大型水轮发电机通风模拟试验台新型测控系统设计与实现

梁 彬，孙玉田，王洪泉，韩 波，胡丽杰，于 涛，安志华



大型水轮发电机通风模拟试验台新型测控系统设计与实现

梁 彬，孙玉田，王洪泉，韩 波，胡丽杰，于 涛，安志华

（水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），哈尔滨 150040）

针对大型水轮发电机通风模拟试验要求，设计并提供了一种基于远程控制技术、虚拟仪器技术、PXI技术的先进的、功能完善的测控系统，并在文中论述了该测控系统的设计方案及其实现方法。该测控系统实现了大型水轮发电机通风模拟试验的自动控制与测量，试验结果表明，该系统具有测量与控制精度高、实时性、稳定性高以及抗干扰能力强等优点。

水轮发电机；通风模拟试验；通风损耗；无线遥测扭矩测量；PXI技术

0 前言

近年来，我国水轮发电机组单机容量迅速提高，已经迈向百万大关，发电机的冷却结构是否能满足机组安全运行，是否能使各个发热部位的温度控制在合理范围内，是能否提高单机容量并安全运行的最为关键的研究内容之一。为此，根据相似性原理，以真机作为缩小模拟对象建立的具有相似性的通风模型，就成为研究水轮发电机通风冷却系统关键参数的可靠性及掌握风路循环规律的有效方法。通风模拟试验不但可以验证理论计算结果，而且可以通过模拟真机状态来获取近似真机状况的真实数据，验证水轮发电机所采用的通风方式的设计方案是否可靠合理，同时还能够对通风冷却系统进行优化和改进。

因此，模拟试验中，对各相关部位的风速、风压、风量以及通风损耗等重要参数真实可靠的测试就成为模拟试验成功与否的关键。采用有效的测试方法并建立基于虚拟仪器技术、远程控制技术和PXI总线技术的通风模拟试验台测控系统是取得这些关键参数的有效手段。本测控系统在多项大型水轮发电机通风模拟试验基础上提炼总结并日趋完善，适用于各种高容量结构形式的抽水蓄能机组、大型水轮发电机组的通风系统模拟试验。本文以深圳抽水蓄能电站、丰宁抽水蓄能电站等发电电动机通风模拟试验为依托，设计出满足通风模拟试验台测控系统要求的软硬件结构并实现其测控功能。

1 测控系统的硬件构成与实现的功能

模型机组各相关部位的风速、风压、风量以及通风损耗等参数是大型水轮发电机通风模拟试验过程中需要测试的重要参数，也是分析冷却系统性能的关键。这些参数相应的测点多达百点以上，随着机组结构型式的不同以及研究的需要，测点数还会有相应的增加与调整，并且为控制试验进程达到符合要求的工况，在试验过程中还需要控制变频电源功率输出，以及对转速实现实时监测。为此，测控系统采用现场采集上位远程控制的方式，以目前主流的PXI总线的仪器测试平台为核心，建立现场柜体结构，将气动部件、传感器件、转换器件、采集单元有效地集成在具有电磁屏蔽效果的控制柜内，与远在控制间内的上位计算机系统共同组成基于PC技术的平台，面向仪器系统的具有远程控制功能的PXI测控系统，同时也避免了长距离接线的繁琐与信号长距离传输过程中易受到干扰的影响，为大型水轮发电机通风模拟试验系统提供了测量与自动化控制的高扩展性、高度集成化、高坚固性、低成本的配置方案。测控系统现场测控柜和柜内器件布置情况如图1所示。

图1 测控系统现场测控柜和柜内器件布置图

基于测控系统的构成方式，该测控系统可以实现以下主要功能：（1）实现测控系统的PCI-PXI远程控制；（2）实现试验系统中为拖动电机提供变频电源的变频器数字化控制；（3）测量通风模型定子各风沟风速；（4）测量通风模型冷却器前、后及上、下风道静压力；（5）测量通风模型各冷却器出风风速及模型产生的总风量；（6）实时测量获取模型转速；（7）精确测量通风损耗；（8）转子风速测试；（9）实现现场大屏幕关键参数实时显示；（10）软件实现仪器控制、试验进程控制以及数据的存储、处理、分析、显示以及试验报告的形成等。测控系统功能及结构框图如图2所示。

1.1 测控系统的PC-PXI远程控制的实现

主控计算机与现场设备距离远，为实现系统的简洁可靠、抗干扰能力强，系统采用PCI-PXI远程控制、光缆传输的方法。不再需要将测点信号通过长距离引线接到主控室，而是采用NI公司的MXI工具包NI PXI-PCI8336，通过主控计算机的PCI插槽, 实现PC对现场PXI设备的直接控制。MXI是多系统延伸接口，实际上是多路并行总线架构MXIbus的一种简称，主要用于仪器间的高速通信。在本测控系统的MXI总线采用MXI-4技术，构成的控制卡性价比高，无需额外的编程，只需要在NI MAX中将相应的PXI系统加载到其中，即可通过MAX或者自行开发的上位机测控软件控制PXI系统进行工作，为现场PXI系统提供高达110MB/s的实际带宽，响应速度快，适宜进行系统控制与大容量的数据交换，而且能够与本测控系统采用的LabVIEW图形化开发环境、NI TestStand测试管理软件交互式测量环境等无缝地协同工作。

图2 测控系统功能及结构框图

1.2 静压及风沟风速测量的硬件实现

定子风沟所处的位置不同，空气流动的状况也有所不同，为验证定、转子风沟布置是否合理，确保发电机定子铁心轴向温度的均匀，各定子风沟入口的静压及定子风沟风速沿轴向分布规律是研究的重点。定子风沟静压和风速的测试部分由静压管、毕托管、差压变送器、集气罐、电磁阀、PXI电流卡、PXI继电器卡、硅胶管共同组成气路与测试通道。

系统需要测试的定子风沟静压与风沟风速测点多达几十甚至上百点，每个测点的测试都选用一组传感器件是不现实的，因此在系统中采用九进一出的集气罐，将与测点数目相同的电磁阀分组接进相应的集气罐，集气罐的出口用硅胶管与变送器相连，共同组成多组气路与测试通路。上位计算机通过PCI-PXI远程控制 PXI继电器卡切换多组电磁阀动作形成多组气体通路转换，从而实现多达百点以上静压和风沟风速测点的数据采集。定子入口、出口、冷却器静压及定子风沟风速测量原理如图3所示。

图3 定子入口、出口、冷却器静压及定子风沟风速测量原理

通常情况下，测试静压与测试风速的传感器会选择压力变送器与差压变送器，但是由于机组的静压通常很低，数量级会在几十帕至几百帕之间，常规的压力变送器的量程都在几千帕以上，为准确测量定子风沟静压，本测控系统选择罗斯蒙特公司（ROSEMOUNT）生产的微差压变送器作为测试静压和风沟风速的传感器件。由于采用差压变送器测试静压时，负压接口需要开放，因此会受到周围环境气流的影响，为避免环境的影响，将差压传感器组放置在气流变化较小的相对封闭的空间内，经过试验验证，选用差压变送器测试静压力是可行的，完全达到了预期效果。

1.3 通风模拟试验系统通风损耗的硬件实现

通风损耗的高低是通风系统性能好坏的重要标志之一。因此，如何准确可靠地获取通风损耗测量数据就成为通风模拟试验中的一项重要工作。

获取通风损耗的过程实际就是测试轴系动态扭矩的过程，通过扭矩测量技术测量出轴系的扭矩，经过计算取得相应的轴功率，轴功率包括通风损耗和轴承损耗，测量值减去轴承损耗就得到我们所需的通风损耗。本系统选取美国Binsfeld公司的TT10K扭矩遥测系统作为测试扭矩的关键器件。

TT10K扭矩遥测系统是应变类扭矩测量仪器，采用的是无线通讯传输方式：将扭矩应变信号在旋转轴上放大并将取得的电压信号转换成数字信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上的发射器上发射至轴外，在轴外用无线接收器无线电接收的方法，得到相应扭矩电压信号，PXI电压卡进行扭矩电压信号数据采集，再经过上位计算机的换算求得对应的功率。这种采用无线扭矩测量方法的扭矩传感器安装简便，适用于任何尺寸的轴系，无需拆卸或者修改轴系机械结构，对于大型水轮发电机通风系统研究而言，新型产品的研制开发与投标进行通风系统的模拟试验验证是最有效直观的方式。通风系统结构的不同也意味着每个类型产品的试验会采用直径尺寸结构型式不同的轴系，因此这种无需改动机械结构、测量信号稳定、高精度的无线遥测扭矩测量方式无疑是我们最好的选择。无线扭矩测量原理如图4 所示。

图4 无线扭矩测量原理图

2 测控系统软件设计与实现

本测控系统基于虚拟仪器技术，利用高性能的模块化硬件，在LabVIEW开发平台编制出高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果实时显示给用户。

2.1 Labview简介

LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境,是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，结合前面板与流程图式的编程方法，它将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，形成用户自定义的解决方案，成为专门数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，使创建的程序模块化，易于调试，理解和维护，而且程序编程简单、直观，因此特别适用于数据采集处理系统。

2.2 测控系统软件设计与实现

LabVIEW中开发程序包括前面板和程序框图两部分。前面板即图形化用户界面，其特点是模拟传统仪器的操作显示面板，显示直观，形象。测控系统的用户界面包括：主控界面、定子风沟入口静压力显示界面、定子风沟出口静压力显示界面、冷却器静压力显示界面、定子风沟风速显示界面、转子风速测控界面以及总风量测试显示界面等用户界面。各界面上有交互式的输入和输出两类控件，实现系统过程控制，以及对系统中各种仪器的控制、数据采集、分析、存储、显示等各种功能。测控系统主控界面如图5所示。

图5 测控系统主控界面

软件编制采用多线程技术，并使用状态机和事件结构相结合的模式，程序的主体占用一个线程，并采用状态机结构，在主程序状态分子中执行对各类仪器的控制以及数据采集、分析、显示等主要功能。与主体并列的线程中有一个处于循环体中运行的事件结构，该事件结构执行通风模拟试验过程控制。这种结构方式综合了状态机和事件结构的优点，有效地克服了长时间占用CPU资源的问题，同时使程序的构成及运行变得高效而灵活。电磁阀控制程序框图如图6所示。

图6 电磁阀控制程序框图

3 试验结果

水轮发电机通风模拟试验台新型测控系统已分别应用在深圳抽水蓄能电站、丰宁抽水蓄能电站的发电电动机通风模型的试验中，图7、8所示均为丰宁发电电动机通风模型在150r/min工况下取得的主要试验数据。图7为总风量、各冷却器出风风速、上下风道风速等关键参数数据，图8为定子风沟出口静压力数据。

图7 总风量、各冷却器出风风速、上下风道风速

图8 定子风沟出口静压力

试验结果表明，该测控系统具有稳定性好、测量与控制精度高、实时性好以及抗干扰能力强等优点，达到了预期的设计要求。

4 结论

本文通过分析系统所要实现的功能和结构，设计并实现了基于先进的虚拟仪器技术、PXI技术、远程控制技术且功能完善的水轮发电机通风模拟试验台新型测控系统。该系统实现了大型水轮发电机通风模拟试验的自动控制与测量功能。该测控系统已经成功运用到深圳抽水蓄能电站、丰宁抽水蓄能电站的发电电动机通风模拟试验中，试验结果表明，该系统具有测量与控制精度高、实时性、稳定性高以及抗干扰能力强等优点，完全适用于各种容量及结构形式的大型水轮发电机通风模拟试验中，能够为大型水轮发电机组通风冷却系统设计提供有效的试验验证。

[1] 阮奇桢. 我和LabVIEW:一个NI工程师的十年编程经验[M]. 北京航空航天大学出版社, 2009.

[2] National Instruments Corporation. LabVIEW Basic Ⅰ: Introduction Course Manual[M]. 2008.

[3] JJG 557-2011标准扭矩仪[S]. 中国标准出版社, 2012.

[4] 吴忠智, 黄立培, 吴加林. 调速用变频器及配套设备选用指南.第2版[M]. 机械工业出版社, 2006.

[5] 王磊, 陶梅. 精通LabVIEW 8.0[M]. 电子工业出版社, 2007.

[6] 雷勇. 虚拟仪器设计与实践[M]. 电子工业出版社, 2005.

Design and Realization of a New Type of Measurement and Control System for the Hydro-generator Ventilation Simulation Test Stand

LIANG Bin, SUN Yutian, WANG Hongquan, HAN Bo, HU Lijie, YU Tao, AN Zhihua

(State Key Laboratory of Hydro-power Equipment (HILEM), Harbin 150040, China)

For Large Hydro-generator ventilation simulation test requirements, an advanced control system based on remote control technology, virtual instrument, PXI Technology with perfect function of measurement is designed and provided. The design scheme of the control system and implementation method are described in the paper. Automatic measurements and controls in ventilation simulation tests for large hydro-generators is realized by the system. The test results show that the system has high precision and real-time performance, high stability and strong anti-jamming capability.

hydro-generators; ventilation simulation test; ventilation loss; wireless telemetry torque measurement; PXI technology

TM301.4+1

B

1000-3983(2017)04-0062-04

2016-10-14

梁彬（1972-），1997年毕业于东北重型机械学院，现从事电机测试专业，高级工程师。