壓縮機性能測試系統

應用領域：產品測試
使用的產品：LabVIEW、DAQ、SCXI
挑戰：
用基于計算機的測控系統代替手工操作，提高自動化水平，改善工作條件，確保監測數據的精確、可靠。
應用方案：
以NI公司的LabVIEW軟件、DAQ卡、SCXI卡和現有的變送器等構成一套基于PC的壓縮機性能自動測試系統。
介紹：
壓縮機是一種工業生產中廣泛使用的機械設備。這種機械依靠在氣缸內作往復運動的活塞或作旋轉運轉的轉子的作用，使吸入氣體的體積縮小而提高壓力，以滿足生產需要。這種產品的結構比較復雜，除機械、電氣部分外，還有氣、油、水等多種回路。為了保證和提高壓縮機的質量，對其性能進行測試是一個不可缺少的環節。但是到目前為止，這項工作基本上是以手工為主進行的。因此，工作效率低、勞動條件差，測試結果的可靠性、準確性也不高。少數單位開發了自動測試系統，不過，并沒有很好地用上去，或者，測點少，功能不強。本文針對國內現狀提出一種基于計算機的自動測試系統方案。

1 總體結構
本文介紹的測試系統由帶有PCI總線的工業控制計算機、NI公司的LabVIEW軟件、1塊DAQ采集卡、9塊SCXI調理卡（1塊SCXI-1121、7塊SCXI-1125、1塊SCXI-1162）、1臺12槽機箱SCXI-1001和溫度、壓力、流量變送器等構成（圖1）。在計算機的控制之下，按照國標《一般用容積式空氣壓縮機性能試驗方法》（GB3853）的規定，測定單級和兩級壓縮的壓縮機性能，繪制特性曲線，打印試驗報告。

測試系統采集的參數有：吸氣溫度、壓力；排氣溫度、壓力；壓縮機轉速、軸功率；強電系統的電壓、電流、功率；冷卻水的溫度、壓力、流量；供油系統的壓力、溫度等。與此同時，測試系統還通過輸出控制電路對機組的工作狀態進行控制。
2 信號I/O和調理
按照試驗要求和標準規定，測試系統的測溫范圍為0~200℃，測量吸入/排出空氣溫度和冷卻水溫的誤差≤±0.2℃，測量油溫的誤差≤±1℃。為滿足要求，將被測溫度經標準鉑電阻Pt100等轉變為100.00~176.00Ω的電阻或4~20mA的電流，送SCXI-1121和SCXI-1125調節，然后輸入PCI-MIO-16E-4 DAQ卡。
SCXI-1121有4個隔離的輸入通道，每個通道都帶有激勵源。測試系統利用它提供的0.15mA精密（準確度為±0.04%）恒定電流，將電阻信號轉變為精確的電壓信號，以四線制方式測出此電壓；經隔離、放大、抗噪音濾波后（以適應惡劣的現場環境），送DAQ。
SCXI-1125有8個隔離的輸入通道。在輸入端子SCXI-1138（含有249Ω的精密電阻）的配合下，將變送器輸出的4~20mA電流轉變為1~5V電壓，以讀數的0.08%精度對其進行測量。按標準規定，測量吸排壓力的誤差小于±0.4%即可（測量油壓的誤差小于±2%），故SCXI-1125也用來測量氣壓、油壓（已由變送器變換為4~20mA電流）。此外，SCXI-1125的5V輸入通道還用來測量經互感器和變送器變換的交流電流、交流電壓和功率（精度要求為±0.5%）等強電電量。
各塊SCXI卡的輸出分別接入具有16個單端模擬輸入通道的PCI-MIO-16E-4 DAQ卡的不同通道。DAQ卡可以高達250kS/s的采樣速率采樣，5V量程時的測量精度為讀數的0.07%。在各輸入模塊的配合之下，完全滿足了動態測試、“同時讀取”工況參數和較高的測量精度要求。此外，這種DAQ卡還帶有2個模擬輸出口，8個數字I/O口等。
壓縮機的轉速和輸入扭矩用轉速轉矩傳感器轉變為數字量，冷卻水的流量經流量變送器轉換為數字量，然后經過具有32個輸入通道且以光耦隔離的SCXI-1162卡也送入DAQ卡測量。
DAQ的數字I/O口除用于輸入測量外，還通過輸出控制電路控制配電柜的繼電器、接觸器的通斷；而它的模擬輸出部分則通過D/A轉換及相關電路向閥門定位器輸出4~20mA電流，控制閥門開度，調節流過的水量或氣體壓力。
3 試驗流程和程序
測試壓縮機性能的程序用LabVIEW圖形化編程環境編制，利用它的模塊化、層次化結構，工程技術人員在幾周內即可構成或基本構成要求的測試系統。這種解決方案直觀、簡單易學，使用起來也不復雜。在本系統中，測試程序大致由試驗管理模塊、數據采集模塊、輸出控制模塊、數據處理模塊、顯示模塊、文件管理模塊和報警模塊等構成。軟件程序借助于DAQ卡采集被測量和控制試驗的進行。利用鍵盤、鼠標和顯示器（圖形化軟面板）等進行人機對話。軟件的主要功能與試驗流程（圖2）相對應：

1.運行試驗管理模塊，按照試驗要求和GB3853標準等規定，輸入試驗的類型、試驗的項目、額定參數、規定的工況參數、試驗條件和硬件配置等。
2.運行采集和控制等模塊，起動機組預運轉，掃描軸承、機殼等部位的溫度，考核零部件的配合情況，判斷機組能否平穩運行。
3.機組能平穩運行則轉入下一步，按GB3853的要求，將運轉參數，如冷卻水溫、總壓力比、主軸轉速等，調整（測量、計算、比較、調整）到允許的波動范圍之內。
4.在規定的工況下，測量吸排氣溫度、壓力，冷卻水溫度、壓力，油系統溫度、壓力、壓縮機轉速與軸扭矩等。進行常規性能測試，處理測得的數據和顯示測試結果。
5.調節閥門的開度和主軸轉速等，進行超溫、最高許可轉速、最高許可壓力等試驗?？己藱C組能否可靠運轉。
6.機組關機。運行數據處理模塊和文件管理模塊等，詳細分析、處理測得的數據。如，以測得的溫度、壓力等計算求得壓縮機的排氣量，以測得的轉速、扭矩求得軸功率，以排氣量和軸功率求得規定工況下的比功率；繪制示功圖、氣流脈動曲線等；打印試驗報告和將試驗文件存檔。
7.壓縮機試驗期間，測試系統不斷對其轉速、壓縮比、排氣溫度和油溫等進行監控，發現越限則立即調用報警模塊報警和強行停車。
上述以LabVIEW等實現的系統既可用于產品出廠檢驗，又可用于型式試驗；既可用于測點較少的小型產品測試，又可用于測點較多的機組性能測試。
4 結束語
LabVIEW是一套專為數據采集、數據分析和數據表達而設計的圖形化編程環境，功能強大、靈活直觀，可大幅度減少傳統系統設計所需的開發時間；DAQ卡、SCXI卡是以模塊為基礎的硬件，也給系統的組建、變更和維護帶來很多方便?？梢韵胂?，以LabVIEW和DAQ卡、SCXI卡等構成的壓縮機性能自動測試系統肯定會給用戶帶來許多好處，在行業中也有較高的推廣價值。若在硬件中增加新的插卡/機箱，在軟件中增加新的功能模塊，測試系統的功能還可進一步擴展。如，將測點擴展到幾百點，或同時測試多臺機組的性能；擴大系統的輸出控制功能；分析測得的數據，提出產品改進意見或方案；在企業內部或企業間通信，協同工作，共享有關數據等。