基于LabVIEW的燃燒室疲勞性能試驗測控系統(tǒng)設計

陳海清，孫永飛，張鵬淼

（沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

主燃燒室疲勞性能試驗主要驗證新型材料結構的火焰筒耐溫能力和熱疲勞的能力[1,2]，評估新材料燃燒室的綜合性能[3]。因此疲勞性能試驗具有與常規(guī)燃燒室試驗不同的特點，一方面要求對燃油進行周期連續(xù)的過程控制，手動操作很難實現(xiàn)準確的時序控制；另一方面在燃油流量調節(jié)的操作過程中需要監(jiān)視多個參數(shù)，防止試驗風險出現(xiàn)，操作人員很難同時兼顧多個參數(shù)。所以在這種情況下就需要利用計算機程序自動控制來實現(xiàn)試驗的控制目標。

LabVIEW是目前國際上應用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一。LabVIEW是一種圖像化編程語言[4]，它用圖標、連線和框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼，利用豐富的VI模塊，能夠實現(xiàn)測控程序的快速開發(fā)。LXI總線儀器具有可靠性高、緊湊靈活、體積小、數(shù)據(jù)傳輸便捷、吞吐率高等特點，適合于構建分布式的測試系統(tǒng)[5]。工業(yè)變頻器[6]的作為一種功能越來越強大的大功率電子設備，廣泛普及于自動化系統(tǒng)中，采用變頻器控制方式不僅可以提高電機控制上精度，并且可以減少人為操作，為智能控制提供了一種可行的手段。基于以上3種技術手段，本文提出一種LabVIEW＋LXI+變頻器組合形式的測控系統(tǒng)，部分改變了傳統(tǒng)試驗中手動的測控方式，將計算機強大的計算能力和儀器設備硬件的測量、控制結合起來，滿足了疲勞性能試驗測試和控制的需求，通過試驗模擬仿真方式，取得了較好的控制效果。

1 疲勞試驗測控任務需求

試驗需要實現(xiàn)148路物理量通道和35路計算通道數(shù)據(jù)的監(jiān)視、記錄。其中物理量通道主要實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、角度、頻率等參數(shù)的采集，計算通道主要實現(xiàn)對空氣流量、燃燒效率、分布系數(shù)等參數(shù)的計算過程，對其中主要參數(shù)設定限值范圍，并做超限報警提示。記錄方式采用連續(xù)采集方式和即時報表輸出方式。軟件上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多種顯示方式，如數(shù)值格式、柱狀圖、實時曲線圖、歷史數(shù)據(jù)回放曲線圖、數(shù)據(jù)場云圖等。測試系統(tǒng)需要與旋轉控制系統(tǒng)、燃油控制系統(tǒng)、燃氣分析系統(tǒng)[7]實現(xiàn)局域網(wǎng)內的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

試驗的燃油控制方式采用手動和自動兩種方式，控制目標為燃燒室全部壁面溫度中最大值按設定規(guī)律周期變化，如圖1所示?？刂撇呗詾樵诒ＷC試驗進口條件一定的情況下，供應的燃油流量大小按時序周期性自動調節(jié)。控制參數(shù)如時間、目標值、限值、循環(huán)次數(shù)均可實現(xiàn)界面化輸入。

圖1 疲勞性能控制規(guī)律

發(fā)動機燃燒室試驗為高溫高壓型試驗，在試驗過程中試驗設備要受到嚴酷的熱、力載荷，試驗操作不當會造成重大損失，因此防控試驗風險顯得尤為重要。測控系統(tǒng)需要有對風險的預防處理手段，做好試驗的安全防護工作。

2 硬件系統(tǒng)設計

測控系統(tǒng)主要硬件包括；計算機、數(shù)據(jù)采集設備、電源、PLC和變頻器幾部分組成。主要硬件以網(wǎng)絡為基礎搭建，利用網(wǎng)線和交換機連接各個設備，系統(tǒng)結構如圖2所示。現(xiàn)場變送器輸出的信號為4～20mA電流信號，采用信號線連接；電偶輸出mV電壓信號，采用補償導線連接；現(xiàn)場流量計輸出頻率信號，經(jīng)信號調理模塊將信號轉換后，輸出mV信號，這些模擬量信號由LXI數(shù)據(jù)采集儀器進行分區(qū)域的集中采集?，F(xiàn)場集中的壓力測點經(jīng)高壓尼龍管引出，由DSA壓力掃描閥采集。LXI數(shù)據(jù)采集儀器和DSA壓力掃描閥安裝在靠近測點的位置，由網(wǎng)絡向計算機發(fā)送實時數(shù)據(jù)，由軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。測控系統(tǒng)中的電源采用UPS+穩(wěn)壓電源的供電方式，這樣即避免了干擾信號的引入，又防止了異常停電對試驗設備造成的損失。

變頻器的通訊接口為RS485串口[8,9]，利用研華EKI-1522型串口轉網(wǎng)口服務器，將變頻器端口連入了局域網(wǎng)絡中。通過變頻器控制油泵電機轉速，從而實現(xiàn)對燃油流量大小的調節(jié)過程。本系統(tǒng)中選用的是ABB公司的ACS510變頻器，該變頻器可以反饋電流、頻率和溫度，通過監(jiān)視這些參數(shù)，可以有效防止試驗中燃料供應異常情況的出現(xiàn)。

控制系統(tǒng)中安裝急停按鈕，通過繼電器控制燃油管路上的電磁閥通斷，當異常情況出現(xiàn)時，可人為切斷燃油的供應，防止燃燒超溫現(xiàn)象。

變頻器可接收0～10V直流電壓控制信號，因此手動控制方式采用外部電路對變頻器進行控制，利用高精度電位器調節(jié)變頻器的輸入電壓控制信號，變頻器將接收到的電壓值轉化為輸出頻率，從而實現(xiàn)了燃油電機泵的遠程手動控制過程。

3 軟件系統(tǒng)設計

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的一種基于圖形化的編程語言，它內置數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試功能，包括VISA、GPIB、RS232、DAQ等模塊和基本分析庫；提供強大的數(shù)據(jù)分析、處理、顯示功能的同時還保證系統(tǒng)靈活性；LabVIEW具有開放的系統(tǒng)互連性及廣泛的硬件支撐，具有DDL和CIN接口，可以與多種設備直接連接；流程圖式的開發(fā)環(huán)境大大簡化了程序開發(fā)的復雜程度，利用LabVIEW的數(shù)據(jù)探針，可以在軟件調試階段即時發(fā)現(xiàn)程序錯誤，縮短開發(fā)周期；。

為了滿足試驗任務需求，本文設計的軟件由測試軟件和控制軟件組成，分別安裝在兩臺計算機上。軟件采用LabVIEW語言開發(fā)，軟件間的數(shù)據(jù)交換采用LabVIEW發(fā)布的網(wǎng)絡共享變量作為數(shù)據(jù)交換的途徑，軟件與變頻器、PLC之間采用OPC方式進行通訊，結構及功能如圖3所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結構圖

圖3 軟件通訊方式

3.1 測試軟件設計

測試軟件結構分為軟件管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示傳輸三個部分，分為三個線程編輯，程序框圖如圖4所示。利用LabVIEW模塊化的結構逐個實現(xiàn)每一個部分中具體的功能，如圖5所示。

軟件管理功能模塊是通過前面板的下拉菜單方式切換到相應信息管理界面的前面板上，其中信息管理界面包括：儀器管理界面、試驗項目管理界面和試驗文件管理界面。儀器管理實現(xiàn)對儀器的數(shù)量增減、初始化、參數(shù)設置和儀器管理信息的記錄等；試驗項目管理實現(xiàn)對試驗項目調用、測試通道配置；試驗文件管理實現(xiàn)對記錄文件模板復制、文件路徑修改、文件信息查詢。各個信息管理界面與測試軟件主界面間以全局變量作為信息的傳遞渠道。

數(shù)據(jù)處理功能模塊中的數(shù)據(jù)以簇結構格式進行傳遞，簇結構內包括通道名稱、通道數(shù)值、通道上下限、異常報警等通道信息。這種數(shù)據(jù)格式方便了數(shù)據(jù)通道的信息管理和數(shù)據(jù)的顯示。利用Database組件實現(xiàn)了LabVIEW對Access數(shù)據(jù)庫的查詢、插入功能的操作，通過這種方式將數(shù)據(jù)連續(xù)記錄在Access數(shù)據(jù)庫中。利用自動化引用句柄的形式調用了Excel應用程序，并將數(shù)據(jù)逐個寫入到復制的模板報表下的具體Range單元格中，從而形成標準格式的報表，通過這種方式記錄試驗狀態(tài)點的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。

圖4 測試軟件程序框圖

圖5 測試軟件功能結構圖

測試軟件與其他軟件間采用LabVIEW的網(wǎng)絡共享變量進行傳輸。共享方式的實現(xiàn)過程，首先分類建立變量庫，如圖6所示。將變量數(shù)據(jù)類型設置為變體，變量類型設置為網(wǎng)絡發(fā)布。其次將變量庫在局域網(wǎng)內進行部署，通過這個過程實現(xiàn)了變量庫在多臺計算機的共享。然后在軟件的前面板的控件屬性中，選擇將控件綁定在共享變量引擎（NI-PSP）下的共享變量上，并設定控件對變量的訪問類型，通過以上步驟實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸過程，共享變量庫如表1所示。

圖6 共享變量建立示意圖

表1 共享變量庫

3.2 控制軟件設計

控制軟件結構分為參數(shù)輸入、控制執(zhí)行和故障處理三部分，分三個線程編輯，程序框圖如圖7所示，軟件功能如圖8所示。利用研華串行服務器組件，實現(xiàn)了在上位機虛擬的串行端口，如圖9所示，利用NI OPC SERVER組件建立了上位機與控制器寄存器連接的地址變量，如圖10所示。在LabVIEW前面板的控件屬性中，選擇將控件綁定到Datasocket下的OPC變量上，并設定控件對變量的訪問類型，通過以上步驟實現(xiàn)了LabVIEW控件對控制器控制命令的發(fā)送與反饋數(shù)據(jù)的接收。

在疲勞性能試驗中實現(xiàn)對壁面溫度周期性控制，是在手動保持試驗進口條件一定的情況下，通過軟件自動控制變頻器的頻率來實現(xiàn)的。在前期手動調節(jié)時記錄下壁面溫度高溫、低溫、限制溫度與變頻器反饋頻率間的對應關系，將頻率數(shù)值作為設定參數(shù)通過界面輸入到軟件中。在控制執(zhí)行時采用定時循環(huán)的方式向變頻器發(fā)送頻率給定值，定時時鐘設定為50ms。頻率給定值是隨時間周期連續(xù)變化的數(shù)值，單個周期內分為頻率上升階段如公式1、高頻保持階段如公式2、頻率下降階段如公式3、低頻保持階段如公式4。

式中：

tl——時鐘的時間間隔；

j——第i階段中的循環(huán)第次。

圖7 控制軟件程序框圖

圖8 控制軟件功能結構圖

圖9 串口轉網(wǎng)口服務器配置圖

圖10 OPC通訊配置配置圖

4 試驗風險因素

發(fā)動機燃燒室試驗是高溫、高壓、高耗能、高風險的試驗，考慮試驗成本因素，一般盡量縮短試驗前期實際的調試過程。新型的試驗可能存在一些未知因素風險，一般不直接采用閉環(huán)方式實現(xiàn)自動控制，而是先通過手動控制方式摸索，再進行進一步的自動控制。疲勞性能試驗具有自身特殊性。周期性的時序操作，長時間的操作過程，都增加了操作人員的操作難度，所以存在軟件的自動控制的必要性。

自動控制下可能出現(xiàn)的風險因素主要包括兩類：儀器測試故障和重要參數(shù)超限。儀器測試故障可能發(fā)生于儀器工作過熱，振動引起網(wǎng)絡連接、測點連接異常，儀器、計算機異常死機等，這類故障情況會造成試驗人員的誤判，做出錯誤的執(zhí)行動作。重要參數(shù)超限可能出現(xiàn)于設備操作不當，實際試驗影響因素超出預測值等，造成設備損壞。

5 試驗流程及安全措施

按照模擬試驗、手動控制試驗、自動控制試驗的流程順序開展試驗。通過模擬試驗驗證程序的可靠性，通過手動控制試驗摸索影響燃燒室壁面溫度的因素。在了解了溫度與頻率的相關性后開展自動控制試驗。在積累了大量燃燒室進口溫度、壓力、流量，余氣系數(shù)，壁面溫度，變頻器頻率等實際樣本數(shù)據(jù)后，再通過建立數(shù)據(jù)間數(shù)學模型，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制下的精確控制；

軟件自動識別硬件的故障信息，并共享給局域網(wǎng)內各個計算機軟件上，由控制軟件根據(jù)故障信息做出自動的處理，操作人員也可以通過軟件和硬件按鈕一鍵控制，處理異常情況。如表2所示。

表2 故障及處理辦法

設定變頻器給定頻率的上下限，預防試驗超溫現(xiàn)象對設備造成的損壞。

6 系統(tǒng)模擬測試結果

了評價系統(tǒng)的運行性能，在完成系統(tǒng)設計的編譯后，在試驗臺上模擬運行，并將試驗設定參數(shù)輸入到系統(tǒng)相關模塊，從正常狀態(tài)下和模擬故障下，系統(tǒng)運行的情況，對系統(tǒng)的可行性進行了驗證，如圖11、12所示。

7 結論

圖11 正常狀態(tài)模擬效果圖

圖12 異常狀態(tài)模擬效果圖

該文根據(jù)疲勞性能試驗需求，設計了測控系統(tǒng)的硬件與軟件。硬件上建立了基于網(wǎng)絡結構的測控系統(tǒng)，軟件上利用LabVIEW軟件平臺開發(fā)了測試軟件和控制軟件，利用OPC通訊方式，實現(xiàn)了上位機與變頻器、PLC的通訊，利用網(wǎng)絡共享變量實現(xiàn)了軟件間的數(shù)據(jù)傳輸，并開發(fā)了疲勞性能試驗的周期連續(xù)的時序控制方式。針對試驗中可能出現(xiàn)的風險，在系統(tǒng)設計中制定了相應的防范措施，通過模擬運行驗證了系統(tǒng)的可靠性，為正式疲勞性能試驗奠定了基礎。

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