基于LabVIEW的燃烧室疲劳性能试验测控系统设计

陈海清，孙永飞，张鹏淼

（沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

0 引言

主燃烧室疲劳性能试验主要验证新型材料结构的火焰筒耐温能力和热疲劳的能力[1,2]，评估新材料燃烧室的综合性能[3]。因此疲劳性能试验具有与常规燃烧室试验不同的特点，一方面要求对燃油进行周期连续的过程控制，手动操作很难实现准确的时序控制；另一方面在燃油流量调节的操作过程中需要监视多个参数，防止试验风险出现，操作人员很难同时兼顾多个参数。所以在这种情况下就需要利用计算机程序自动控制来实现试验的控制目标。

LabVIEW是目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一。LabVIEW是一种图像化编程语言[4]，它用图标、连线和框图代替传统的程序代码，利用丰富的VI模块，能够实现测控程序的快速开发。LXI总线仪器具有可靠性高、紧凑灵活、体积小、数据传输便捷、吞吐率高等特点，适合于构建分布式的测试系统[5]。工业变频器[6]的作为一种功能越来越强大的大功率电子设备，广泛普及于自动化系统中，采用变频器控制方式不仅可以提高电机控制上精度，并且可以减少人为操作，为智能控制提供了一种可行的手段。基于以上3种技术手段，本文提出一种LabVIEW＋LXI+变频器组合形式的测控系统，部分改变了传统试验中手动的测控方式，将计算机强大的计算能力和仪器设备硬件的测量、控制结合起来，满足了疲劳性能试验测试和控制的需求，通过试验模拟仿真方式，取得了较好的控制效果。

1 疲劳试验测控任务需求

试验需要实现148路物理量通道和35路计算通道数据的监视、记录。其中物理量通道主要实现对温度、压力、流量、角度、频率等参数的采集，计算通道主要实现对空气流量、燃烧效率、分布系数等参数的计算过程，对其中主要参数设定限值范围，并做超限报警提示。记录方式采用连续采集方式和即时报表输出方式。软件上实现数据的多种显示方式，如数值格式、柱状图、实时曲线图、历史数据回放曲线图、数据场云图等。测试系统需要与旋转控制系统、燃油控制系统、燃气分析系统[7]实现局域网内的数据交互，实现数据共享。

试验的燃油控制方式采用手动和自动两种方式，控制目标为燃烧室全部壁面温度中最大值按设定规律周期变化，如图1所示。控制策略为在保证试验进口条件一定的情况下，供应的燃油流量大小按时序周期性自动调节。控制参数如时间、目标值、限值、循环次数均可实现界面化输入。

图1 疲劳性能控制规律

发动机燃烧室试验为高温高压型试验，在试验过程中试验设备要受到严酷的热、力载荷，试验操作不当会造成重大损失，因此防控试验风险显得尤为重要。测控系统需要有对风险的预防处理手段，做好试验的安全防护工作。

2 硬件系统设计

测控系统主要硬件包括；计算机、数据采集设备、电源、PLC和变频器几部分组成。主要硬件以网络为基础搭建，利用网线和交换机连接各个设备，系统结构如图2所示。现场变送器输出的信号为4～20mA电流信号，采用信号线连接；电偶输出mV电压信号，采用补偿导线连接；现场流量计输出频率信号，经信号调理模块将信号转换后，输出mV信号，这些模拟量信号由LXI数据采集仪器进行分区域的集中采集。现场集中的压力测点经高压尼龙管引出，由DSA压力扫描阀采集。LXI数据采集仪器和DSA压力扫描阀安装在靠近测点的位置，由网络向计算机发送实时数据，由软件实现数据的处理。测控系统中的电源采用UPS+稳压电源的供电方式，这样即避免了干扰信号的引入，又防止了异常停电对试验设备造成的损失。

变频器的通讯接口为RS485串口[8,9]，利用研华EKI-1522型串口转网口服务器，将变频器端口连入了局域网络中。通过变频器控制油泵电机转速，从而实现对燃油流量大小的调节过程。本系统中选用的是ABB公司的ACS510变频器，该变频器可以反馈电流、频率和温度，通过监视这些参数，可以有效防止试验中燃料供应异常情况的出现。

控制系统中安装急停按钮，通过继电器控制燃油管路上的电磁阀通断，当异常情况出现时，可人为切断燃油的供应，防止燃烧超温现象。

变频器可接收0～10V直流电压控制信号，因此手动控制方式采用外部电路对变频器进行控制，利用高精度电位器调节变频器的输入电压控制信号，变频器将接收到的电压值转化为输出频率，从而实现了燃油电机泵的远程手动控制过程。

3 软件系统设计

LabVIEW是美国NI公司开发的一种基于图形化的编程语言，它内置数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试功能，包括VISA、GPIB、RS232、DAQ等模块和基本分析库；提供强大的数据分析、处理、显示功能的同时还保证系统灵活性；LabVIEW具有开放的系统互连性及广泛的硬件支撑，具有DDL和CIN接口，可以与多种设备直接连接；流程图式的开发环境大大简化了程序开发的复杂程度，利用LabVIEW的数据探针，可以在软件调试阶段即时发现程序错误，缩短开发周期；。

为了满足试验任务需求，本文设计的软件由测试软件和控制软件组成，分别安装在两台计算机上。软件采用LabVIEW语言开发，软件间的数据交换采用LabVIEW发布的网络共享变量作为数据交换的途径，软件与变频器、PLC之间采用OPC方式进行通讯，结构及功能如图3所示。

图2 硬件系统结构图

图3 软件通讯方式

3.1 测试软件设计

测试软件结构分为软件管理、数据处理、数据显示传输三个部分，分为三个线程编辑，程序框图如图4所示。利用LabVIEW模块化的结构逐个实现每一个部分中具体的功能，如图5所示。

软件管理功能模块是通过前面板的下拉菜单方式切换到相应信息管理界面的前面板上，其中信息管理界面包括：仪器管理界面、试验项目管理界面和试验文件管理界面。仪器管理实现对仪器的数量增减、初始化、参数设置和仪器管理信息的记录等；试验项目管理实现对试验项目调用、测试通道配置；试验文件管理实现对记录文件模板复制、文件路径修改、文件信息查询。各个信息管理界面与测试软件主界面间以全局变量作为信息的传递渠道。

数据处理功能模块中的数据以簇结构格式进行传递，簇结构内包括通道名称、通道数值、通道上下限、异常报警等通道信息。这种数据格式方便了数据通道的信息管理和数据的显示。利用Database组件实现了LabVIEW对Access数据库的查询、插入功能的操作，通过这种方式将数据连续记录在Access数据库中。利用自动化引用句柄的形式调用了Excel应用程序，并将数据逐个写入到复制的模板报表下的具体Range单元格中，从而形成标准格式的报表，通过这种方式记录试验状态点的稳态数据。

图4 测试软件程序框图

图5 测试软件功能结构图

测试软件与其他软件间采用LabVIEW的网络共享变量进行传输。共享方式的实现过程，首先分类建立变量库，如图6所示。将变量数据类型设置为变体，变量类型设置为网络发布。其次将变量库在局域网内进行部署，通过这个过程实现了变量库在多台计算机的共享。然后在软件的前面板的控件属性中，选择将控件绑定在共享变量引擎（NI-PSP）下的共享变量上，并设定控件对变量的访问类型，通过以上步骤实现了数据在网络中的传输过程，共享变量库如表1所示。

图6 共享变量建立示意图

表1 共享变量库

3.2 控制软件设计

控制软件结构分为参数输入、控制执行和故障处理三部分，分三个线程编辑，程序框图如图7所示，软件功能如图8所示。利用研华串行服务器组件，实现了在上位机虚拟的串行端口，如图9所示，利用NI OPC SERVER组件建立了上位机与控制器寄存器连接的地址变量，如图10所示。在LabVIEW前面板的控件属性中，选择将控件绑定到Datasocket下的OPC变量上，并设定控件对变量的访问类型，通过以上步骤实现了LabVIEW控件对控制器控制命令的发送与反馈数据的接收。

在疲劳性能试验中实现对壁面温度周期性控制，是在手动保持试验进口条件一定的情况下，通过软件自动控制变频器的频率来实现的。在前期手动调节时记录下壁面温度高温、低温、限制温度与变频器反馈频率间的对应关系，将频率数值作为设定参数通过界面输入到软件中。在控制执行时采用定时循环的方式向变频器发送频率给定值，定时时钟设定为50ms。频率给定值是随时间周期连续变化的数值，单个周期内分为频率上升阶段如公式1、高频保持阶段如公式2、频率下降阶段如公式3、低频保持阶段如公式4。

式中：

tl——时钟的时间间隔；

j——第i阶段中的循环第次。

图7 控制软件程序框图

图8 控制软件功能结构图

图9 串口转网口服务器配置图

图10 OPC通讯配置配置图

4 试验风险因素

发动机燃烧室试验是高温、高压、高耗能、高风险的试验，考虑试验成本因素，一般尽量缩短试验前期实际的调试过程。新型的试验可能存在一些未知因素风险，一般不直接采用闭环方式实现自动控制，而是先通过手动控制方式摸索，再进行进一步的自动控制。疲劳性能试验具有自身特殊性。周期性的时序操作，长时间的操作过程，都增加了操作人员的操作难度，所以存在软件的自动控制的必要性。

自动控制下可能出现的风险因素主要包括两类：仪器测试故障和重要参数超限。仪器测试故障可能发生于仪器工作过热，振动引起网络连接、测点连接异常，仪器、计算机异常死机等，这类故障情况会造成试验人员的误判，做出错误的执行动作。重要参数超限可能出现于设备操作不当，实际试验影响因素超出预测值等，造成设备损坏。

5 试验流程及安全措施

按照模拟试验、手动控制试验、自动控制试验的流程顺序开展试验。通过模拟试验验证程序的可靠性，通过手动控制试验摸索影响燃烧室壁面温度的因素。在了解了温度与频率的相关性后开展自动控制试验。在积累了大量燃烧室进口温度、压力、流量，余气系数，壁面温度，变频器频率等实际样本数据后，再通过建立数据间数学模型，从而实现闭环控制下的精确控制；

软件自动识别硬件的故障信息，并共享给局域网内各个计算机软件上，由控制软件根据故障信息做出自动的处理，操作人员也可以通过软件和硬件按钮一键控制，处理异常情况。如表2所示。

表2 故障及处理办法

设定变频器给定频率的上下限，预防试验超温现象对设备造成的损坏。

6 系统模拟测试结果

了评价系统的运行性能，在完成系统设计的编译后，在试验台上模拟运行，并将试验设定参数输入到系统相关模块，从正常状态下和模拟故障下，系统运行的情况，对系统的可行性进行了验证，如图11、12所示。

7 结论

图11 正常状态模拟效果图

图12 异常状态模拟效果图

该文根据疲劳性能试验需求，设计了测控系统的硬件与软件。硬件上建立了基于网络结构的测控系统，软件上利用LabVIEW软件平台开发了测试软件和控制软件，利用OPC通讯方式，实现了上位机与变频器、PLC的通讯，利用网络共享变量实现了软件间的数据传输，并开发了疲劳性能试验的周期连续的时序控制方式。针对试验中可能出现的风险，在系统设计中制定了相应的防范措施，通过模拟运行验证了系统的可靠性，为正式疲劳性能试验奠定了基础。

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