基于Visual Basic的水力机械模型试验台测控系统设计

吾买尔·吐尔逊,穆哈西 ,夏庆成,张德虎

(1. 新疆农业大学 水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052;2. 河海大学 能源与电气学院,江苏 南京 210098)

基于Visual Basic的水力机械模型试验台测控系统设计

吾买尔·吐尔逊1,穆哈西1,夏庆成1,张德虎2

(1. 新疆农业大学 水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052;2. 河海大学 能源与电气学院,江苏 南京 210098)

由于自动化程度低的原因,传统的水力机械模型试验台无法实现模型机的稳定运转而产生误差,降低试验数据精度。针对这种情况,利用可编程序控制器及其模块、编程软件Visual Basic开发了水力机械模型试验台测控系统。该系统通过PLC自动控制试验台辅助设备,保证模型机的稳定运转,及时采集实验数据。试验结果表明,原试验台试验数据精度得到明显提高,给水力机械制造厂提供可靠地数据参数。该系统不仅具有操作简单、抗干扰能力强、灵活方便、实用性等特点,而且大大降低由控制试验台辅助设备所引起的试验数据误差。

测控系统;模型试验台;Visual Basic;水力机械；PLC

水能,即水力发电,是一种清洁能源,可再生、无污染、运行费用低,便于进行电力调峰,有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益[1]。水轮机、发电机和变压器是在水电站生产过程中不可缺少的设备。泵与水轮机等水力机械的内部流动现象是十分复杂,难以光靠数学分析方法得到实用结果。科学技术发展的今天,水力机械的不断发展和性能的不断提高与完善,主要还是依靠模型试验取得的。近年来,微型计算机在水力机械的生产和科学研究中得到愈来愈广泛的应用,现在已可用计算机对水力机械的内部流动进行数值模拟,用以替代部分模型试验。这样就可以利用内部流动分析的计算机程序,对各种不同设计参数的组合进行计算,以得到最优方案,并可预估水力机械机器的各种性能,但不能说“数值试验”就可以完全代替模型试验。事实上,由于理论方法尚不完善,存在一定的局限性,水力机械中的很多问题仍然要依靠模型试验来解决,而且计算机的计算结果最终仍然要有模型试验来验证。所以模型试验在目前仍然还是研究水力机械的一个很重要的手段。应用于生产实际中的绝大多数水力机械,其性能都是经过模型试验确定的[2-3]。

1 试验台结构

本模型试验台不但具有过流通道的水流损失小、施工方便、过流能力较高、比转速大以及效率较高等优点，而且以后根据需要亦可更换模型机组,如换成轴流式水轮机、混流式水轮机、斜流式水轮机，也可以将模型水轮机更换成模型水泵,做水泵试验。整个试验台为立式封闭循环系统。主要由供水泵、阀门、循环管道、电磁流量计、压力箱、模型机组与尾水箱等组成[4-6]。试验台系统布置如图1所示。

图1 水力机械多功能模型试验台布置示意图

2 测控系统硬件设计

本系统除了试验数据采集处理外,还要控制1台循环水泵电机、1台测功电机、1台真空泵电机、2台充水泵电机、2台电动闸阀电机、2个排气电磁阀和6个自动阀门,通过控制阀门的开关实现水的流向与流量，来满足模型机的试验要求,其硬件结构框图见图2[7]。

(1) 工业控制计算机。工业控制计算机同一般的个人计算机在硬件上有很大区别,它具有丰富的各种功能的接口板以适应工业控制的各种场合,系统稳定、可靠性高,抗干扰性能高。

(2) 可编程序控制器。可编程序控制器(PLC)是本试验台测试与控制系统的核心,通过它的基本单元来实现试验台电机设备的控制,通过它的通信模块来实现与计算机的串行通信,A/D模块来实现试验数据采集[8]。

(3) 传感器。本试验台装有压差、真空、流量、扭矩、转速等传感器。传感器的选择要保证系统测量精度≤±0.5%。考虑到本实验台对测量值的高精度要求和量程范围,本装置对压力、压差测量均选用了进口压力、压差变送器。

(4) 直流调速系统。它具有高性能的转速和转矩控制,将满足快速响应和控制精度的要求。电枢电流和磁场电流控制环节具有自动调节功能,同时具有完善的过流、过压、故障接地等自诊断功能,可以控制盘或计算机方便地进行故障诊断和检测[9]。

3 测控系统软件设计

本试验台的测控系统软件采用目前较流行的模块化结构,按要求分成几大功能模块,每个模块仅完成相应的任务,再将其集成,这样各模块之间即可单独操作,也可相互调用完成指定功能。用Visual Basic 6.0的编程环境下实现了友好的人机界面[10]。

3.1 参数设置与设备控制界面

参数设置界面主要对模型试验空载运行时,相关传感器的数字量进行保存处理,即确定传感器零点。主要有电磁流量计传感器、差压传感器、真空度传感器和扭矩仪测量器等,从而保证模型试验的灵活性和精度可靠性。其界面如图3所示。做试验之前首先要正确处理参数设置,这样才能保证采集数据的准确。

本系统除了试验数据采集处理外,还要控制1台循环水泵电机、1台测功电机、1台真空泵电机、1台充水泵电机、2台电动闸阀电机、2个排气电磁阀和6个自动阀门，通过软件控制这些设备可以满足模型试验要求,并可有效降低有人误操作引起的误差。

利用Visual Basic语言编写的试验台的PLC与计算机串行通信部分程序代码如下:

′************** 定义变量**************** …… ′通用数据声明部分 Dim outdata() As Byte ′定义PLC发送数组,用来存放转换后的命令数据 Dim Rcv() As Byte ′定义计算机接收数组,用来存放接收到的数据 Dim inString As String ′定义输入命令字符串 Dim SaveString As String ′定义输入命令暂存字符串变量 ′************** 初始化设置**************** ′初始化设置 Private Sub Form_Load() …… With MSComm1 .CommPort = 2 ′选择端口2 .Settings = ″9600,n,8,1″ ′ 9 600 bit/s,无奇偶校验,8位数据位,′ 1位停止位 .InputMode = comInputModeBinary ′以二进制格式读取接收缓冲区 .RThreshold = 1 ′接收到的字符数大于等于1时产生接收事件 .InputLen = 0 ′读出接收缓冲区所有的内容 .OutBufferCount = 0 ′清空发送缓冲区 .OutBufferCount = 0 ′清空接收缓冲区 If Not MSComm1.PortOpen Then MSComm1.PortOpen = True ′打开串口2 Timer1.Interval = 2000 ′设置定时读取PLC的中断时间(ms) Timer1.Enabled = False ′初始化定时读取参数值定时器 End With …… End Sub ′******************* 发送子程序************** Private Sub send(inString As String) ′定义Sub 过程,inString 是形式参数,类型为字符串型 …… SaveString = inString ′保存命令字符串 length = Len(inString) ′求形参传递过来的字符串长度 ReDim outdata(0 To length) As Byte ′重新定义发送数据数组,其元素个数为 length + 1 outdata(0) = &H5 ′命令报文以控制代码 “ENQ”开始 For i = 1 To length ′字符串转换为 ASCII 码,送入发送数组 outdata( i ) = Asc(Mid(inString,i,1)) ′字符串转换为 ASCII 码,送入发送数组 Next i Call FCScheck(outdata) ′产生校验和,形成发送帖 MSComm1.Output = outdata ′发送命令帖 …… End Sub ′******************* 求和校验子程序************** Private Sub FCScheck(outdata() As Byte) ′定义 Sub 过程 …… Dim BufLen As Integer Dim Buf As String Dim i As Integer Dim CheckSum As Long ′定义检验和变量 BufLen=UBound(outdata) ′求 outdata 数组可用的最大下标 CheckSum=0 ′初始化检验和 For i=LBound(outdata)+1 To UBound(outdata) ′求和时不包括开始的控制代码 CheckSum=(CheckSum + outdata(i)) And &HFF ′ 对 outdata 数组的元素求和,只保留低位字节 Next i Buf= IIf (Len (Hex (CheckSum) = 1 ,″0″ & Hex (CheckSum) ,_Hex (CheckSum)) ′若校验和只有1位,则高位填零,补足为 2 位 ReDim Preserve outdata(BufLen + 2) As Byte outdata(BufLen + 1) = Asc(Mid(Buf,1,1)) ′检验和转换为 ASCII 码,低位在前 outdata(BufLen + 2) = Asc(Mid(Buf,2,1)) …… End Sub

图2 水力机械模型试验台测控系统硬件结构框图

图3 水力机械模型试验台测控系统参数设置界面

3.2 数据采集界面

模型试验运行时,相关传感器先把检测到的实际物理量转换成电信号,并送到PLC的模拟量输入输出模块,PLC基本单元中的程序对A/D模块转换的这些数字量进行处理,并通过串行通信程序模块传送到计算机,计算机利用Visual Basic开发的水力机械试验台测控系统,对这些数字量进行进一步处理,把它转换成实际物理量并显示在测控系统的数据采集界面中,采集界面如图4所示。

图4 水力机械模型试验台测控系统数据采集界面

3.3 绘图界面

在水力机械试验中最重要的环节之一,就是根据试验数据绘制模型机的特性曲线。为了实现试验数据处理与绘图自动化,必须利用计算机来代替手工绘制的特性曲线,这样能大大地提高试验的效率[11]。

(1)

式中,ω(i)为区间[a,b]上的权函数，它表示不同点(xi,f(xi))处的数据重复次数ω(xi)≥0。系统绘制界面与处理试验数据后所绘制的效率曲线见图5。

图5 水力机械模型试验台测控系统绘图界面

4 结束语

本装置通过VisualBasic、可编程序控制器和相应传感器实现了水力机械模型试验台的设备控制与试验数据的采集、绘图功能,降低了误差,提高了试验台的自动化程度。其特点主要体现在:一是可靠性高,因PLC本身具有可靠性高,抗干扰能力强,工作稳定性好,有极强的自检及保护功能,再者控制系统的各个子系统相对独立,分别完成不同的控制功能;二是用Visual Basic开发的试验台测控软件具有界面美观、操作方便、实用性强特点,并且能够对其方便地进行扩充。

References)

[1] 吴蕴臻,张秋野,郭海庆.优先发展我国水电能源的思考[J].水利经济,2011(3):28-34.

[2] 郑梦海.泵测试实用技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3] 沙毅,闻建龙.泵与风机[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2005.

[4] 张德虎,廖锐,陈新方.水力机械多功能模型试验台[J].能源研究与利用,2002(4):30-31.

[5] 郑源,李平,陈新方,等.水力机械多功能模型试验台循环管路系统水力设计[J].流体机械,2001(11):16-18.

[6] 郑源,于洋,陈创新,等.水轮机教学试验台的研制[J].实验技术管理,2005,22(2):52-56.

[7] 吾买尔•吐尔逊.水力机械试验台测控系统研究[D].南京:河海大学，2008.

[8] 杨后川.三菱PLC应用100例[M] .北京:电子工业出版社,2009:15-48.

[9] 黄永红.电气控制与PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2010:18-32.

[10] 李江全.案例解说Visual Basic典型控制应用[M].北京:电子工业出版社,2011:25-72.

[11] 李春雨.计算机图形学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009:14-52.

Design of measurement and control system of multi-function hydraulic machinery model test bed based on Visual Basic

Wumaier·Tuerxun1， Mu Haxi1， Xia Qingcheng1， Zhang Dehu2

(1. College of hydraulic and civil engineering of Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2. College of Energy and Electrical Engineering of Hohai University,Nanjing 210098,China)

According to multi-function,high precision and degree of automation of a model test bed,the high precision experimental data can be obtained, which is easy to control the structure of complex equipment. Based on MCGS configuration software, the monitoring system of this device is developed. This system is easy to use,flexible and practical. Using this system,the experimental data error can be effectively reduced that has been caused by artificial misuse of test bed auxiliary equipment.

measuring and controlling system;model test bed; Visual Basic;hydraulic machinery;PLC

2014- 05- 26 修改日期：2014- 07- 02

国家自然科学基金项目(41361061)；新疆水利水电重点学科资助

吾买尔·吐尔逊(1980—),男，维吾尔族，新疆吐鲁番，工学硕士，讲师，主要从事计算机控制系统开发方面的教学与研究.

E-mail：wapadar214@163.com

TK730.3;TP273

A

1002-4956(2015)1- 0100- 04