吾買爾·吐爾遜,穆哈西 ,夏慶成,張德虎

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052;2. 河海大學 能源與電氣學院,江蘇 南京 210098)

基于Visual Basic的水力機械模型試驗臺測控系統(tǒng)設計

吾買爾·吐爾遜1,穆哈西1,夏慶成1,張德虎2

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052;2. 河海大學 能源與電氣學院,江蘇 南京 210098)

由于自動化程度低的原因,傳統(tǒng)的水力機械模型試驗臺無法實現(xiàn)模型機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生誤差,降低試驗數(shù)據(jù)精度。針對這種情況,利用可編程序控制器及其模塊、編程軟件Visual Basic開發(fā)了水力機械模型試驗臺測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過PLC自動控制試驗臺輔助設備,保證模型機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn),及時采集實驗數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明,原試驗臺試驗數(shù)據(jù)精度得到明顯提高,給水力機械制造廠提供可靠地數(shù)據(jù)參數(shù)。該系統(tǒng)不僅具有操作簡單、抗干擾能力強、靈活方便、實用性等特點,而且大大降低由控制試驗臺輔助設備所引起的試驗數(shù)據(jù)誤差。

測控系統(tǒng);模型試驗臺;Visual Basic;水力機械；PLC

水能,即水力發(fā)電,是一種清潔能源,可再生、無污染、運行費用低,便于進行電力調(diào)峰,有利于提高資源利用率和經(jīng)濟社會的綜合效益[1]。水輪機、發(fā)電機和變壓器是在水電站生產(chǎn)過程中不可缺少的設備。泵與水輪機等水力機械的內(nèi)部流動現(xiàn)象是十分復雜,難以光靠數(shù)學分析方法得到實用結(jié)果?？茖W技術(shù)發(fā)展的今天,水力機械的不斷發(fā)展和性能的不斷提高與完善,主要還是依靠模型試驗取得的。近年來,微型計算機在水力機械的生產(chǎn)和科學研究中得到愈來愈廣泛的應用,現(xiàn)在已可用計算機對水力機械的內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬,用以替代部分模型試驗。這樣就可以利用內(nèi)部流動分析的計算機程序,對各種不同設計參數(shù)的組合進行計算,以得到最優(yōu)方案,并可預估水力機械機器的各種性能,但不能說“數(shù)值試驗”就可以完全代替模型試驗。事實上,由于理論方法尚不完善,存在一定的局限性,水力機械中的很多問題仍然要依靠模型試驗來解決,而且計算機的計算結(jié)果最終仍然要有模型試驗來驗證。所以模型試驗在目前仍然還是研究水力機械的一個很重要的手段。應用于生產(chǎn)實際中的絕大多數(shù)水力機械,其性能都是經(jīng)過模型試驗確定的[2-3]。

1 試驗臺結(jié)構(gòu)

本模型試驗臺不但具有過流通道的水流損失小、施工方便、過流能力較高、比轉(zhuǎn)速大以及效率較高等優(yōu)點，而且以后根據(jù)需要亦可更換模型機組,如換成軸流式水輪機、混流式水輪機、斜流式水輪機，也可以將模型水輪機更換成模型水泵,做水泵試驗。整個試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)。主要由供水泵、閥門、循環(huán)管道、電磁流量計、壓力箱、模型機組與尾水箱等組成[4-6]。試驗臺系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 水力機械多功能模型試驗臺布置示意圖

2 測控系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)除了試驗數(shù)據(jù)采集處理外,還要控制1臺循環(huán)水泵電機、1臺測功電機、1臺真空泵電機、2臺充水泵電機、2臺電動閘閥電機、2個排氣電磁閥和6個自動閥門,通過控制閥門的開關(guān)實現(xiàn)水的流向與流量，來滿足模型機的試驗要求,其硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖2[7]。

(1) 工業(yè)控制計算機。工業(yè)控制計算機同一般的個人計算機在硬件上有很大區(qū)別,它具有豐富的各種功能的接口板以適應工業(yè)控制的各種場合,系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性高,抗干擾性能高。

(2) 可編程序控制器?？删幊绦蚩刂破?PLC)是本試驗臺測試與控制系統(tǒng)的核心,通過它的基本單元來實現(xiàn)試驗臺電機設備的控制,通過它的通信模塊來實現(xiàn)與計算機的串行通信,A/D模塊來實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)采集[8]。

(3) 傳感器。本試驗臺裝有壓差、真空、流量、扭矩、轉(zhuǎn)速等傳感器。傳感器的選擇要保證系統(tǒng)測量精度≤±0.5%?？紤]到本實驗臺對測量值的高精度要求和量程范圍,本裝置對壓力、壓差測量均選用了進口壓力、壓差變送器。

(4) 直流調(diào)速系統(tǒng)。它具有高性能的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制,將滿足快速響應和控制精度的要求。電樞電流和磁場電流控制環(huán)節(jié)具有自動調(diào)節(jié)功能,同時具有完善的過流、過壓、故障接地等自診斷功能,可以控制盤或計算機方便地進行故障診斷和檢測[9]。

3 測控系統(tǒng)軟件設計

本試驗臺的測控系統(tǒng)軟件采用目前較流行的模塊化結(jié)構(gòu),按要求分成幾大功能模塊,每個模塊僅完成相應的任務,再將其集成,這樣各模塊之間即可單獨操作,也可相互調(diào)用完成指定功能。用Visual Basic 6.0的編程環(huán)境下實現(xiàn)了友好的人機界面[10]。

3.1 參數(shù)設置與設備控制界面

參數(shù)設置界面主要對模型試驗空載運行時,相關(guān)傳感器的數(shù)字量進行保存處理,即確定傳感器零點。主要有電磁流量計傳感器、差壓傳感器、真空度傳感器和扭矩儀測量器等,從而保證模型試驗的靈活性和精度可靠性。其界面如圖3所示。做試驗之前首先要正確處理參數(shù)設置,這樣才能保證采集數(shù)據(jù)的準確。

本系統(tǒng)除了試驗數(shù)據(jù)采集處理外,還要控制1臺循環(huán)水泵電機、1臺測功電機、1臺真空泵電機、1臺充水泵電機、2臺電動閘閥電機、2個排氣電磁閥和6個自動閥門，通過軟件控制這些設備可以滿足模型試驗要求,并可有效降低有人誤操作引起的誤差。

利用Visual Basic語言編寫的試驗臺的PLC與計算機串行通信部分程序代碼如下:

′************** 定義變量**************** …… ′通用數(shù)據(jù)聲明部分 Dim outdata() As Byte ′定義PLC發(fā)送數(shù)組,用來存放轉(zhuǎn)換后的命令數(shù)據(jù) Dim Rcv() As Byte ′定義計算機接收數(shù)組,用來存放接收到的數(shù)據(jù) Dim inString As String ′定義輸入命令字符串 Dim SaveString As String ′定義輸入命令暫存字符串變量 ′************** 初始化設置**************** ′初始化設置 Private Sub Form_Load() …… With MSComm1 .CommPort = 2 ′選擇端口2 .Settings = ″9600,n,8,1″ ′ 9 600 bit/s,無奇偶校驗,8位數(shù)據(jù)位,′ 1位停止位 .InputMode = comInputModeBinary ′以二進制格式讀取接收緩沖區(qū) .RThreshold = 1 ′接收到的字符數(shù)大于等于1時產(chǎn)生接收事件 .InputLen = 0 ′讀出接收緩沖區(qū)所有的內(nèi)容 .OutBufferCount = 0 ′清空發(fā)送緩沖區(qū) .OutBufferCount = 0 ′清空接收緩沖區(qū) If Not MSComm1.PortOpen Then MSComm1.PortOpen = True ′打開串口2 Timer1.Interval = 2000 ′設置定時讀取PLC的中斷時間(ms) Timer1.Enabled = False ′初始化定時讀取參數(shù)值定時器 End With …… End Sub ′******************* 發(fā)送子程序************** Private Sub send(inString As String) ′定義Sub 過程,inString 是形式參數(shù),類型為字符串型 …… SaveString = inString ′保存命令字符串 length = Len(inString) ′求形參傳遞過來的字符串長度 ReDim outdata(0 To length) As Byte ′重新定義發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)組,其元素個數(shù)為 length + 1 outdata(0) = &H5 ′命令報文以控制代碼 “ENQ”開始 For i = 1 To length ′字符串轉(zhuǎn)換為 ASCII 碼,送入發(fā)送數(shù)組 outdata( i ) = Asc(Mid(inString,i,1)) ′字符串轉(zhuǎn)換為 ASCII 碼,送入發(fā)送數(shù)組 Next i Call FCScheck(outdata) ′產(chǎn)生校驗和,形成發(fā)送帖 MSComm1.Output = outdata ′發(fā)送命令帖 …… End Sub ′******************* 求和校驗子程序************** Private Sub FCScheck(outdata() As Byte) ′定義 Sub 過程 …… Dim BufLen As Integer Dim Buf As String Dim i As Integer Dim CheckSum As Long ′定義檢驗和變量 BufLen=UBound(outdata) ′求 outdata 數(shù)組可用的最大下標 CheckSum=0 ′初始化檢驗和 For i=LBound(outdata)+1 To UBound(outdata) ′求和時不包括開始的控制代碼 CheckSum=(CheckSum + outdata(i)) And &HFF ′ 對 outdata 數(shù)組的元素求和,只保留低位字節(jié) Next i Buf= IIf (Len (Hex (CheckSum) = 1 ,″0″ & Hex (CheckSum) ,_Hex (CheckSum)) ′若校驗和只有1位,則高位填零,補足為 2 位 ReDim Preserve outdata(BufLen + 2) As Byte outdata(BufLen + 1) = Asc(Mid(Buf,1,1)) ′檢驗和轉(zhuǎn)換為 ASCII 碼,低位在前 outdata(BufLen + 2) = Asc(Mid(Buf,2,1)) …… End Sub

圖2 水力機械模型試驗臺測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 水力機械模型試驗臺測控系統(tǒng)參數(shù)設置界面

3.2 數(shù)據(jù)采集界面

模型試驗運行時,相關(guān)傳感器先把檢測到的實際物理量轉(zhuǎn)換成電信號,并送到PLC的模擬量輸入輸出模塊,PLC基本單元中的程序?qū)/D模塊轉(zhuǎn)換的這些數(shù)字量進行處理,并通過串行通信程序模塊傳送到計算機,計算機利用Visual Basic開發(fā)的水力機械試驗臺測控系統(tǒng),對這些數(shù)字量進行進一步處理,把它轉(zhuǎn)換成實際物理量并顯示在測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集界面中,采集界面如圖4所示。

圖4 水力機械模型試驗臺測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

3.3 繪圖界面

在水力機械試驗中最重要的環(huán)節(jié)之一,就是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制模型機的特性曲線。為了實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)處理與繪圖自動化,必須利用計算機來代替手工繪制的特性曲線,這樣能大大地提高試驗的效率[11]。

(1)

式中,ω(i)為區(qū)間[a,b]上的權(quán)函數(shù)，它表示不同點(xi,f(xi))處的數(shù)據(jù)重復次數(shù)ω(xi)≥0。系統(tǒng)繪制界面與處理試驗數(shù)據(jù)后所繪制的效率曲線見圖5。

圖5 水力機械模型試驗臺測控系統(tǒng)繪圖界面

4 結(jié)束語

本裝置通過VisualBasic、可編程序控制器和相應傳感器實現(xiàn)了水力機械模型試驗臺的設備控制與試驗數(shù)據(jù)的采集、繪圖功能,降低了誤差,提高了試驗臺的自動化程度。其特點主要體現(xiàn)在:一是可靠性高,因PLC本身具有可靠性高,抗干擾能力強,工作穩(wěn)定性好,有極強的自檢及保護功能,再者控制系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)相對獨立,分別完成不同的控制功能;二是用Visual Basic開發(fā)的試驗臺測控軟件具有界面美觀、操作方便、實用性強特點,并且能夠?qū)ζ浞奖愕剡M行擴充。

References)

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[11] 李春雨.計算機圖形學[M].北京:北京航空航天大學出版社,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

國家自然科學基金項目(41361061)；新疆水利水電重點學科資助

吾買爾·吐爾遜(1980—),男，維吾爾族，新疆吐魯番，工學碩士，講師，主要從事計算機控制系統(tǒng)開發(fā)方面的教學與研究.

E-mail：wapadar214@163.com

TK730.3;TP273

A

1002-4956(2015)1- 0100- 04