基于LabVIEW的燃气轮机轴功率测试系统设计

满卫芳，彭 杉，丁 婷

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240；2.驻上海704所军事代表室，上海200031；3.中船重工第704研究所，上海200031）

基于LabVIEW的燃气轮机轴功率测试系统设计

满卫芳1，彭 杉2，丁 婷3

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240；2.驻上海704所军事代表室，上海200031；3.中船重工第704研究所，上海200031）

介绍了燃气轮机输出轴功率测试系统的开发。测试系统由数据采集硬件、串口通讯、工控机构成，数据采集节点和转换器通过USB总线相连，转换器和工控机通过串口实现通信。系统基于LabVIEW开发软件程序，以实现扭矩、转速信号的采集、传输、实时显示、存储和查询的功能。在环实验结果表明，测试系统工作正常、数据准确、通信稳定，实现了燃气轮机输出功率的测试。

轴功率测试；USB总线；LabVIEW

0 引言

燃气轮机是将气体压缩后与燃料在燃烧室混合后将燃料的化学能转化为燃气热能，再经燃气透平时将热能转变为机械能和电能的原动机。它直接采用空气作为工质，省去了锅炉、冷凝器、给水处理等大型设备，所以装置具有质量轻、体积小的特点[1]。在西气东输的管线中使用燃气轮机进行增压输送，燃气轮机的状态直接影响整条管线的实际输送效果，其输出效率直接决定输送的成本，为提高输出效率、改善机组的性能，对燃气轮机进行输出轴功率测试显得尤为重要。燃气轮机输出轴功率测试对实时监控要求非常高，用LabVIEW 平台设计的测试系统能满足这一要求。LabVIEW是美国国家仪器公司(NI)开发的产品，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化编程软件，又称G语言，与传统编程语言C、C++、Visual BASIC等相比，LabVIEW具有编程简单、直观、开发效率高等特点[2]。基于 LabVIEW 开发的测试系统价格合理、数据处理效率高，而且操作方便、界面美观，功能扩展性好。

1 测试系统组成及原理

测试系统以在西气东输工程中用于气体增压输送的燃气轮机作为测试对象，设计通过实时测试燃气轮机扭矩、转速，计算出燃气轮机输出轴功率，兼以温度、压力、燃料流量等几个参数，计算得出机组的效率，热效率=3600×燃料输入总热量/输出轴功率。本文根据轮机设计的技术参数及测试要求，结合目前国内扭矩测量的相关研究成果，设计了一套完全适用于西部管道燃气轮机性能现场扭矩、转速、功率参数测试的系统，如图1所示。

图1 燃气轮机输出轴功率测试系统组成

燃气轮机轴功率输出测试系统由扭矩传感器、转速传感器、扭矩转速参数采集系统、USB通讯接口、工控机等部分组成。在实际工况下，燃气轮机设计性能指标为扭矩量程 5kNm～100kNm，转速范围100r/min～6000r/min。由于扭矩量程大、精度要求高，因而使用自主设计的扭矩传感器，它由联轴器和粘贴于其上的全桥电阻应变片组成。根据应变片金属线材的电阻相对变化与轴向应变成正比[3]这一性质，建立应变与电阻变化进而与电压变化的正比关联，传感器灵敏系数通过国防大扭矩一级计量站 200kNm最高标准装置进行量值溯源。转速测量使用光电转速传感器，测量齿盘齿槽的转动脉冲频率，换算得转速。根据前期扭矩传感器溯源数据，结合齿盘测速参数，计算得出该系统的输出轴功率P：

式中，U为全桥应变片的桥压；f为激光脉冲传感器采集的脉冲频率。

2 测试系统设计及实现

根据燃气轮机输出轴功率测试系统的测试原理，选择合适量程及精度的传感器，通过合理的信号采集传输方式，将采集数据集中到上位PC机上进行实时显示并进行数据存储。从硬件组成、数据传输通讯设计、操作软件设计三个方面详述。

2.1 下位机硬件组成

轴功率测试系统硬件部分包含扭矩传感器、转速传感器、信号采集处理、信号传输等。按照在系统中的功能划分为扭矩采集和发射接收模块、转速采集模块。结合实际使用时的安装位置，建立如图2所示的原理框图。

图2 轴功率测试系统硬件原理框图

扭矩信号采集和发射模块，采用高精度低纹波系数的电源电路将外部3.7V直流电压调理成稳定的直流电源3.3V并以此作为传感器和AD转换芯片的激励源和参考电压。应用高精度仪表放大器和信号调理电路，将应变信号0mV/V～2mV/V进行放大，以及滤波处理，采用24位高精度、低噪声AD转换芯片CS5532，以提高测量数据的准确性和采样精度。采用高速低功耗处理器nrf24le1，以保证采集数据的速度和实时性，同时，该处理器是单芯片GFSK处理器，集成了2.4G无线射频收发器，可实现数据的无线发送。组成框图如图3所示。扭矩信号接收和转速测量模块，采用高速低功耗处理器nrf24le1作为数据无线接收部分处理器，将扭矩和转速数据并行传入主处理器STC12C5A60S2，该处理器具有高速低功耗特点，能满足系统长时间在线测试的需求。转速采集模块采用高精度低纹波系数的电源电路将外部220V/50Hz交流电处理成稳定的直流电源，以为转速传感器供电。采用高速的晶振时钟填充方式，将测周和测频的方法结合使用，以进行转速脉冲测量，保证转速的精确测量。

图3 扭矩测量模块功能组成框图

2.2 数据传输通讯设计

轴功率测试系统的数据通讯设计主要在串口通讯方面，即PC机与串口转高速USB接口之间的通信。LabVIEW的串口通信功能模块可实现PC机与处理器之间的通信。LabVIEW串口编程有两种方式：传统的串口编程方式和VISA编程方式。考虑到VISA的接口高通用性、高可访问性和可配置性，尤其是其具有接口函数少、编程简单的特性，测试系统串口通信采用了VISA编程方式。

串口通信程序由串口参数设置、接收数据模块组成。利用VISA配置串口函数对串口进行初始化[4]。该函数有多个输入参数：VISA资源名称，COM1；波特率，57600bps；数据位，8位；奇偶位，无；停止位，1位；流控制，无；终止符，无。利用VISA读取函数读取串口接收的数据(接收缓冲区中)。在接收数据之前使用 VISA串口字节数函数查询当前串口接收缓冲区中的数据字节数，VISA读取函数读取当前串口缓冲区的数据。

通过VISA函数对串口的配置、读取和写入程序，实现了下位机采集节点数据的接收和向上位机数据的发送。

2.3 上位机软件功能设计

西部管道燃气轮机输出功率测试系统软件，采用图形化编辑语言LabVIEW开发，将接收到的数据进行显示和处理，主要包括测试系统主功能参数图形化逻辑控制、测试数据实时显示、采集数据存储和查询等功能模块。程序面板如图4所示。

图4 测试系统程序界面

主要图形化逻辑控制，将测试系统需要完成的设计指标，通过集成的方式，将数据采集处理的全程进行流程设置，实现功能模块化分组，以达到操作一键化、人机交互友好的目标。

测试数据实时显示，主要包括：当前数据的实时显示、历史数据的列表和曲线显示、数据报表的打印。数据的显示由LabVIEW提供的控件完成，数值显示控件只显示数据的当前值，无法反映量值变化，影响测控效果。为此，测试系统在此基础上嵌入了波形显示功能，使用波形图表控件显示所有数据的历史图形，为保证显示效果，波形显示设计为切换式。此外，可根据需要选择是否进行测试数据打印。

数据存储和查询功能模块，将采集数据存储在ACESS 数据库中，包括测试时间(年/月/日/时/分/秒)、扭矩值(Nm、kNm)、转速值(r/min)及功率(kW)，测试数据可根据测试时间区间进行查询。

在已经完成测试系统设计的基础上，进行系统在环联调实验，检验系统的稳定性能、操作便捷度、功能实现率。通过现场实验验证了测试系统完全符合西部管道燃气轮机输出轴功率测试的设计需求，系统工作稳定，测量精度和准确度满足设计标准，软件使用交互性较好。对在环测试时软件部分状态进行截图，测试系统软件启动界面如图5所示，测试系统软件主界面如图6所示。

图5 测试系统软件启动界面

图6 测试系统PC主界面

3 结论

基于 LabVIEW 开发燃气轮机输出轴功率测试系统软件可使界面设计简单，程序设计运行效率高。本文介绍的燃气轮机轴功率测试系统已经应用于西部管道工程中对燃气轮机运行状态的实时监控。运行状况表明，该测试系统能正常工作，运行状态良好，上位机与下位机通信稳定可靠，实验数据显示清晰易辨，监控界面美观友好，软件操作简单方便，实现了测试系统的实时监控，这为西气东输领域燃气轮机输出效率的实验研究提供了良好保障。

[1]翁史烈.燃气轮机与蒸汽轮机[M].1997.

[2]Jeffery Travis,Jim Kring.LabVIEW大学实用教程[M].北京:电子工业出版社,2008.

[3]商维绿,缪德源,钱顺章,等.现代扭矩测量技术[M].上海:上海交通大学出版社,1999.

[4]朱文发,柴晓冬,郑树彬,等.基于 LabVIEW 的惯性测量单元信号采集及处理系统设计[J].计算机测量与控制,2012,20(6):1697-1698.

Design of Test System of Gas Turbine Shaft Power#Based on LabVIEW

MAN Wei-fang1,PENG Shan2,DING Ting3
(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240;2.Military Agent's Room in Shanghai 704 Institute,Shanghai 200031,China;3.704 Research Institute of CSIC,Shanghai 200031,China)

This paper introduces the design of shaft power test system of gas turbine.The system consists of data acquisition hardware,serial port communication and PC,where data acquisition nodes and converter connect through USB bus.The converter and industrial PC communicate via a serial port.System software develops program based on LabVIEW,then,the signal collection,transmission,real-time display,storage and query functions about the torque and rotate speed are realized.The ring experiments show that,the test system works properly,the data are accurate and communication runs stable,which can meet the test requirement.

shaft power test; USB bus; Lab VIEW

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.014

满卫芳(1973-)，女，研究生，主要从事扭矩量值领域的仪器仪表工程设计开发工作。