基于虚拟测试技术的风机状态测试系统的设计.docx
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基于虚拟测试技术的风机状态测试系统的设计
第一章概述
风机使用面广，种类繁多，遍及国民经济的各部门，利用风机产生的气流做介质进行工作，可实现清选、分离、加热烘干、物料输送、通风换气、除尘降温等多种工作。
所以，在我国的冶金、有色金属、化工、建材和煤炭等部门，风机得到了广泛地应用。
风机的工作是以输送流量、产生全压、所需功率及效率来体现的，这些工作参数之间存在着相应的关系，当流量与转速变化时，会引起其他参数相应的变化。
为了正确选择、使用风机[1]，必须了解这些参数间的相互关系。
由于风机理论至今仍欠完善，所以风机状态参数的获取主要依赖于状态试验。
风机状态测试试验是在风机转速不变的情况卜，改变风机的流量，检测风机各状态参数，并绘制状态曲线的过程。
目前，风机用户为了提高经济效益，在选择风机时对它的各项状态指标提出了更为严格的要求，如压力，流量，转速，功率，噪声，可靠性等。
同时，风机生产厂家为了提高产品的竞争能力，在努力改进气动设计，提高机械加工的同时，也对风机状态试验的研究和开发给予了高度的重视。
由此可见，风机状态试验对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，状态试验尤为重要。
长期以来，我国的风机测试手段比较落后，主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工绘制曲线为主，存在测量手段落后，测量精度不高和劳动强度大等缺点[2]。
随着电子技术和计算机技术的发展，我国工业自动化程度越来越高，使得风机参数的自动采集成为可能。
近年来，我国少数单位在通风机测试技术方面有了新的研究或使用了微型计算机[3]，但他们有的测试参数不完全，只能完成某一部分的测试任务;有的测试系统庞大而复杂，不能作为通用系统得以推广。
所以，目前在国家标准的基础上，如何利用高新科技手段实现风机状态的自动检测与分析已成为国内多数风机生产厂家及风机研究单位的迫切需要[4]。
现代科学技术的进步以计算机技术的进步为代表，不断更新的计算机技术从各个层面上影响、引导各行各业的技术更新。
基于计算机技术的虚拟仪器以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。
虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采集为主的测试系统构造方法的进化，过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟仪器系统的概念下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。
虚拟仪器技术能充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。
应用虚拟仪器技术，可以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。
[5‘6]
所以，为提高风机状态试验测试系统的状态，并考虑到风机生产厂家及科研院所的实际需求，本课题采用在现有风机状态试验台的基础上利用计算机技术、电子技术、仪器技术的结合（即虚拟仪器），设计一种具有如下特点的计算机辅助风机状态自动测试与分析系统。
（1）自动采集风机状态试验数据，且各项参数指标达到国家规定标准[7]。
（2）自动控制风机转速。
（3）自动进行数据处理，且实现数据的存储、打印、查询等功能。
（4）自动绘制风机状态曲线。
（5）系统界面友好，操作方便，便于用户使用。
第二章系统总体方案的确定
2.1风机状态试验方法
由于风机内部流体运动的复杂性，至今还不能用理论的方法精确计算出它的各种损失，因而不能正确的计算出各种状态参数，所以用计算的方法得到的状态曲线与实际工作状态曲线之间存在较大差异，特别是对于非设计工况，计算值与实际值的误差更大。
因此，风机的工作状态参数由试验得到，试验的目的在于确定工作状态曲线，从而确定风机的工作范围，以便向用户提供可靠的使用数据。
2.1.1风机状态参数[8‘9]
风机状态试验装置分为风室式和风管式两类。
风室式试验装置由流量测试管路、风室、辅助通风机、流量调节器和整流器等组成，根据腔室与通风机进口和出口的连接方式不同，分为进气风室和出气风室两种试验装置;风管式试验由测试管路、流量调节装置、整流装置及锥形连接管等组成，根据试验管路与通风机进气口和出气口的连接方式不同，分为进气、出气、进出气三种试验装置。
（l）进气试验:
这种布置形式只在风机进口装设管道，如图2一1所示。
气体从集流器l进入吸风管道2，再流入叶轮3，在管道进口处装有调节风量用的锥形节流门4，并在吸风管道中放置测量流量用的毕托管5和静压测管6。
（2）排气试验:
这种布置形式只在风机出口设置管道，如图2一2所示。
气体从集流器1进入叶轮2，由叶轮流出的气体从排风管道3流出，用出口锥形二冷流门4调节流量，并在管道上装设静压测管5和毕托管6。
（3）进排气联合试验:
这种布置形式是在风机进出口都装设管道，如图2一3所示。
气体由集流器1进入吸风管2。
经叶轮3流入排风管道4，然后排出，在出口装一锥形节流门5调节风量。
并在进出口管道上装设静压测管6和毕托管7。
在试验中采用哪一种布置形式，可根据各自的习惯及现场的试验条件来决定。
例如送风机是从大气吸入空气，经管道送入炉膛，应采用排气试验装置。
引风机是抽出炉膛的烟气使之排入大气，则应采用进排气联合试验装置。
因本系统原有试验台为一风管式试验台，所以，本系统采用风管式排气试验装置。
图2一l进气试验装置
1一集流器2一进气风管3一叶轮4一锥形节流门5一毕托管6一静压测管
图2一2排气试验装置
1一集流器2一叶轮3一排气风管4一锥形节流门5一静压测管6一毕托管
图2—3进排气试验
1一集流器2一吸风管3一叶轮4一排风管5一锥形节流阀6一静压测管7一毕托管
由风机状态试验方法可以看出，风机状态试验应主要完成试验数据的测量、风机试验台的控制、风机状态参数的计算和风机状态曲线的绘制四部分内容。
所以，如何使这四部分功能自动实现是系统设计的关键。
2.2虚拟仪器技术及其应用
虚拟仪器技术是日益发展的计算机技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果，是90年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物。
以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。
由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型仪器称为“虚拟仪器”[12]。
虚拟仪器首先由美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorporation简称NI）于1986提出。
虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。
它给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户（而不是厂家）可以随心所欲的根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的仪器需求。
在虚拟仪器系统中，硬件只是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、添减仪器系统的功能和规模，所以有“软件就是仪器”之说。
传统仪器与虚拟仪器的比较如表2一l所示;[13‘14]。
从这个比较中不难看出虚拟仪器的巨大优越性。
虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象，不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的:
采集数据，对采集的数据进行分析处理，然后显示并处理结果。
它们的不同主要表现在灵活性方面。
虚拟仪器由用户自己定义，这就意味着我们可以自由组合计算机平台、硬件、软件以及各种完成应用系统所需的附件，而这种灵活性是由供应商定义的传统仪器上达不到的。
结合实际情况，我国正处于竞争激烈的市场经济潮流之中，作为科{J汗部门要多出成果;作为生产、制造部门，要尽快开发出新产品，把新产品推向市场，同时还要考虑生产率、效率、成本、质量等诸多因素。
所以应用最现代化的手段，最新的技术，构建简洁、实用、可靠、完备和高状态/价格比的应用系统是必不可少的。
从90年代中期以来，国内的哈尔滨工业人学、重庆大学、西安交通大学、西安电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及引进消化NI公司、HP公司的产品等方面做了一系列有益工作，并取得了一批瞩目的成果。
据《世界仪表与自动化》杂志报道，21世纪初，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将达到电测与电控仪器的50%。
美国Geomatics公司于19%年采用虚拟仪器开发工具一LabVIEw软件开发了自动灌溉系统;美国Goldsmith种子公司于1997年利用虚拟仪器开发工具开发了计算机自动化秧苗分析系统（CASA）;密执安工业大学于1996年开发了柴油机实验室自动化数据采集与控制系统，这些系统都具有同类系统不可比拟的优点。
[16‘17’18]
表2一l虚拟仪器与传统仪器的比较[15]
传统仪器
虚拟仪器
仪器由厂商定义
用户自己定义
硬件是关键
软件是关键
仪器功能规模固定
系统规模功能可通过软件增减修改
封闭的系统，与其他设备连接受限
基于计算机的开发系统，可方便的同外设，网络及其它应用程序连接
价格昂贵
价格低，可重复利用
技术更新慢（周期5-10年）
技术更新快（周期1-2年）
开发和维护费用高
软件结构大大节省了开发和维护费用
基于虚拟仪器的诸多特点，并结合国内外应用虚拟仪器开发的测试与分析系统的实例，本课题采用虚拟仪器技术对风机状态试验中试验数据自动采集、风机工况自动调节、试验数据自动处理等进行研究，研制一套风机状态计算机自动检测与分析系统，以实现试验过程的自动化，解除以往人工试验的繁琐过程，且消除试验过程中测量及计算误差，提高试验结果的可靠性。
2.3基于虚拟仪器的风机状态试验方法
为适合现代测试系统的要求，需进行风机试验台的改造并设计适合的测试手段与测试方法，即进行系统总体方案的设计。
由风机状态试验的过程可知其测试系统主要完成以下工作:
风机状态参数的测量;
风机转速的控制:
风机状态曲线的绘制;
2.3.1方案比较与选择[19202122]
从整体规划出发，并着眼于系统将来的发展和使用推广前景，且考虑方案的实用性、可行性和通用性，作者经过广泛的调研，对国内外各种虚拟仪器的功能和结构进行了分析[23-27]，结合本系统的特点和要求，对此系统提出了以下方案:
（l）风机状态参数的测量
流量测量:
流量测量方法有孔板测量法、动压管测量法、进口集流器测量法[28]。
动压管测量法是在风管管道中安装皮托管，皮托管接至倾斜微压计，由倾斜微压计读出风管内的静压与全压，再经过计算得到流量。
在试验过程中，皮托管每次所测数值只是皮托管所在位置的压力值，要想测得管路的平均压力值，需要根据等面积环法在管路的不同位置多次测量后取其平均值，此种方法存在测量过程复杂，测量精度不高等缺点。
孔板压差法是在风管的适当位置安装节流孔板，气流经过孔板后，压力发生改变，根据孔板前后的压力差即可计算出经过风管的体积流量[29]。
孔板压差法不仅可一次测定风机流量，而且测值准确，所以本系统采用孔板压差法来测量流量。
功率测量:
功率测量方法有电测法和扭矩法.电测法是通过测量电机电枢的电流和电压，由公式计算出风机轴功率的方法，此种方法为间接测量，且测量参数较多，检测结果不准确。
扭矩测量法是通过测量电机的输出扭矩而计算轴功率的方法，此种方法测量电路简单且结果较为准确。
本系统采用在电机与风机转轴之间安装扭矩传感器，在计算机中把扭矩信号按公式计算成功率值的方法来测量功率信号。
动压、静压、效率测量:
在得到流量和功率值后，动压、静压、效率可经过计算得到。
（2）风机转速调节装置
为适应不同型号风机的状态试验需要，需设置风机转速调节装置。
本系统采用变频调速技术来实现风机转速的调节。
在计算机与电机之间安装变频调速器，通过变频调速改变电机转速，即调节风机转速。
变频调速器通过数据采集卡与计算机进行通讯。
此种风速调节方法采用先进的变频调速技术，可实现试验装置的自动化控制，且可大大节省能源。
（3）风机状态曲线绘制
为消除测量误差及系统误差，本系统对各状态参数进行曲线拟合。
用最小二乘法[30]来拟合曲线既能反映给定数据的内在联系，又与原数据近似程度高，所以本系统拟采用在计算机上编制最小二乘法曲线拟合程序对状态参数进行拟合，且绘制风机状态曲线。
2.2.3总体方案
根据以上确定的方案，对风机状态试验台进行总体设计[31]，其系统总体方案流程如图2一4所示。
试验开始，由用户设定试验初始参数，计算机发出控制指令，数据采集卡输出控制信号控制变频调速器输出频率可调的电压信号，作为电机的电源信号，电机起动带动风机运转，同时，各传感器采集各路试验数据且由数据采集卡输入到计算机中，系统软件对各采集信号进行计算整理，将其换算为风机的状态参数且保存下来[32]。
当用户发出指令改变风机运转工况时，计算机通过数据采集卡输出电压信号，此电压信号再经过电路转换，驱动步进电机使其转过设定的角度，控制旋转挡板在风管出口的位置，实现风机运转工况的设定。
工况设定以后，重复上述信号采集、处理过程，直至检测全部工况的试验数据，最后运用最小二乘法拟合试验数据，绘制风机状态曲线，生成试验报告[33]。
图2-4系统总体方案流程图
第三章系统硬件设计
系统硬件部分是整个测试试验的基础。
本系统硬件主要由风，凤管，电动机，传感器，步进电机，变频调速器，计算机，数据采集板等组成。
硬件设计主要完成了风机转速调节，风机个实验数据的采集等工作。
3.1步进电机的控制[343536]
步进电机是数字控制系统中的执行电动机。
当系统将一个电脉冲信号加到步进电机足子绕组时，转子就转一步:
当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲的个数。
因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小;改变输入脉冲的通电相序，就能控制转子位移的方向，实现位置的控制。
当电脉冲按某一相序连续加到步进电机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。
因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就可控制步进电机的转速和方向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。
步进电机的这种控制功能，是其他电机无法替代的。
在选用步进电机时本系统从精度及负载方面考虑以下几点:
首先，考虑系统的精度和速度的要求，由于本系统只要求实现流量调节（改变圆形挡板的旋转角度），所以对精度要求不高。
步进电机的一个显著特点是步距角固定，本系统选用步距角为1.5度的电机。
其次，选择步进电机应考虑负载的状况，既要避免因估计不足而将电机容量选得过小，带不动负载造成失步，或者容量过大造成浪费，该系统中负载为减速器和旋转挡板，转矩在0.5一10N.m之间。
最后是工作方式的选用。
对于三相反应式步进电机，工作方式有三拍和六拍之分。
三拍是在转动一个齿距角时换相三次，同理六拍在转动一个齿距角时换相六次，步进电机的各相绕组以A、B、C表示时，各种工作方式的换相情况如下:
单三拍A一B一C—A双三拍AB—BC一CA一AB;六拍:
A一AB—B—BC—C—CA一A。
由频率特性可知，单三拍的频率特性最差，六拍的频率特性最好。
综合各方面的因素，本系统选用了三相六拍式反应式步进电机，所选型号为75BFO03。
其参数如表3一1所示。
表3-1步进电机的参数
相数
步矩角
电压
电流
转子转动惯量
3
1.5
30V
1.5A
1.6
与交直流电机不同，仅仅接上电源，步进电机是不会运行的。
为了驱动步进电机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，本系统采用微机与数字电路相结合的方式实现步进电机的控制，其主要包括电源，步进电机的控制电路和步进电机的驱动电路。
（l）电源
步进电机的驱动需用35V及12V直流电源，故将交流电经转换得到稳定的直流电源[3738]。
其转换框图如图3一4所示。
交流电源采用电网降压后得到AC26v和AC15电源，AC26v电源经桥式整流滤波后得到35V直流电供给场效应管作为驱动电源用。
AC15V电源经CW7812稳压电路稳压后得到12V直流电源满足数字电路的恒稳直流电压的要求。
图3-4直流电源转换框图
（2）步进电机的控制部分
步进电机的正反转控制利用数据采集卜数字I/0功能，当数字I/O口输出正电压时，步进电机正转，当数字1/0口输出零信号时，步进电机反转。
利用数据采集卡的频率信号输出口，输出所需频率的脉冲信号，控制步进电机的旋转速度。
脉冲信号经过十进制记数/分配器CC4O17的译码器部分，对脉冲信号进行分配，经分配的脉冲信号再经或门CC4O75加以组合则产生驱动步进电机的六拍脉冲A一AB一B一BC一C一CA一A。
（3）步进电机的驱动部分
步进电机的驱动是通过功率放大器来实现的。
功率放大器直接与步进电机各相绕组连接，它接受来自推动级的信号，控制着步进电机各相绕组的导通或截止，同时也控制着绕组的最高电压和最大电流。
步进电机的功率放大器既要向绕组提供足够的电压、电流及正确的波形，又要保证电机和功率放大器件的安全运行，还应具有较高的效率、较小的功耗、较低的成本。
功放电路的形式较多，他们对步进电机状态的影响也各不相同，本系统采用斩波恒流功放大电路，此种功放电路的一个优点是减少步进电机的共振现象的发生，步进电机的共振的基本原因可以归结为能量过剩而斩波恒流功放电路输出给电动机绕组的能量自动随着绕组电流调节能量过剩时，供电时间减小，而续流时间延长，因此可减小能量的积聚。
斩波恒流驱动的另一个优点是输出转矩均匀，系统效率高。
功率放大器件采用CA3140的正反馈来增强三极管对步进电机的驱动，三极管采用PH2222，它具有能量转换和控制的能力，是一个有源器件，它是整个电路核心，起放大作用。
（4）数字电路与计算机的接口
在测控应用中的微机主机，其逻辑电路是按TTL电平工作的，而本系统中数字电路所用器件为CMOS器件。
TTL电路输出高电平V，的规范值为2.4V，在电源电压为5V时，COMS电路的输入高电平高于3.5V，这样造成了TTL与COMS电路接口上的困难[39]。
解决的办法是在TTL电路的输出端与电源之间接一电阻，以提高TTL电路的输出高电平。
在微机与数字电路之间为防止两个系统之间的互相干扰，需加上光耦隔离电路，计算机及步进电机之间的光耦隔离电路如图3一4所示。
图3-4微机与数字电路板信号隔离
3.2风机转速调节装置的设计
3.2.1总体设计
风机状态试验是在一定的转速下进行的，为满足不同风机状态试验的需要，本系统设有风机转速调节装置。
变频调速是电动机调速方式中最理想的方案。
过去受价格、可靠性及容量等因素的限制，在我国的风机市场一直未得到广泛应用。
近年来，随着电力、电子器件和控制技术的迅速发展，变频调速器价格不断下降，可靠性不断增加，模块化的设计使变频调速器的容量几乎不受限制。
目前，许多风机用户和设计单位都在积极使用变频调速[40]。
早期风机变频调速的目的只是为了节能。
因为具有二次方转矩特性的离心式或轴流式通风机、鼓风机、和压缩机，在低速运行时气体流速低，负载转矩很小，其负载消耗的能量正比于转速的三次方[41]，所以，通过变频调速器控制转速可实现节能的目的。
近年来，随着变频技术和控制技术的发展，变须器在风机上的应用也从单纯的以节能为目的，发展到以提高产品产量、质量，实现生产过程自动化及环境保护等为目的，其应用领域不断扩大[4142]。
本系统从自动化控制与节能出发，采用变频调速装置实现风机转速的调整。
其信号流程如图3-5所示。
图3-5风机转速调节装置信号流程图
电源输出38OV三相交流电经熔断器、交流接触器输入到变频调速器的电源输入端，数据采集板通过数字I/0口输出低电压信号控制继电器的开合，从而控制交流接触器的动作，接通或切断变频调速器的电源。
变频调速器的输出端输出频率变化的三相电压信号，与电动机的三相绕组相连结，驱动电动机转动。
3.2.2变频调速器的控制[44]
变频调速器的工作方式有三种，即PU操作模式、外部与PU联合操作模式和外部操作模式[45]。
PU操作模式是在变频调速器自带的控制面板上进行功能操作，其操作方式为手动操作:
外部与PU联合操作模式为启动信号用外部信号设定，频率设定信号用PU操作:
外部操作模式是启动信号频率设定信号都由外部信号控制。
为实现电动机的自动起停和自动变速，本系统采用外部操作模式，即计算机控制变频调速器的运行。
其控制过程可描述为:
数据采集卡的模拟电压输出通道输出O一5V电压信号，用于控制变频调速器输出的电压频率（O一5OHz），即控制交流电动机电源频率，实现电机转速的控制。
另外两路数字I/0口（17）和（16）信号用于控制电机的正反转，当17口处于高电平时，电动机正转起动，当16口处于高电平时，电动机反转起动。
当17和16口同时处于高电平或低电平时，电动机停止运行。
此装置中各主要部件的选型如下:
变频调速器:
FR一A500:
电动机:
y9OS一2;
变频器端子主回路的连接如图3一6，主回路各端子说明如表3一2，控制回路各端子连接如图3一7，控制回路各端子说明如表3一3。
电源电动机
R
S
T
U
V
W
N
P1
P
PR.
R1
S1
.
PX.
图3-6变频调速器主回路端子接线图
表3-7控制回路各端子连接图
5
2
STF
STR
表3-2主回路各端子说明
端子记号
端子名称
说明
RST
交流电源输入
连接工频电源
UVW
变频器输出
接三相异步点动机
端子记号
端子名称
说明
5
频率设定公共端
频率设定信号和模拟输出端子的公共端
2
频率设定电压
输入0一SVDC（或0一10V）时，SV（10V）
对应于最大输出频率。
输入输出成比例
STF
正转启动
STF信号处于0N便正转，处于OFF便停止
STR
反转启动
STR信号ON为逆转，OFF为停止
表3一3控制回路各端子说明
3.3试验数据的检测[4647]
本系统采用的测量仪器多为传感器[48]。
传感器对于自动测量至关重要，随着微型计算机的普遍应用，科技界，产业界，防务和民用领域中，各种各样的电子设备都广泛地用它做为“电脑”，用以运算，处理，裁决不同类型的问题，使得有关设备日益实现自动化，系统化和智能化。
如果把计算机比做人的“大脑”，那么电子传感器则酷似人的“五官”，不过对传感器的要求要比人的五官高得多，他还要把人无法或难于感知的量测量出来，象电磁场、红外光、紫外光、高温、高压、无嗅无味气体、巨毒物等，并能放大、处理、传输、存储、显示、或作必要的控制输出。
本系统采用的传感器包括压差传感器、压力传感器和扭矩传感器。
压差传感器主要用于检测流量，压力传感器主要用于检测静压，扭矩传感器主要用于检测功率信号。
3.3.1压差测量[49]
目前工业中测量气体、液体、和蒸汽流量最常用的一种仪器为节流式流量计。
节流式流量计由两部分组成:
一部分是节流式变换元件即节流装置如孔板、喷咀、文丘利管等:
另一部分是用来测量节流元件前后静压差的压差计，根据压差和流量的对应关系，可育接指示流量。
本系统中流量测量部分主要包括节流装置与
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