燃气轮机下部传动箱试验台测控系统设计

吴一鸣， 贾新旺， 缪晨炜， 周 杰

(中国船舶集团有限公司第七〇三研究所无锡分部，江苏 无锡 214151)

下部传动箱是燃气轮机关键部件之一，起到重要的扭矩传递和驱动燃、滑油泵作用[1]。研究下部传动箱耐久性对其改进设计具有重大意义，但目前少有科研机构对燃气轮机下部传动箱进行单部件试验，多是按生产工艺要求进行加工装配后随燃气轮机整机进行试验。整机试验方式运行维护成本高、可获取参数少，因此研制了燃气轮机下部传动箱单部件耐久性试验台。单部件试验须要模拟燃气轮机多个工况运行情况，若手动操作，长周期多工况切换运行将投入大量人力，且难以快速响应报警信息及同时加载两侧负载。针对上述情况，研发了一套基于LabView和PLC的下部传动箱耐久性试验台测控系统，满足试验任务要求，具有自动化程度高、操作便捷、稳定可靠等优点。

1 试验台设备

试验台主要设备如图1所示，其基本工作原理为：起动阶段由辅变频电机直接驱动下部传动箱，当到达一定转速后，下部传动箱离合器脱开，辅变频电机退出工作，由主变频电机通过增速齿轮箱间接驱动；下部传动箱输入转速到达工况后，两侧1#、2#电涡流测功器加载至相应负载，变工况过程中卸载两侧负载；扭矩传感器用于测量下部传动箱输入轴转速和扭矩；下部传动箱运转所需的润滑油由外置供回油泵保障，油温、油压等数据由相应类型传感器测定。

图1 主要设备布置示意

2 测控系统

2.1 硬件配置

测控系统由工控机、交换机、PLC、信号转换隔离模块、电涡流测功器控制器、主/辅电机变频器、振动监测组件和各类传感器等硬件设备以及测控软件组成，从而实现自动调节工况、自动加/卸载负载、数据的采集显示和存储、实时报警等功能。图2为下部传动箱试验台测控系统硬件构成。

图2 下部传动箱试验台测控系统硬件构成

工控机作为整个测控系统的核心控制单元，与PLC、变频器和电涡流测功器控制器通讯完成数据上传和命令下达。人机交互界面基于LabView平台开发，用于实现输入控制命令、监测实时参数、显示测试数据、查询历史数据等功能。模拟量信号模块用于接收压力、温度、液位信号和经振动监测组件处理后的振动信号，再通过串口通讯将数据输出至LabView；数字量输入信号模块用于接收供/回油泵就地远传、启停和有无故障等反馈信号，数字量输出模块用于输出指示灯开关、供/回油泵启停等控制信号。

工控机选用研华品牌，内存配置4G以上，彩色液晶显示器分辨率1 920×1 200。工控机完成数据处理、显示、试验过程管理、人机交互界面等工作。

电涡流测功器控制器可手动控制/通讯控制完成电涡流测功器的加、减载操作，通讯远程显示功率、运行参数等信息。

PLC硬件结构与计算机相似，也有CPU模块、电源模块、通讯模块、输入/输出模块、存储器等，但它有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言[2]。本系统选用西门子S7-1500系列PLC，与工控机实时通讯，完成数据上传和命令下达。PLC作为下位机直接控制试验系统启停、供/回油泵启停；通过网线连接两个变频电机控制器，分别控制主/辅变频电机起动、停止、变转速，并采集其反馈数据；通过网线连接两个电涡流测功器控制器通讯，控制两台电涡流测功器的起动、停止、变参数；电涡流测功器的扭矩和转速数据由电涡流测功器控制器完成采集后，发送给PLC。

主/辅变频电机控制器采用西门子G120系列，配置一定功率的制动电阻，用于变频电机的快速制动，满足试验台的机动性要求。

2.2 测控系统抗干扰设计

试验台含有2台变频电机和电涡流测功器，运行时会产生较强的谐波，对其他设备产生干扰。另外由于该试验台周边还有其他多个设备台位同时运行，因此测控系统设计和施工过程均要采取抗干扰措施：(1) 金属柜子连接处必须具有良好的表面接触并且通过屏蔽网或其金属表面可靠接地；(2) 各设备均应设置可靠的标准抗干扰接地线；(3) 信号电缆和动力电缆需分开布线，至少要保持20 cm以上的间距，如果条件允许的话可以在它们之间采用绝缘板；(4) 各信号电缆均带屏蔽层，且其两端必须通过尽可能大的表面区域可靠接地。

2.3 软件设计

2.3.1 PLC程序设计

PLC程序是下部传动箱试验台测控系统的核心单元，具备以下功能：

(1) 接收工控机命令，控制相关设备完成试验。

(2) 对试验台各传感器信号进行数据采集，实时上传至上位机。

(3) 内部设置起动联锁、一级保护、三级保护等逻辑，向工控机发送起动联锁通过标志位、正常起动标志位、一级保护标志位、三级保护标志位等，作为控制反馈。

(4) PLC与工控机实时通讯，接收上位程序的开始、停止、变工况、紧急停止、复位等指令，实时响应。

(5) PLC根据工控机指令，对变频电机、电涡流测功器等进行闭环控制，实现快速、精确的转速调节、功率调节。实时反馈各设备扭矩、转速数据及运行状态并发送至上位机。

(6) 正常起动运行时绿灯亮，正常停机绿灯灭；判断不满足工况条件时，三级报警触发远程警报器黄灯并发送至工控机，一级报警触发远程警报器红灯并紧急停机。

(7) 通讯状态实时检测，将各外围设备与PLC通讯状态发送给工控机。如果通讯失败，则触发远程警报器黄灯。

以试验台起动为例，其PLC逻辑如图3所示。开始后，系统进入初始化，并判断联锁条件是否具备；联锁通过后，首先起动辅助变频电机，转速升至设定值N0以上时，起动主变频电机；主电机转速升至设定值N1后，辅助变频电机退出工作；电机反馈正常后，主变频电机转速升至第一个工况点，起动成功。

图3 PLC起动逻辑框图

2.3.2 LabView程序设计

LabView可视化技术的人机交互性界面更直观，且具有丰富的库函数和应用子程序、强大的信号分析与数学计算能力等优点，使它成为最具代表性的图形化编程开发平台[3-4]。下部传动箱控制系统采用LabView进行工控机编程，主要包括初始设置、功能调用、试验参数监测显示、试验控制。

(1) 初始设置包括下部传动箱编号、滑油密度、图谱数等。

(2) 功能调用包括图谱编辑、通讯设置、打印报表、联锁列表、数据查询。其中图谱编辑是设置一个图谱各工况顺序及运行时间；数据查询是调用MYSQL Sever数据库，可以生成、导出试验数据，便于查看、打印或拷贝。

(3) 试验参数监测显示运行参数实时变化，包括运行时间、图谱数、工况点以及试验台各传感器、设备运行参数。同时显示报警信息，当运行参数超出报警值设定时，相应的报警信息将显示在报警列表中，便于运行人员及时研判。

(4) 试验控制包括起动、停止、暂停试验按钮选择，以及手动控制下部传动箱空载运行。

3 应用及验证

为了验证下部传动箱耐久性试验台测控系统的稳定性、测试精度，进行下部传动箱耐久性试验。

经试验运行获取的各工况转速、功率参数如图4所示。与试验要求的标准图谱各工况对应的主变频电机转速、1#和2#电涡流测功器功率数据对比，如表1所示。其中最大偏差是指实际数值与标准数值差值的绝对值最大时实际数值大小。各工况中主变频电机转速最大偏差度为0.11%，两台测功器功率最大偏差度分别为1.72%、0.75%，均在试验允许范围内。验证说明了该测试系统能满足燃气轮机下部传动箱耐久性试验。

(a) 主变频电机转速随时间变化

表1 标准-实际工况偏差分析

4 结论

为实现燃气轮机下部传动箱单部件耐久性试验，设计、应用、验证了一套自动化程度高，可克服手动无法同时加载两侧负载，且节约人力资源的测控系统，该系统是基于PLC和LabView实现的，具有人机交互性强、测试精度高、实时监控试验台及数据调取功能。目前该系统已累计完成约2 000 h运行，进一步证明了系统稳定可靠，满足试验任务需求。