噪声、效率等。这些参数分别由涡轮增压器测试台系统中的压力、流量、振动、噪声等传感器直接测得或间接运算获得，所以，试验中所获得的这些数据的测量精度

1 系统结构和原理

本文描述的涡轮增压器测控系统的总体设计方案图1所示：

图1 涡轮增压器测控系统的总体设计方案

它由3部分组成：

(1)控制系统：对现场的执行机构进行操作与控制，包括电机、阀门、夹具、接头等；

(2)检测与显示：采用高精度传感器与数字显示仪表对增压器的温度、压力、转速等参数进行检测与显示；并具有报警输出，通过控制系统控制现场执行机构。

(3)计算机测试：现场采集到的数据通过数显仪表的通信接口与计算机连接，将数据传入计算机中，由计算机对数据进行记录、储存，形成实时报表和历史报表，供查阅与打印。

对涡轮的测控原理为：压缩空气经单向阀后通过线性调节阀调节进入涡轮增压器的气体压力和流量，经过温度传感器和压力传感器分别测量气体温度和压力，再经单向阀后进入涡轮增压器。转速传感器将测量涡轮转速。当涡轮转速超限时放气阀将动作以降低转速。加速度传感器用于测量涡轮增压器的振动，以了解涡轮增压器是否发生喘振。排出的气体经夹管阀后经消声器排到大气中。中间有一压力传感器用于测量排气背压。

对压气机的测控原理为：空气经滤清器后经过流量计和夹管阀进入压气机，由涡轮带动压气机对进气进行压缩，压缩后气体经过夹管阀和线性调节阀，线性调节阀可以控制压缩空气的流量和压力，后经单向阀和消声器排到大气中，中间有温度传感器和压力传感器分别测量压缩气体的温度和压力[5]。

2 测试参数

该系统测试的主要参数可分为以下几种类型：

（1）压力参数：如压气机进出口压力、涡轮进出口压力、流量计前后压差、润滑油压力、冷却水压力等；（2）温度参数：主要有压气机进出口温度、涡轮进出口温度、流量计前温度、润滑油进出口温度、冷却水进出口温度等；（3）转速：现有增压器最高试验转速可达 100000r/min 以上，而且测试工况点都在规定的折合转速下进行。由于试验数据的测量点是在某一稳定转速的工况下测得的，所以压气机转速的测量精度对压气机性能影响较大，因此对转速测量要求有较高的精度和灵敏度；（4）振动和噪声：涡轮增压器是一个高速运转的部件，对其机组的振动和噪声要求也是重要参数；（5）流量：可以利用流量计测得的压力及温度值当作压气机进口的压力和温度，流量测试所得数据可用于压气机和增压器性能的测算。

3 系统测试流程

系统测试的具体操作流程如下：

1 给设备供电：供气电磁阀打开，在气源压力作用下检测台气源压力继电器连通，开始为系统供电。启动液压泵站：温度到达设定值，润滑泵站开始启动。

自动检测

（1）测试前准备工作：检测台内所有气缸复位后，按门前双联开关，这时检测门开启，门气缸形成开关原位，安全门开关解锁。

（2）循环过程：

a.扫描：使用条码枪手工读入条形代码；

b.连接：手动将涡轮增压器放置到夹具上，涡轮增压器各部件夹紧到位；

c.润滑：气动机油泵向涡轮增压器中间体轴承供润滑油2s 以上;

d.采集数据：此时系统开始工作采集润滑系统特征参数、蜗壳端和压气机端的进出口气压力、温度，流量等参数，以及采集增压器本体的振动、压力波动、叶轮转速等参数噪音检测，并将数据存储在工控机内。

e. 涡轮增压器各项性能参数测试：包括压力、温度、流量、转速、振动、噪声等；

f. 吹气：吹气持续约 10s，清扫回路；

g．系统复位。

具体流程图如2所示：

图2 系统操作流程图

由上述流程图可以看出，系统的测试流程除了手动扫描和连接步骤外，其他步骤均是由系统在电气控制下自动完成的。这个自动化过程的实现节省了工人大量的劳动力，避免了人工读数的误差，为涡轮增压器的出厂性能提供了良好的保障。

4 测试界面及结果示例

上位机 labview 的操作界面如图3，4 所示：

图3 测试界面示例

图4 原始数据界面示例

这些曲线的数据分别由压力变送器、流量传感器、温度传感器和位移传感器测得，并将信号传送给 PLC，再经过OPC 服务器传送至上位机，由 Labview 最终显示出来。

数据采集与保存结束后，程序进入测试结果列表界面，操作者可以点击界面右上侧的选择框来浏览相应的测试曲线，或点击合格或不合格显示灯，来查看相应的数据曲线。数据分析的界面如图5所示：

图5 数据分析界面照片示例

主要包括的是各项测试经过分析判断后是否合格的控件。如“噪声频域测试”控件，在测试合格时会显示文本“PASS”和绿色；当测试不合格时会显示文本“FAIL”和红色。当“噪声频域测试”、“噪声时域测试”、“振动频域测试”、“振动时域测试”均通过时，“NVH 测试结果”将显示为绿色，“NVH 测试状态”将显示文本“噪声振动测试通过！”；反之，则分别显示为红色和“噪声振动测试不通过！”。当NVH测试结果和下面的压力、流量、温度等矩形控件全都显示通过时，界面上方的测试结果（圆形控件）才会显示合格/绿色，否则显示不合格/红色。

5 结论

基于 PLC 电气控制系统和 Labview 上位机软件开发出来的涡轮增压器性能测试系统实现了对试验台的液压气动控制，并对涡轮增压器运作过程中的各个参数进行了测量、采集、分析和存储。比起传统的涡轮增压器试验台，本测试台该系统与以往测试台不同，融合了计算机技术、网络技术，通过电气控制系统来控制液压系统，实现了除去手动扫描条形码和装工件外的操作流程全自动化的功能要求，大大节省了工厂检验工件的人力物力，且集成化、一体化的设计达到了小型化、设计简化、安装维护方便等目的，具有系统结构简单，可靠性高、测试精度高，操作简单、维护容易等特点。

[1] 周虹伟,涡轮增压器主要部件结构特性及改进研究,[J]中国铁道科学,2004,25(2),72-76

[2] 樊永贞,浅谈汽油机涡轮增压器的作用与使用方法, [J]黑龙江科技信息,2010(5),28

[3] 王红莲,基于虚拟仪器的相继增压热动力试验台测控系统设计[D],哈尔滨工程大学 2009:13-15

[4] 高潮,汽油机涡轮增压测量分析系统研制与试验研究[D],武汉理工大学,2006,5

[5] 钟华贵,刘坤,文国治,车用涡轮增压器试验台与试验技术, [J]燃气涡轮试验与研究 2003,16(4):37-44

[6] THEODOSIOS K,KORKIANITIS T Turbocharger design effects on gasoline-engine [J]performance,2005(3):30

[7] 钟华贵,车用涡轮增压器试验台与试验技术,燃气涡轮试验与研究,2003(04):37-40

Research on The Test Bench of Turbocharger Based on Labview

Zhang Li, Lu Linji
(Department of Automation, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

By studying the relative industry standards, documentation and reference structures and layouts of traditional domestic or foreign turbocharger test benches, a new idea was put forward about the design and research of the test bench. The digital display electrical instruments we use are strong in anti-interference, suitable for industrial field. The PLC electrical control system we apply is powerful, easy to operate, reliable, and easy to maintain. The Labview PC software we use has high visibility, strong graphics performance capabilities, and it’s easy to program, understand and operate. The new test bench system, with the integration of computer technology, network communication technology, has a simple structure, high reliability, high precision, simple operation and easy maintenance. The analysis of the test results showed that: the test bench works normally, the experimental data is reasonable, and much labor was saved because of the full automation.

Turbocharger; Test Bench; Electric Control; Labview; Full Automation

TP311

A

1007-757X(2014)02-0050-03

2014.02.14)

张 力（1990-）安庆，上海交通大学自动化系，硕士研究生，研究方向：控制工程，上海，200240路林吉（1963-）男，上海交通大学自动化系，副教授，研究方向：工业自动化系统设计，数字图像处理技术及应用，上海，200240