裝配圖風機狀態(tài)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計

裝配圖風機狀態(tài)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計,裝配,風機,狀態(tài),狀況,測試,系統(tǒng),總體,整體,設(shè)計 風機狀態(tài)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計 開題報告 班級（學(xué)號） 機0405——37 姓名 張新泉 指導(dǎo)教師 王會香 一、 綜述 1. 課題研究的目的和意義 隨著機械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，機械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的相互滲透也越來越快。要實現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品的短、小、輕、薄和智能化，達到節(jié)省能源、節(jié)省材料、實現(xiàn)多功能、高性能和高可靠性的目的，機械與電子結(jié)合就成為了現(xiàn)代科技發(fā)展的趨勢。 風機是把原動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w能量的一種機械,它是用來提高氣體壓力,并輸送氣體的機械,是透平機械中的一種。 風機按工質(zhì)壓力提高的程度來分,可以分為四種： 1） 風扇(<100Pa) 2） 通風機(0.1-15kPa) 3） 鼓風機(15-250kPa) 4） 壓縮機(>250kPa或壓比>3.5) 壓縮機的壓比又稱壓縮比，是壓縮機出口與進口處氣體壓力之比。 風機使用面廣，種類繁多，在工業(yè)生產(chǎn)中利用風機產(chǎn)生的氣流做介質(zhì)進行工作，可實現(xiàn)清選、分離、加熱烘干、物料輸送、通風換氣、除塵降溫等多種工作。由于風機理論至今仍欠完善，所以風機性能參數(shù)的獲取主要依賴于性能試驗。風機性能試驗是在風機轉(zhuǎn)速不變的情況下，改變風機的流量，檢測風機各性能參數(shù)，并繪制性能曲線的過程。目前，風機用戶為了提高經(jīng)濟效益，在選擇風饑時對它的各項性能指標提出了更為嚴格的要求．如壓力，流量，轉(zhuǎn)速，功率．噪聲，可靠性等。同時，風機生產(chǎn)廠家為了提高產(chǎn)品的競爭能力，在努力改進氣動設(shè)計，提高機械加工的同時，也對風機性能試驗的研究和開發(fā)給予了高度的重視。并且在電氣拖動設(shè)備的運行過程中, 經(jīng)常遇到這樣的問題, 即拖動設(shè)備的負荷變化較大, 而動力源電機的轉(zhuǎn)速卻不變, 也就是說輸出功率的變化不能隨負荷的變化而變化。在實際中這種“大馬拉小車”的現(xiàn)象較為普遍, 浪費能源。在許多生產(chǎn)過程中采用變頻調(diào)速實現(xiàn)電動機的變速運行, 不僅可以滿足生產(chǎn)的需要, 而且還能降低電能消耗, 延長設(shè)備的使用壽命。鼓風機系統(tǒng)采用變頻調(diào), 并應(yīng)用PLC或者單片機構(gòu)成風壓閉環(huán)自動控系統(tǒng), 實現(xiàn)了電機負荷的變化變速運行自動調(diào)節(jié)風量, 即滿足了生產(chǎn)需要, 又達到了節(jié)能降耗的目的[1]。由此可見，風機性能測控系統(tǒng)對于成品的檢驗和新產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)都至關(guān)重要，特別是對于大型、特型風機以及單件、小批量而且氣流特性有特殊要求的情況，性能試驗尤為重要。虛擬儀器(VI)技術(shù)是目前測控領(lǐng)域中最為流行的技術(shù)之一，它利用I／O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，利用計算機軟件實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理，利用顯示器豐富的顯示功能來多形式地表達和輸出檢測結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)成一個具有完整測試功能的計算機儀器系統(tǒng)，即虛擬儀器。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器的基本功能，同時又能根據(jù)用戶的要求隨時進行定義，實現(xiàn)多種多樣的應(yīng)用需求，具有擴展靈活、界面友好、操作簡便、性價比高等特點，目前，虛擬儀器技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用[2]。 2.課題的研究現(xiàn)狀及已有成果 風機在國民經(jīng)濟各部門中運用十分廣泛。為使風機能經(jīng)常在高效區(qū)運行，需參照風機性能曲線來選擇風機的運行工況點，風機性能測控是科學(xué)、合理、客觀地評價其性能指標的方法。 （一）目前，我國通風機性能測試方法以傳統(tǒng)常規(guī)方法為主，它存在著參與人員多、可靠性差、測試效率低等弊端，給通風機設(shè)計、使用、教學(xué)、科研等部門對其性能研究帶來諸多不便。為適應(yīng)現(xiàn)代試驗技術(shù)的要求，國內(nèi)已開展了通風機性能自動測試的研究。如西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)相繼開發(fā)了風管型風機性能試驗自動測試裝置，推動了自動化測試技術(shù)在通風機領(lǐng)域的應(yīng)用。上海理工大學(xué)為上海哈格諾克冷氣機有限公司研制的空調(diào)風機性能自動測試系統(tǒng)，雖然采用風室裝置，但僅適應(yīng)于大、中型空調(diào)風機性能測試[3]。 （二）對于風機等設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并對運行數(shù)據(jù)進行分析，繪出歷史及實時趨勢，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障進行估計和預(yù)測，就故障程度、檢修緊迫性給予積極可靠的指導(dǎo)，對于設(shè)備保持安全運行，故障排除，避免設(shè)備過早報廢，為挽回大量的經(jīng)濟損失有難以估量的作用?；趍atlab強大的信號及數(shù)據(jù)處理能力，并結(jié)合delphi的面向?qū)ο笤O(shè)計方法，極好地實現(xiàn)了上述功能[4]。 （三）近年來，隨著數(shù)字信號處理器DSP的發(fā)展，DSP芯片以其性價比高、運算速度快、豐富的信號處理指令而逐步應(yīng)用到信號處理和控制領(lǐng)域，如圖1所示，成為新一代智能儀器儀表的系統(tǒng)核心，在自主研制的風機運行狀態(tài)微機實時監(jiān)測系統(tǒng)RMMD03的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于DSP的風機狀態(tài)通用遠程監(jiān)測系統(tǒng)RMMD05，實現(xiàn)運行狀態(tài)采集、分析與故障診斷，實時監(jiān)測運行狀態(tài)，并通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控服務(wù)器進行狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)管理與精密故障診斷分析，有效地防止故障的發(fā)生，確保風機長周期安全、可靠、有效地運行，具有重大的經(jīng)濟效益和現(xiàn)實意義[5]。 圖1dsp數(shù)字信號處理系統(tǒng) （四）小型風機性能測試的研究，充分利用原有的風室型出口式風機性能試驗裝置，融入現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)，通過串口通訊，建立了一套基于PC機的風機性能自動采集系統(tǒng)。 1）自動采集測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)使用串口通訊數(shù)據(jù)采集，硬件配置是以計算機為核心，采用上海天沐自動化儀表有限公司生產(chǎn)的NS-ZX型智能巡回檢測儀、高精度的傳感器及變送器，實現(xiàn)風機性能測試數(shù)據(jù)的自動采集。圖2為硬件結(jié)構(gòu)[3]。 2）串口通訊 儀表內(nèi)部數(shù)據(jù)用16進制表示，儀表通訊傳輸是將16進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標準ASCII碼（即一字節(jié)的16進制數(shù)轉(zhuǎn)化為2個ASCII碼──高4位ASCII碼+低4位ASCII碼）。NS-ZX巡檢儀數(shù)據(jù)按地址傳輸，以三字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸格式與PC機通訊。 圖2硬件結(jié)構(gòu) 3）自動采集測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計 本系統(tǒng)是基于LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計的軟件，完全運行于Windows環(huán)境中，Windows友好的圖形界面，使操作簡單、方便，使用可視化的開發(fā)工具可實現(xiàn)風機性能測試可視化。圖3為軟件流程圖。 圖3 軟件流程圖 4）優(yōu)勢與前景 一個智能風機性能測試和診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)虛擬儀器技術(shù)的原理進行設(shè)計，利用LabVIEW 提供的豐富的庫函數(shù)進行信號采集、分析和處理，實現(xiàn)了常用實驗風機性能的測試和診斷。系統(tǒng)中所有的分析和處理功能均用軟件實現(xiàn)，完全不需借助示波器、萬用表、信號發(fā)生器等常規(guī)測量設(shè)備，操作簡單，智能性強[2]。 對于機電一體化發(fā)展迅速的現(xiàn)代制造業(yè)，計算機及相關(guān)軟件對機械系統(tǒng)的控制首先要求對機械系統(tǒng)運行狀態(tài)的準確時時的監(jiān)測與反饋，在測試系統(tǒng)的正確檢測下控制系統(tǒng)才能發(fā)揮時時控制的作用。因此，測試系統(tǒng)的時時化、直觀化是未來的發(fā)展趨勢。 對于風機控制系統(tǒng)一般采用變頻調(diào)速有以下研究成果： （一）變頻調(diào)速裝置,在鼓風機系統(tǒng)出口的管道上安裝壓力變送器, 測定管道的風量變化, 通過PLC 對管道壓力信號的變換和處理, 為變頻調(diào)速裝置提供參變量, 實現(xiàn)對頻率的自動調(diào)整, 也就是說對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整, 以達到根據(jù)負荷變化調(diào)整輸出功率, 節(jié)能降耗的目的。經(jīng)過比較, 我們選用日本富士變頻器FRN45P9S- 4, 德國西門子公司可編程序控制器S7- 200, 組成風壓變頻調(diào)速自動控制裝置[1]。 1.硬件組成 各部分主要功能分述如下 (1) 操作臺。實現(xiàn)系統(tǒng)操作控制及參數(shù)的設(shè)定與顯示。 (2) 可編程序控制器。選用S7- 200 可編程序控制器及EM235 模擬量I/O 模塊, 完成風壓信號和操作信號可輸入以及PLC 的控制輸出。 (3) 變頻器。選用FRN45P9S- 4 變頻器, 具有手動和自動調(diào)速功能。 (4) 切換裝置。由繼電器、接觸器, 開關(guān)等組成, 實現(xiàn)1 臺變頻器控制3 臺鼓風機的切換, 以及在變頻器故障時鼓風機的旁路工頻運行。 (5) 壓力變送器。選用CECY 型電容器式變送器, 測定管道的風量變化。 2.軟件 PLC 軟件采用梯形圖語言, 實現(xiàn)各種邏輯順序控制, 風壓閉環(huán)控制等。在軟件設(shè)計中利用PLC 定時中斷功能完成數(shù)據(jù)采樣, 數(shù)字濾波,PID 運算及控制輸出。 3.運行結(jié)果 變頻調(diào)速裝置安裝投入運行后, 風門全部打開,風量( 壓力) 控制自動化, 降低勞動強度, 故障率降低;運行參數(shù)觀測直觀, 可同時顯示壓力、頻率、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等運行參數(shù); 管道閥門全部打開, 節(jié)門損失大大降低。 （二）為了實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨?，這就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)。如圖4[11] 圖4 pwm 交-直-交變頻調(diào)速原理 現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關(guān)器件 IGBT 或功率模塊IPM 組成的PWM逆變器，構(gòu)成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經(jīng)占領(lǐng)了全世界0.5~500KVA 中、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大部分市場。 二、研究內(nèi)容 以計算機及軟件檢測并控制風機的運行狀態(tài)為研究方向。 主要研究內(nèi)容有：設(shè)計風機整體機械構(gòu)架，系統(tǒng)硬件部分是整個測試試驗的基礎(chǔ)。（如圖5）在系統(tǒng)中，硬件部分主要由風機、風管、電動機、傳感器、步進電機、流量調(diào)節(jié)擋板、變頻調(diào)速器、計算機、數(shù)據(jù)采集板等組成。硬件設(shè)計主要完成了風機工況的調(diào)節(jié)、風機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、風機各試驗數(shù)據(jù)的采集等工作。其中風機工況的調(diào)節(jié)利用了原有系統(tǒng)，風機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用變頻器實現(xiàn)[7]。 具體機械設(shè)計內(nèi)容：1、根據(jù)功率選擇電動機 2、連軸器的選型 3、漸開線鼓風箱的設(shè)計計算 4、風機葉片的設(shè)計與選型 5、風機進風管的設(shè)計計算 6、風機軸承的設(shè)計計算及選型 7、風機變頻器的選擇與設(shè)計 設(shè)計并選擇傳感器（檢測風機基本運行參數(shù)），試驗數(shù)據(jù)的檢測所采用的測量儀器多為傳感器。系統(tǒng)采用的傳感器包括壓差傳感器、壓力傳感器和扭矩傳感器。壓差傳感器主要用于檢測流量，壓力傳感器主要用于檢測靜壓，扭矩傳感器主要用于檢測功率信號[2]。 進風調(diào)節(jié)柄 進風管 壓力傳感器 壓差傳感器 風管支座 鼓風室 聯(lián)軸器 出風口 葉片 后支座 電動機 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩傳感器 圖5風機的機械主體結(jié)構(gòu) 計算機獲取數(shù)據(jù)的方法是通過對I／O接口設(shè)備的驅(qū)動完成的。虛擬儀器系統(tǒng)中，I／0接口設(shè)備主要是數(shù)據(jù)采集板。通過數(shù)據(jù)采集板獲取數(shù)據(jù)在虛擬儀器中又稱為PC—DAQ(Data ACquisition數(shù)據(jù)采集)式儀器。數(shù)據(jù)采集板作為儀器系統(tǒng)硬件的主要組成部分，是外界電信號與PC機之間的橋梁。它不僅具有信號傳輸?shù)墓δ?，還具有信號轉(zhuǎn)換和譯碼的功能。系統(tǒng) 根據(jù)試驗要求，一般選用的有美國NI公司的數(shù)據(jù)采集板PCI一6024E，PCI一6024E是一種性能優(yōu)良低價位適合PC機及兼容機的采集板。它能完成信號采集(A／D)、信號模擬輸出(D／A)以及定時／記數(shù)等功能。他有8個模擬量輸入通道(對差分輸入，有4對模擬輸入通道)、2個模擬量輸出通道，16個數(shù)字量I／0接口、2個16位的計數(shù)器(IN于記數(shù)／定時) [2]。 軟件控制與處理顯示（利用LABVIEW編制程序?qū)鞲衅鳈z測到的信號進行處理及顯示）。 系統(tǒng)功能：自動采集風機的原始參數(shù)即動壓、靜壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度，并計算出相應(yīng)的流量、效率、軸功率，繪制出壓力、效率、軸功率隨流量的變化的有因次和無因次曲線，打印輸出曲線及數(shù)據(jù)報表。 三、 實現(xiàn)方法及預(yù)期目標 初步方案：利用壓力、溫度、速度等傳感器采集風機基本運行參數(shù)，利用串行或并行通訊傳至計算機（硬件接口或?qū)Ｓ貌杉ǎ?，利用LABVIEW編程對數(shù)據(jù)進行處理與顯示在控制方面應(yīng)用單片機或PLC進行控制。如圖6所示。 實現(xiàn)方法：系統(tǒng)采用機電一體化總體設(shè)計 1、風機主體利用機械設(shè)計方法完成 2、數(shù)據(jù)采集利用傳感器進行信號的轉(zhuǎn)換 3、模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號采用采集卡 4、信號處理采用虛擬儀器LABVIEW軟件編程 5、風機控制采用單片機或PLC進行編程控制，使用PID或PWM方式 圖6初步設(shè)計實現(xiàn)方法 顯示 設(shè)置 數(shù)據(jù)采集傳感器 轉(zhuǎn)化 處理 風機 計算機 數(shù)據(jù)采集卡 通訊 反饋控制 風機控制系統(tǒng)主要組成如圖7[11] 顯示 單 片 機 設(shè)定 接口 PWM發(fā)生器 器 驅(qū)動 電路 M 3~ 電壓 檢測 泵升 限制 電流 檢測 溫度 檢測 電流 檢測 ~ UR UI K R0 R1 R2 Rb VTb 圖7 環(huán)境：LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣[6]。 圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。 利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本基于LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計的軟件，完全運行于Windows環(huán)境中，Windows友好的圖形界面，使操作簡單、方便，使用可視化的開發(fā)工具可實現(xiàn)風機性能測試可視化[8]。 預(yù)期目標： (1)自動采集風機性能試驗數(shù)據(jù)，且各項參數(shù)指標達到國家規(guī)定標準。 (2)自動調(diào)整風機運行工況。 (3)自動控制風機轉(zhuǎn)速。 (4)自動進行數(shù)據(jù)處理，且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、打印、查詢等功能。 (5)自動繪制風機性能曲線。 (6)系統(tǒng)界面友好，操作方便，便于用戶使用。 重點與難點：風機動平衡，信息的傳送與通信，信息的處理。 四、 對進度的具體安排 第1~3 周 實習(xí)調(diào)研基本結(jié)束； 第4 周 撰寫并提交調(diào)研報告和開題報告； 第5~6 周 系統(tǒng)的整體的方案的設(shè)計； 第7~10 周 系統(tǒng)主體機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計； 第11~13周 制定測控系統(tǒng)的測控原理及測試方案的設(shè)計； 第13~14周 傳感器的選型及測試主程序的編寫； 第15~16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評審并修改畢業(yè)論文； 第17 周 完成畢業(yè)答辯 五、 參考文獻 [1]岳偉彬 黑龍江省機場管理集團有限公司 鼓風機變頻調(diào)速控制分析 2007 [2]戚新波，范 崢，陳學(xué)廣 基于虛擬儀器技術(shù)的風機性能測試系統(tǒng)，2005 [3]宋力 汪建文 李振法/內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 通風機性能自動測試系統(tǒng) 2006 [4]賈慶功 張小龍/西安建筑科技大學(xué)機電學(xué)院 風機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)2005 [5]陽小燕 劉義倫 李學(xué)軍 基于DSP的風機狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng) (1．湖南科技大學(xué)機電：[程學(xué)院，湖南湘潭411201；2．中南大學(xué)機電工程學(xué)院，長沙410083) [6]鄧焱，王磊. 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