梁 彬，孫玉田，王洪泉，韓 波，胡麗杰，于 濤，安志華

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大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)臺(tái)新型測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁 彬，孫玉田，王洪泉，韓 波，胡麗杰，于 濤，安志華

（水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱大電機(jī)研究所），哈爾濱 150040）

針對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)并提供了一種基于遠(yuǎn)程控制技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、PXI技術(shù)的先進(jìn)的、功能完善的測(cè)控系統(tǒng)，并在文中論述了該測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)方法。該測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)的自動(dòng)控制與測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有測(cè)量與控制精度高、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性高以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

水輪發(fā)電機(jī)；通風(fēng)模擬試驗(yàn)；通風(fēng)損耗；無(wú)線遙測(cè)扭矩測(cè)量；PXI技術(shù)

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量迅速提高，已經(jīng)邁向百萬(wàn)大關(guān)，發(fā)電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)是否能滿足機(jī)組安全運(yùn)行，是否能使各個(gè)發(fā)熱部位的溫度控制在合理范圍內(nèi)，是能否提高單機(jī)容量并安全運(yùn)行的最為關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容之一。為此，根據(jù)相似性原理，以真機(jī)作為縮小模擬對(duì)象建立的具有相似性的通風(fēng)模型，就成為研究水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的可靠性及掌握風(fēng)路循環(huán)規(guī)律的有效方法。通風(fēng)模擬試驗(yàn)不但可以驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，而且可以通過(guò)模擬真機(jī)狀態(tài)來(lái)獲取近似真機(jī)狀況的真實(shí)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證水輪發(fā)電機(jī)所采用的通風(fēng)方式的設(shè)計(jì)方案是否可靠合理，同時(shí)還能夠?qū)νL(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

因此，模擬試驗(yàn)中，對(duì)各相關(guān)部位的風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)量以及通風(fēng)損耗等重要參數(shù)真實(shí)可靠的測(cè)試就成為模擬試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。采用有效的測(cè)試方法并建立基于虛擬儀器技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)和PXI總線技術(shù)的通風(fēng)模擬試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)是取得這些關(guān)鍵參數(shù)的有效手段。本測(cè)控系統(tǒng)在多項(xiàng)大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)基礎(chǔ)上提煉總結(jié)并日趨完善，適用于各種高容量結(jié)構(gòu)形式的抽水蓄能機(jī)組、大型水輪發(fā)電機(jī)組的通風(fēng)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)。本文以深圳抽水蓄能電站、豐寧抽水蓄能電站等發(fā)電電動(dòng)機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)為依托，設(shè)計(jì)出滿足通風(fēng)模擬試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)要求的軟硬件結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)其測(cè)控功能。

1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)的功能

模型機(jī)組各相關(guān)部位的風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)量以及通風(fēng)損耗等參數(shù)是大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)試的重要參數(shù)，也是分析冷卻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。這些參數(shù)相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)多達(dá)百點(diǎn)以上，隨著機(jī)組結(jié)構(gòu)型式的不同以及研究的需要，測(cè)點(diǎn)數(shù)還會(huì)有相應(yīng)的增加與調(diào)整，并且為控制試驗(yàn)進(jìn)程達(dá)到符合要求的工況，在試驗(yàn)過(guò)程中還需要控制變頻電源功率輸出，以及對(duì)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為此，測(cè)控系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)采集上位遠(yuǎn)程控制的方式，以目前主流的PXI總線的儀器測(cè)試平臺(tái)為核心，建立現(xiàn)場(chǎng)柜體結(jié)構(gòu)，將氣動(dòng)部件、傳感器件、轉(zhuǎn)換器件、采集單元有效地集成在具有電磁屏蔽效果的控制柜內(nèi)，與遠(yuǎn)在控制間內(nèi)的上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共同組成基于PC技術(shù)的平臺(tái)，面向儀器系統(tǒng)的具有遠(yuǎn)程控制功能的PXI測(cè)控系統(tǒng)，同時(shí)也避免了長(zhǎng)距離接線的繁瑣與信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中易受到干擾的影響，為大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)提供了測(cè)量與自動(dòng)化控制的高擴(kuò)展性、高度集成化、高堅(jiān)固性、低成本的配置方案。測(cè)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控柜和柜內(nèi)器件布置情況如圖1所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控柜和柜內(nèi)器件布置圖

基于測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成方式，該測(cè)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下主要功能：（1）實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的PCI-PXI遠(yuǎn)程控制；（2）實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)中為拖動(dòng)電機(jī)提供變頻電源的變頻器數(shù)字化控制；（3）測(cè)量通風(fēng)模型定子各風(fēng)溝風(fēng)速；（4）測(cè)量通風(fēng)模型冷卻器前、后及上、下風(fēng)道靜壓力；（5）測(cè)量通風(fēng)模型各冷卻器出風(fēng)風(fēng)速及模型產(chǎn)生的總風(fēng)量；（6）實(shí)時(shí)測(cè)量獲取模型轉(zhuǎn)速；（7）精確測(cè)量通風(fēng)損耗；（8）轉(zhuǎn)子風(fēng)速測(cè)試；（9）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)大屏幕關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)顯示；（10）軟件實(shí)現(xiàn)儀器控制、試驗(yàn)進(jìn)程控制以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、分析、顯示以及試驗(yàn)報(bào)告的形成等。測(cè)控系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1.1 測(cè)控系統(tǒng)的PC-PXI遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)

主控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備距離遠(yuǎn)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔可靠、抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)采用PCI-PXI遠(yuǎn)程控制、光纜傳輸?shù)姆椒ā２辉傩枰獙y(cè)點(diǎn)信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)距離引線接到主控室，而是采用NI公司的MXI工具包NI PXI-PCI8336，通過(guò)主控計(jì)算機(jī)的PCI插槽, 實(shí)現(xiàn)PC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PXI設(shè)備的直接控制。MXI是多系統(tǒng)延伸接口，實(shí)際上是多路并行總線架構(gòu)MXIbus的一種簡(jiǎn)稱，主要用于儀器間的高速通信。在本測(cè)控系統(tǒng)的MXI總線采用MXI-4技術(shù)，構(gòu)成的控制卡性價(jià)比高，無(wú)需額外的編程，只需要在NI MAX中將相應(yīng)的PXI系統(tǒng)加載到其中，即可通過(guò)MAX或者自行開發(fā)的上位機(jī)測(cè)控軟件控制PXI系統(tǒng)進(jìn)行工作，為現(xiàn)場(chǎng)PXI系統(tǒng)提供高達(dá)110MB/s的實(shí)際帶寬，響應(yīng)速度快，適宜進(jìn)行系統(tǒng)控制與大容量的數(shù)據(jù)交換，而且能夠與本測(cè)控系統(tǒng)采用的LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境、NI TestStand測(cè)試管理軟件交互式測(cè)量環(huán)境等無(wú)縫地協(xié)同工作。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)框圖

1.2 靜壓及風(fēng)溝風(fēng)速測(cè)量的硬件實(shí)現(xiàn)

定子風(fēng)溝所處的位置不同，空氣流動(dòng)的狀況也有所不同，為驗(yàn)證定、轉(zhuǎn)子風(fēng)溝布置是否合理，確保發(fā)電機(jī)定子鐵心軸向溫度的均勻，各定子風(fēng)溝入口的靜壓及定子風(fēng)溝風(fēng)速沿軸向分布規(guī)律是研究的重點(diǎn)。定子風(fēng)溝靜壓和風(fēng)速的測(cè)試部分由靜壓管、畢托管、差壓變送器、集氣罐、電磁閥、PXI電流卡、PXI繼電器卡、硅膠管共同組成氣路與測(cè)試通道。

系統(tǒng)需要測(cè)試的定子風(fēng)溝靜壓與風(fēng)溝風(fēng)速測(cè)點(diǎn)多達(dá)幾十甚至上百點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試都選用一組傳感器件是不現(xiàn)實(shí)的，因此在系統(tǒng)中采用九進(jìn)一出的集氣罐，將與測(cè)點(diǎn)數(shù)目相同的電磁閥分組接進(jìn)相應(yīng)的集氣罐，集氣罐的出口用硅膠管與變送器相連，共同組成多組氣路與測(cè)試通路。上位計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI-PXI遠(yuǎn)程控制 PXI繼電器卡切換多組電磁閥動(dòng)作形成多組氣體通路轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)多達(dá)百點(diǎn)以上靜壓和風(fēng)溝風(fēng)速測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。定子入口、出口、冷卻器靜壓及定子風(fēng)溝風(fēng)速測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 定子入口、出口、冷卻器靜壓及定子風(fēng)溝風(fēng)速測(cè)量原理

通常情況下，測(cè)試靜壓與測(cè)試風(fēng)速的傳感器會(huì)選擇壓力變送器與差壓變送器，但是由于機(jī)組的靜壓通常很低，數(shù)量級(jí)會(huì)在幾十帕至幾百帕之間，常規(guī)的壓力變送器的量程都在幾千帕以上，為準(zhǔn)確測(cè)量定子風(fēng)溝靜壓，本測(cè)控系統(tǒng)選擇羅斯蒙特公司（ROSEMOUNT）生產(chǎn)的微差壓變送器作為測(cè)試靜壓和風(fēng)溝風(fēng)速的傳感器件。由于采用差壓變送器測(cè)試靜壓時(shí)，負(fù)壓接口需要開放，因此會(huì)受到周圍環(huán)境氣流的影響，為避免環(huán)境的影響，將差壓傳感器組放置在氣流變化較小的相對(duì)封閉的空間內(nèi)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，選用差壓變送器測(cè)試靜壓力是可行的，完全達(dá)到了預(yù)期效果。

1.3 通風(fēng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)通風(fēng)損耗的硬件實(shí)現(xiàn)

通風(fēng)損耗的高低是通風(fēng)系統(tǒng)性能好壞的重要標(biāo)志之一。因此，如何準(zhǔn)確可靠地獲取通風(fēng)損耗測(cè)量數(shù)據(jù)就成為通風(fēng)模擬試驗(yàn)中的一項(xiàng)重要工作。

獲取通風(fēng)損耗的過(guò)程實(shí)際就是測(cè)試軸系動(dòng)態(tài)扭矩的過(guò)程，通過(guò)扭矩測(cè)量技術(shù)測(cè)量出軸系的扭矩，經(jīng)過(guò)計(jì)算取得相應(yīng)的軸功率，軸功率包括通風(fēng)損耗和軸承損耗，測(cè)量值減去軸承損耗就得到我們所需的通風(fēng)損耗。本系統(tǒng)選取美國(guó)Binsfeld公司的TT10K扭矩遙測(cè)系統(tǒng)作為測(cè)試扭矩的關(guān)鍵器件。

TT10K扭矩遙測(cè)系統(tǒng)是應(yīng)變類扭矩測(cè)量?jī)x器，采用的是無(wú)線通訊傳輸方式：將扭矩應(yīng)變信號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上放大并將取得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)載波調(diào)制用無(wú)線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)軸上的發(fā)射器上發(fā)射至軸外，在軸外用無(wú)線接收器無(wú)線電接收的方法，得到相應(yīng)扭矩電壓信號(hào)，PXI電壓卡進(jìn)行扭矩電壓信號(hào)數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過(guò)上位計(jì)算機(jī)的換算求得對(duì)應(yīng)的功率。這種采用無(wú)線扭矩測(cè)量方法的扭矩傳感器安裝簡(jiǎn)便，適用于任何尺寸的軸系，無(wú)需拆卸或者修改軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)研究而言，新型產(chǎn)品的研制開發(fā)與投標(biāo)進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)驗(yàn)證是最有效直觀的方式。通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同也意味著每個(gè)類型產(chǎn)品的試驗(yàn)會(huì)采用直徑尺寸結(jié)構(gòu)型式不同的軸系，因此這種無(wú)需改動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定、高精度的無(wú)線遙測(cè)扭矩測(cè)量方式無(wú)疑是我們最好的選擇。無(wú)線扭矩測(cè)量原理如圖4 所示。

圖4 無(wú)線扭矩測(cè)量原理圖

2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本測(cè)控系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)，利用高性能的模塊化硬件，在LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制出高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示給用戶。

2.1 Labview簡(jiǎn)介

LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境,是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，結(jié)合前面板與流程圖式的編程方法，它將軟件和各種不同的測(cè)量?jī)x器硬件及計(jì)算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，形成用戶自定義的解決方案，成為專門數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件，使創(chuàng)建的程序模塊化，易于調(diào)試，理解和維護(hù)，而且程序編程簡(jiǎn)單、直觀，因此特別適用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

LabVIEW中開發(fā)程序包括前面板和程序框圖兩部分。前面板即圖形化用戶界面，其特點(diǎn)是模擬傳統(tǒng)儀器的操作顯示面板，顯示直觀，形象。測(cè)控系統(tǒng)的用戶界面包括：主控界面、定子風(fēng)溝入口靜壓力顯示界面、定子風(fēng)溝出口靜壓力顯示界面、冷卻器靜壓力顯示界面、定子風(fēng)溝風(fēng)速顯示界面、轉(zhuǎn)子風(fēng)速測(cè)控界面以及總風(fēng)量測(cè)試顯示界面等用戶界面。各界面上有交互式的輸入和輸出兩類控件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)程控制，以及對(duì)系統(tǒng)中各種儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)、顯示等各種功能。測(cè)控系統(tǒng)主控界面如圖5所示。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)主控界面

軟件編制采用多線程技術(shù)，并使用狀態(tài)機(jī)和事件結(jié)構(gòu)相結(jié)合的模式，程序的主體占用一個(gè)線程，并采用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，在主程序狀態(tài)分子中執(zhí)行對(duì)各類儀器的控制以及數(shù)據(jù)采集、分析、顯示等主要功能。與主體并列的線程中有一個(gè)處于循環(huán)體中運(yùn)行的事件結(jié)構(gòu)，該事件結(jié)構(gòu)執(zhí)行通風(fēng)模擬試驗(yàn)過(guò)程控制。這種結(jié)構(gòu)方式綜合了狀態(tài)機(jī)和事件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，有效地克服了長(zhǎng)時(shí)間占用CPU資源的問(wèn)題，同時(shí)使程序的構(gòu)成及運(yùn)行變得高效而靈活。電磁閥控制程序框圖如圖6所示。

圖6 電磁閥控制程序框圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)臺(tái)新型測(cè)控系統(tǒng)已分別應(yīng)用在深圳抽水蓄能電站、豐寧抽水蓄能電站的發(fā)電電動(dòng)機(jī)通風(fēng)模型的試驗(yàn)中，圖7、8所示均為豐寧發(fā)電電動(dòng)機(jī)通風(fēng)模型在150r/min工況下取得的主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖7為總風(fēng)量、各冷卻器出風(fēng)風(fēng)速、上下風(fēng)道風(fēng)速等關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，圖8為定子風(fēng)溝出口靜壓力數(shù)據(jù)。

圖7 總風(fēng)量、各冷卻器出風(fēng)風(fēng)速、上下風(fēng)道風(fēng)速

圖8 定子風(fēng)溝出口靜壓力

試驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、測(cè)量與控制精度高、實(shí)時(shí)性好以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)、PXI技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)且功能完善的水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)臺(tái)新型測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)的自動(dòng)控制與測(cè)量功能。該測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用到深圳抽水蓄能電站、豐寧抽水蓄能電站的發(fā)電電動(dòng)機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有測(cè)量與控制精度高、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性高以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，完全適用于各種容量及結(jié)構(gòu)形式的大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬試驗(yàn)中，能夠?yàn)榇笮退啺l(fā)電機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有效的試驗(yàn)驗(yàn)證。

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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年畢業(yè)于東北重型機(jī)械學(xué)院，現(xiàn)從事電機(jī)測(cè)試專業(yè)，高級(jí)工程師。