基于LabVIEW的多功能流体控制实验台自动测控系统

Author(s):
健翔 郭 - 青岛理工大学
畅 刘 - 青岛理工大学

Industry:

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, PXI/CompactPCI, Signal Conditioning

The Challenge:
在自然界或各类工程领域中的流体实际流动情况往往不易控制，无法重复，且流动尺度大，实验成本高。要求在短期内开发出多功能流体控制实验测控系统，控制实验条件，模拟实际流动情况，完成多个参数及特性曲线的自动测试，并将所有测试数据以报表形式保存、打印并以E-mail形式发送。

The Solution:
采用NI公司的PXI-8186嵌入式控制器为核心，结合多功能数据采集模块及信号调理模块，开发满足要求的测试系统，并通过Report Generation Toolkits完成报表的制作。同时，利用串口通信实现主机对变频器的多种控制，连续改变管道内流体参数，实现对不同流动情况的模拟。

一、多功能流体控制实验台测控系统概述

1.系统实验装置

系统原理图如图1所示，系统的机械循环由水箱、循环水泵、加压水泵、稳压罐、电磁阀、测试元件、管路等组成。其工作原理：驱动变频器开启带动水泵运行，使流体在管路里循环，应用变频调速技术控制泵的转速，可连续改变管道内流体的流速、流量等参数，通过压力控制器控制加压水泵，来调节测试系统的工作压力。针对不同管径的实验件，设计了大、中、小三个管径不同的管路。试验时，在计算机上控制电磁阀的开启，保证对应的管路保持通路。

图1 流体控制系统实验台原理图

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2.系统硬件设计

基于PXI总线的仪器具有速度快、体积 小、易扩展等优点，因此该系统的硬件平台基于PXI总线。系统主机箱选用了8槽的PXI-1042，控制器选用PXI-8186嵌入式控制器，大大提高了系统的扩展性和集成度。信号调理设备和数据采集硬件采用NI公司SCXI-1122多功能信号调理模块和PXI-6289数据采集模块，完全满足测试要求。图2所示即为该系统实物图。控制器上接有RS-232/RS-485转换器，上部为SCXI调理机箱，从传感器过来的信号线通过连线端子接入到信号调理模块中，系统硬件组成框图见图3。

图2 PXI控制器及NI板卡

图3系统硬件组成框图

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二、实验项目介绍    

    本测试系统能完成多种实验项目，且由于其极优的扩展性，可以方便地扩展我们所需的其他测试功能，现就部分功能及测试方法做简要介绍。

1. 阀门流量特性实验

将测试阀门按其尺寸安装在管路相应位置上，开动变频器使其频率按指定速率上升，控制水泵转速上升，阀门两侧压差随之变化，同时得到对应的流量值。当阀门两侧压差值到达其最大压差值或运行频率到达50HZ时，变频器自动减速停机。记录流量传感器和压差传感器的数值，绘出压差流量特性曲线，完成该项试验。图4所示为流量平衡阀流量特性曲线的测试结果，包括进程与回程两个过程。

图4 流量平衡阀流量—压差曲线

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2. 阀门开度特性实验

将带有执行器的调节阀装在管路上，调节阀门上的开度来调节流量，同时将阀门两端压差控制在100kPa，得到开度流量特性曲线，也包括进程与回程两个过程。                                                                 

3. 水泵工作特征曲线测试

打开被测管线上的开关阀，关闭其它的开关阀和切换阀，保证测压点一一对应。启动变频器，保持水泵在某一转速持续运行，压差计及管道上对应的流量计分别测量水泵两侧压差与流量。试验结束后，可分别得到扬程流量特性曲线、轴功率流量特性曲线和效率流量特性曲线。

4 变频供水系统测试

    由于其高效节能性，变频供水系统已得到越来越多的应用。利用本实验台可以模拟变频系统，测试变频管网的流动特性和调节特性，为管网设计提供理论基础。

5 管段、管件及流体设备阻力系数测试

利用特殊制作的夹具，将被测管件及设备连接在实验系统中，可以测出其阻力及流量曲线，实验方法如同阀门测试，继而求出摩擦阻力系数和局部阻力系数。

 

三、系统软件的设计与实现

1.计算机测控软件简介

此实验系统软件在NI的LabVIEW平台上进行开发。LabVIEW是虚拟仪器领域中最具代表性的图形化编程开发平台，是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一。以此为平台开发的测试程序具有人机交互界面直观友好、容易操作，显示内容清楚直观等特点。可通过界面控制整个实验过程，就像直接操纵仪器一样，可在界面上看到以数据和图形方式显示的控制信息和测试结果。软件还有各种控制及监控功能，如流量测点、压差测点等参数的实时监控；系统运行状态、变频器运行状态、电动调节阀和传感器工作状态的实时监控；自动选择测试管路和数据传输通道；自动生成测量数据表格和有关性能曲线；可以在网络上发布测试软件前面板的图象，或在网络上打开其他计算机内存中的程序前面板，安全、快捷地进行程序的远程控制等等。

2. 软件设计

软件包括欢迎界面、登陆界面、功能选择界面、不同实验项目的测试主界面等。功能选择界面可以根据需要选择测试项目，进入该测试主界面进行测试。 以“阀门流量特性实验”为例，界面由四个模块化分页窗口组成，分别为实验台简介和系统流程图窗口，流量压差曲线和监视曲线窗口，参数设置和选点设置窗口，测控台和报表生成窗口。如图5所示。

图5：阀门流量特性测试主界面

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①在流程图窗口里不仅可清楚直观的显示管路内水流动过程，还可实时显示测得的压差值和流量值，方便监视系统运行情况。

②由所测压差值和流量值确定的每一个点，都实时显示在压差流量曲线图界面上，曲线走向一目了然。

③参数设置界面是用来设置所测阀件的产品参数，如种类、名称、尺寸、编号等。此外，还包括采集通道、采集率，仪表量程等参数。

④测控台完成整个测试的采集过程和变频过程，是测控软件的核心部分，变频器频率在下方实时显示。

⑤选点设置与报表生成窗口用来完成报表的制作。选点设置窗口如图6（a）所示，选点可手动或自动，选点的流量、压差值显示在下方表格中，包括进程与回程。报表生成窗口见图6（b），设置保存路径，打印份数，还可将报表通过E-mail发送出去。

图6 报表制作窗口

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报表格式见图7。

图7 报表格式

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3. 通讯部分

测试中为了不断改变测试件两侧的流量与压差，以得到多种工况下的测试结果，系统采用变频调速技术控制水泵的转速。因此，怎样实现对变频器的控制是实验的关键技术之一。串口通信使用控制器内置的RS-232串口，通过RS-232/RS-485转换器实现发送或接受数据的目的。RS485接口与RS-232相比具有传输距离更远、抗干扰能力更强等优点，这种方式设计的串口通信使得系统具有稳定、准确、经济等优点。图8所示为控制变频器的程序流程图，开机后选择频率给定方式为手动或自动（若不选择，变频器频率按照默认速度上升）。手动情况下，当频率到达指定频率，变频器在此频率下一直运行，不再变化，直到用户改变指定频率，此种方式只能手动停机；自动情况下，运行频率按照给定速度上升，此速度在运行过程中可以任意改变，当所测压差达到压差上限或运行频率达到50HZ时，变频器自动停机，也可手动停机。其LabVIEW后台程序如图9所示。

图8 控制变频器流程图

图9 串口通讯部分LabVIEW后台程序

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四、结论

传统的流体控制多功能测试系统管路繁多、系统庞杂，需要多台测控仪器分别作业，操作复杂、测试成本高。而本文所研究的采用虚拟仪器技术的测试系统，需要设备总量大大减少，不但加快了测量进程，提高了测量准确性，而且便于调试，降低了实验成本，同时具有自动化程度高和信息化程度高的特点。另一方面，由于虚拟仪器的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当测试要求变化时，可以方便地增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的虚拟仪器系统而不丢弃已有的硬件和软件资源，从而缩短软件开发周期，增加程序的可复用性，降低开发成本。

由此，我们研制了多功能流体控制实验台，运用LabVIEW编程开发出测试软件，实现了流体控制中流动情况的模拟与流体控制元件的测试，对各测量点及实验设备运行状态实现了实时监控，并可实现测试数据的远程传输和检索，大大提高了测试效率，为科研单位及生产企业进行流体控制技术研究和产品开发提供了有力的工具。

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健翔 郭
青岛理工大学

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