摘 要:開發(fā)了一種基于LABVIEW的潛油電機的性能參數(shù)試驗的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)潛油電機性能參數(shù)的自動采集、分析、處理,試驗數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及打印輸出。系統(tǒng)的成功應(yīng)用,大大減輕了工人的勞動強度,提高了工作效率。 關(guān)鍵詞:潛油電機;數(shù)據(jù)采集;性能曲線;LabVIEW 1 引言 　　潛油電機是潛油電泵機組中的動力部件,它的工作特性好壞直接影響到整個機組的正常運行。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要,電機的品種及產(chǎn)量越來越大,例行試驗的工作量也隨之不斷增加,但測試手段卻相對滯后。目前,國外的潛油電泵機組應(yīng)用以美國為代表,他們對潛油電機的測試技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較完善,能夠在向用戶提供機組的同時提供其準(zhǔn)確的性能曲線。而國內(nèi)僅有少數(shù)大型電泵生產(chǎn)企業(yè)能夠進(jìn)行潛油電機的測功試驗,但僅限于一些基本參數(shù)的測量,并不能直接準(zhǔn)確繪制出電機的五項特性曲線。為此,我們和勝利油田無桿采油泵公司聯(lián)合開發(fā)研制了一套無桿泵測功系統(tǒng),這套系統(tǒng)是基于NI公司的軟件開發(fā)平臺Labview和硬件平臺,經(jīng)過試驗本系統(tǒng)已達(dá)到測試自動化、準(zhǔn)確繪制潛油電機性能曲線的要求。 2 測試系統(tǒng)的設(shè)計 　　系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件和軟件兩部分。 　　2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計 　　系統(tǒng)硬件設(shè)計包括試驗臺、操作控制臺和采集卡的選擇3部分。 　?。?） 試驗臺架部分 　　試驗臺架由減速箱、加載器（包括直流發(fā)電機和可調(diào)大功率電阻型負(fù)載）、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、聯(lián)接轉(zhuǎn)換機構(gòu)、試驗架等組成。其實物圖見圖1: [align=center] 圖1 測功臺實物圖[/align] 　　（2） 操作控制部分 　　操作控制部分分為潛油電機低壓控制柜（B級臺上）、高壓控制柜、發(fā)電機勵磁電源、電阻測試柜以及操作控制臺等,其它輔助部分包括信號轉(zhuǎn)換接口箱、接線盒、屏蔽電纜等。為了防止互相干擾,強電與弱電分別走線,且根據(jù)實際情況進(jìn)行硬、軟件的濾波,以確保所獲得的信號真實。潛油電機試驗裝置系統(tǒng)平面框圖,如圖2所示: [align=center] 圖2潛油電機試驗裝置系統(tǒng)平面框圖[/align] 　?。?） 數(shù)據(jù)采集部分 　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以研華公司的工業(yè)控制機作為主體,用來實現(xiàn)測試系統(tǒng)的順序控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、試驗曲線繪制、打印等功能。系統(tǒng)中需要測量的電機電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)分別由各傳感器將測量信號傳送到測量儀表實時顯示,在儀表的變送輸出端串接250Ω精密電阻然后經(jīng)過儀表二次變送輸出1～5V的直流電壓。數(shù)據(jù)采集卡通過不同的通道采集各個參數(shù)的模擬信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到工控機,利用相應(yīng)傳感器的變送公式將其轉(zhuǎn)換為各參數(shù)的瞬時值。 　　① 數(shù)據(jù)采集卡的選取 　　系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡選用研華公司的PCI-1713,它是32通道隔離模擬量輸入卡其特點如下[1]: 　　a. 具有32路單端輸入或者16路差分輸入,滿足本系統(tǒng)的6個測量參數(shù)的要求,同時留有一定的擴展余地。 　　b. 具有12位的A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換精度高,轉(zhuǎn)換時間為2.5μs 　　c. 采樣頻率可達(dá)100KHz,能夠?qū)崟r反映系統(tǒng)參數(shù)的變化。 　　d. 通道增益可編程。 　　來自現(xiàn)場的信號總會存在各種干擾成份,尤其是共模干擾（主要是由數(shù)據(jù)采集卡PCI-1713地電位和信號源地電位不完全相等造成）,模擬量的差分輸入正是采用差分放大器的形式來消除模擬量的共模干擾。如果信號源比較干凈,可以采用單端輸入的方式[2]。鑒于本系統(tǒng)的特點,采用差分輸入模式,其模擬輸入信號連接方式如圖3所示。 [align=center] 圖3差分輸入連接示意圖[/align] 　　圖中,Vs為待測量的模擬信號,Vcm為待測量模擬信號地與PCI-1713地之間的共模電壓。 　?、?繼電器卡的選取 　　繼電器卡采用了研華公司的PCL-735板卡,PCL-735是一款用于設(shè)備開/關(guān)控制或信號切換的繼電器輸出卡。該卡提供12路機電式SPDT繼電器輸出,每個繼電器的開/關(guān)狀態(tài)非常容易監(jiān)視,在每個繼電器旁有一個紅色的LED指示燈,此指示燈顯示了該繼電器的開/關(guān)狀態(tài)?？ㄉ蠋в幸粋€DB-37接口,以便于板卡與設(shè)備的信號連接。它是研華公司中比較成熟的一款,特點是可靠,開關(guān)響應(yīng)快,保證了功率投入的及時、可靠。 　?、?轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的選擇 　　轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用非常廣泛,但是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器通常采用電阻應(yīng)變橋來檢測轉(zhuǎn)矩信號,并采用導(dǎo)電滑環(huán)來耦合電源輸入及應(yīng)變信號輸出,由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸,因此不可避免地存在著磨損和發(fā)熱,這樣不但限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命,同時由于接觸不可靠,也不可避免地會引起測量信號的波動及誤差的增加。因此,如何在旋轉(zhuǎn)軸上進(jìn)行能源及信號的可靠耦合已成為轉(zhuǎn)矩傳感器最棘手的問題,而JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器則巧妙地解決了這個問題。故本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩傳感器選擇JN338。 　　JN338是北京三晶創(chuàng)業(yè)集團公司的產(chǎn)品,該傳感器采用兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來實現(xiàn)能源的輸入及轉(zhuǎn)矩信號的輸出,從而解決了旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(tǒng)中能源及信號可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間的傳遞問題。該傳感器還可同時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量,從而可方便地計算出軸輸出功率,因此,利用該傳感器可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率的多參數(shù)輸出。 　　2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　系統(tǒng)選用了LabVIEW作為編程平臺,它是基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境。LabVIEW綜合了與諸如滿足GPIB、VXI、PXI、RS-232和RS-485等標(biāo)準(zhǔn)接口以及數(shù)據(jù)采集卡等硬件通訊的全部功能,它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。采用LabVIEW作為開發(fā)平臺,軟件編程方便、簡潔,效率高;圖形界面友好,操作簡單,人機交互性強;能夠方便的與外設(shè)相連,進(jìn)行打印輸出;兼容性好,可以隨時更換高性能的數(shù)據(jù)采集卡,提高儀器性能[3]。 　　用LabVIEW開發(fā)的測試系統(tǒng)功能主要包括五大部分:系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、打印測試報告和幫助等。其中系統(tǒng)自檢主要是對計算機和硬件的通訊進(jìn)行測試;數(shù)據(jù)采集部分主要是對試驗條件、傳感器、采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實時顯示,并將采集數(shù)據(jù)保存成數(shù)據(jù)文件;存儲數(shù)據(jù)時以表格的形式進(jìn)行存儲。為了便于以后查詢可按試驗日期、電機型號進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)處理主要是對保存的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行各種后處理;打印部分是編輯和打印測試報告;幫助部分包括實時幫助和使用說明。 3 抗干擾設(shè)計 　　在電阻測量過程中由于原來的方案（電機感應(yīng)線圈斷開的瞬間測量線圈兩端的電壓）容易產(chǎn)生尖端脈沖而損壞板卡,因此在設(shè)計中加了電容和一個保護模塊以后,徹底屏蔽了有害的尖端脈沖,保護了板卡。 　　另外,由于被測潛油電機和作為負(fù)載的發(fā)電機都是強電驅(qū)動,在測試現(xiàn)場對各測試信號電磁干擾大,在實際的數(shù)據(jù)采集過程中,由于外界環(huán)境的干擾、采集卡等硬件電路本身性能不理想以及數(shù)據(jù)量化等因素的存在,采集到的信號中將不同程度地夾雜著一定的噪聲。因此,為了得到更為準(zhǔn)確的測量結(jié)果,對噪聲進(jìn)行必要的處理尤為重要。對于和有用信號處于不同頻帶的噪聲,采用濾波的方法可以有效地加以去除。在軟件濾波方面,結(jié)合本系統(tǒng)現(xiàn)場工作情況我們使用了中值濾波,其中用到了目前最先進(jìn)的逐點濾波技術(shù),數(shù)據(jù)變化響應(yīng)更快、更平滑。 4 測功實驗數(shù)據(jù)采集與處理 　　電機測試主要研究電機各種特性及參數(shù)的測試。包括電機的工作特性、機械特性等[4]。因此電機測試系統(tǒng)主要實現(xiàn)下列功能。 　?、?空轉(zhuǎn)試驗 　?、?堵轉(zhuǎn)試驗 　?、?電機效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)差率試驗 　　電機測試過程中需要測得參數(shù)有直流電阻,空載過程中的銅耗、鐵耗和機械耗,堵轉(zhuǎn)試驗時的堵轉(zhuǎn)電流和轉(zhuǎn)矩,負(fù)載試驗時電機在額定電壓和額定電壓和額定功率下,輸入功率Pmi,定子電流I1、效率ηm,功率因數(shù)cosΦ及轉(zhuǎn)差率Sref與輸出功率Pmu的關(guān)系曲線。 　　原來的試驗方法是在試驗過程中先由試驗員記錄下來測得的各種數(shù)據(jù),再由專門人員進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后用描點法繪制曲線。這種方法不但費時費力,而且結(jié)果有很多是從曲線上得到的,因此一些主觀的因素會造成很大的誤差。采用基于LabVIEW的電機測功方法,不僅測試過程全自動化,更優(yōu)越的特點是它具有強大的數(shù)據(jù)處理功能,測量完畢后,只需點一下數(shù)據(jù)處理的按鈕,計算機就會完成所有的數(shù)據(jù)處理,包括繪制曲線。而且繪制曲線時有三種曲線擬合方式可供選擇:線形、多項式和指數(shù)形式用戶可根據(jù)需要來選擇曲線擬合方式,圖4就是空載試驗界面。為了方便用戶以后查閱資料,可以把數(shù)據(jù)和曲線以word的形式保存下來。 [align=center] 圖4空載實驗界面[/align] 5 本文作者創(chuàng)新點 　　系統(tǒng)的成功運行解決了現(xiàn)場試驗檢手段測落后、測量誤差大、操作人員勞動強度大等問題,并且具有運行穩(wěn)定、實時性好、精度高、操作簡單、界面友好等特點,是具有較高推廣價值的潛油電機性能參數(shù)測試設(shè)備。 參考文獻(xiàn): 　　[1] PCI-1713 32-channel isolated Analog Input Card User’ Manual. 　　[2] 李仁.電氣控制[M].北京:機械工業(yè)出版社.1990 　　[3] Gary W.Johnson, Richard Jennings. LabVIEW圖形編程[M].北京:北京大學(xué)出版社.　2002 　　[4] 李天鋼. 潛油電機堵轉(zhuǎn)試驗的實現(xiàn)與相關(guān)問題的解決方法[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究與探討, 第18卷第7期,2002. 　　[5] 朱余清,吳偉斌,洪添勝, 基于虛擬儀器的柴油機噴油量模糊控制系統(tǒng)[J]. 微計算機信息, 2006, 3-1: P24-26