基于Visual Basic的水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吾買爾·吐爾遜,穆哈西 ,夏慶成,張德虎

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

基于Visual Basic的水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京 210098)

由于自動(dòng)化程度低的原因,傳統(tǒng)的水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)無法實(shí)現(xiàn)模型機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生誤差,降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度。針對(duì)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(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過PLC自動(dòng)控制試驗(yàn)臺(tái)輔助設(shè)備,保證模型機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),及時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,原試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度得到明顯提高,給水力機(jī)械制造廠提供可靠地?cái)?shù)據(jù)參數(shù)。該系統(tǒng)不僅具有操作簡單、抗干擾能力強(qiáng)、靈活方便、實(shí)用性等特點(diǎn),而且大大降低由控制試驗(yàn)臺(tái)輔助設(shè)備所引起的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差。

測控系統(tǒng);模型試驗(yàn)臺(tái);Visual Basic;水力機(jī)械；PLC

水能,即水力發(fā)電,是一種清潔能源,可再生、無污染、運(yùn)行費(fèi)用低,便于進(jìn)行電力調(diào)峰,有利于提高資源利用率和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的綜合效益[1]。水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器是在水電站生產(chǎn)過程中不可缺少的設(shè)備。泵與水輪機(jī)等水力機(jī)械的內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象是十分復(fù)雜,難以光靠數(shù)學(xué)分析方法得到實(shí)用結(jié)果?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展的今天,水力機(jī)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(yàn)取得的。近年來,微型計(jì)算機(jī)在水力機(jī)械的生產(chǎn)和科學(xué)研究中得到愈來愈廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)在已可用計(jì)算機(jī)對(duì)水力機(jī)械的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,用以替代部分模型試驗(yàn)。這樣就可以利用內(nèi)部流動(dòng)分析的計(jì)算機(jī)程序,對(duì)各種不同設(shè)計(jì)參數(shù)的組合進(jìn)行計(jì)算,以得到最優(yōu)方案,并可預(yù)估水力機(jī)械機(jī)器的各種性能,但不能說“數(shù)值試驗(yàn)”就可以完全代替模型試驗(yàn)。事實(shí)上,由于理論方法尚不完善,存在一定的局限性,水力機(jī)械中的很多問題仍然要依靠模型試驗(yàn)來解決,而且計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果最終仍然要有模型試驗(yàn)來驗(yàn)證。所以模型試驗(yàn)在目前仍然還是研究水力機(jī)械的一個(gè)很重要的手段。應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中的絕大多數(shù)水力機(jī)械,其性能都是經(jīng)過模型試驗(yàn)確定的[2-3]。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

本模型試驗(yàn)臺(tái)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(diǎn)，而且以后根據(jù)需要亦可更換模型機(jī)組,如換成軸流式水輪機(jī)、混流式水輪機(jī)、斜流式水輪機(jī)，也可以將模型水輪機(jī)更換成模型水泵,做水泵試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)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(jì)、壓力箱、模型機(jī)組與尾水箱等組成[4-6]。試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 水力機(jī)械多功能模型試驗(yàn)臺(tái)布置示意圖

2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)除了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理外,還要控制1臺(tái)循環(huán)水泵電機(jī)、1臺(tái)測功電機(jī)、1臺(tái)真空泵電機(jī)、2臺(tái)充水泵電機(jī)、2臺(tái)電動(dòng)閘閥電機(jī)、2個(gè)排氣電磁閥和6個(gè)自動(dòng)閥門,通過控制閥門的開關(guān)實(shí)現(xiàn)水的流向與流量，來滿足模型機(jī)的試驗(yàn)要求,其硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖2[7]。

(1) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)同一般的個(gè)人計(jì)算機(jī)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(yīng)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(yàn)臺(tái)測試與控制系統(tǒng)的核心,通過它的基本單元來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)設(shè)備的控制,通過它的通信模塊來實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的串行通信,A/D模塊來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集[8]。

(3) 傳感器。本試驗(yàn)臺(tái)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%。考慮到本實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)測量值的高精度要求和量程范圍,本裝置對(duì)壓力、壓差測量均選用了進(jìn)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(yīng)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(dòng)調(diào)節(jié)功能,同時(shí)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(jì)算機(jī)方便地進(jìn)行故障診斷和檢測[9]。

3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)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(gè)模塊僅完成相應(yīng)的任務(wù),再將其集成,這樣各模塊之間即可單獨(dú)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(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)界面[10]。

3.1 參數(shù)設(shè)置與設(shè)備控制界面

參數(shù)設(shè)置界面主要對(duì)模型試驗(yàn)空載運(yùn)行時(shí),相關(guān)傳感器的數(shù)字量進(jìn)行保存處理,即確定傳感器零點(diǎn)。主要有電磁流量計(jì)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(yàn)的靈活性和精度可靠性。其界面如圖3所示。做試驗(yàn)之前首先要正確處理參數(shù)設(shè)置,這樣才能保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

本系統(tǒng)除了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理外,還要控制1臺(tái)循環(huán)水泵電機(jī)、1臺(tái)測功電機(jī)、1臺(tái)真空泵電機(jī)、1臺(tái)充水泵電機(jī)、2臺(tái)電動(dòng)閘閥電機(jī)、2個(gè)排氣電磁閥和6個(gè)自動(dòng)閥門，通過軟件控制這些設(shè)備可以滿足模型試驗(yàn)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(yàn)臺(tái)的PLC與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shè)置**************** ′初始化設(shè)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(yàn),8位數(shù)據(jù)位,′ 1位停止位 .InputMode = comInputModeBinary ′以二進(jìn)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(shí)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(shè)置定時(shí)讀取PLC的中斷時(shí)間(ms) Timer1.Enabled = False ′初始化定時(shí)讀取參數(shù)值定時(shí)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(gè)數(shù)為 length + 1 outdata(0) = &H5 ′命令報(bào)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(yàn)和,形成發(fā)送帖 MSComm1.Output = outdata ′發(fā)送命令帖 …… End Sub ′******************* 求和校驗(yàn)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(yàn)和變量 BufLen=UBound(outdata) ′求 outdata 數(shù)組可用的最大下標(biāo) CheckSum=0 ′初始化檢驗(yàn)和 For i=LBound(outdata)+1 To UBound(outdata) ′求和時(shí)不包括開始的控制代碼 CheckSum=(CheckSum + outdata(i)) And &HFF ′ 對(duì) 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(yàn)和只有1位,則高位填零,補(bǔ)足為 2 位 ReDim Preserve outdata(BufLen + 2) As Byte outdata(BufLen + 1) = Asc(Mid(Buf,1,1)) ′檢驗(yàn)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(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

3.2 數(shù)據(jù)采集界面

模型試驗(yàn)運(yùn)行時(shí),相關(guān)傳感器先把檢測到的實(shí)際物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào),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(jìn)行處理,并通過串行通信程序模塊傳送到計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)利用Visual Basic開發(fā)的水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng),對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行進(jìn)一步處理,把它轉(zhuǎn)換成實(shí)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(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

3.3 繪圖界面

在水力機(jī)械試驗(yàn)中最重要的環(huán)節(jié)之一,就是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制模型機(jī)的特性曲線。為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與繪圖自動(dòng)化,必須利用計(jì)算機(jī)來代替手工繪制的特性曲線,這樣能大大地提高試驗(yàn)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(diǎn)(xi,f(xi))處的數(shù)據(jù)重復(fù)次數(shù)ω(xi)≥0。系統(tǒng)繪制界面與處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)后所繪制的效率曲線見圖5。

圖5 水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)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(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)了水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備控制與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、繪圖功能,降低了誤差,提高了試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化程度。其特點(diǎn)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(qiáng),工作穩(wěn)定性好,有極強(qiáng)的自檢及保護(hù)功能,再者控制系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,分別完成不同的控制功能;二是用Visual Basic開發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)測控軟件具有界面美觀、操作方便、實(shí)用性強(qiáng)特點(diǎn),并且能夠?qū)ζ浞奖愕剡M(jìn)行擴(kuò)充。

References)

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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(xué)基金項(xiàng)目(41361061)；新疆水利水電重點(diǎn)學(xué)科資助

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

E-mail：wapadar214@163.com

TK730.3;TP273

A

1002-4956(2015)1- 0100- 04