Автоматизация экспериментальных исследований динамики и вибрационной диагностики роторных систем на основе инженерного пакета LabView

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Орловский государственный технический университет

Автоматизация экспериментальных исследований динамики и вибрационной диагностики роторных систем на основе инженерного пакета LabView

Соломин О.В., к.т.н., Широков С.В., аспирант,

Дорофеев Л.В. студент

The basic possibilities of software LabVIEW for construction of the automated system of gathering and processing of experimental data are described in this paper. The block diagram of an information-measuring complex for research of dynamics of rotary machines and carrying out of vibrating diagnostic procedures of rotary equipment is presented.

В настоящее время широкое применение подшипников жидкостного трения в высокоскоростных турбомашинах в различных областях науки и техники привело к повышению требований к их работоспособности, снижению уровня вибраций и динамических напряжений и т.д. В связи с этим при проведении экспериментальных исследований вибрационных процессов данного класса машин, из-за большого объема получаемых данных, возникает ряд проблем, связанных с их своевременным снятием, записью и обработкой. Для того, чтобы исключить влияние человеческого фактора при проведении эксперимента, наиболее актуальным является разработка программного обеспечения, которое бы автоматизировало сбор, хранение и обработку полученных данных.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наилучшим вариантом для разработки такого программного обеспечения является инженерный пакет LabVIEW фирмы National Instruments [1]. Основным преимуществом данного пакета является хорошая интеграция с аппаратными средствами, которые выпускаются той же фирмой. Поэтому автоматически исчезает необходимость писать программный код для взаимодействия аппаратных средств и программного обеспечения.

LabVIEW представляет собой среду графического программирования, которая широко используется в промышленности, образовании и научно-исследовательских лабораториях в качестве стандартного инструмента для сбора, обработки и представления экспериментальных данных, а также непосредственного управления экспериментом. В отличие от традиционных языков программирования, в среде программирования LabVIEW фактически нет программного кода. Программный текстовый код заменяется графическим программированием. К системам, основанным на таком стиле программирования, относят пакеты, в которых пользователь осуществляет графическое построение функциональной схемы (блок-схемы, диаграммы) процесса или устройства, выбирая наиболее подходящие для данной задачи блоки из имеющихся в пакете библиотек. Существуют и другие, но менее употребительные названия такого способа создания программ -- визуальное, иконное программирование и т. п.

LabVIEW является мощным инструментом программирования, пригодным для решения практически любых задач, например, компьютерного моделирования, тем не менее данный пакет чаще всего используется для сбора экспериментальных данных и управления не только приборами, установками, но и целыми производственными процессами [2].

автоматизация вибрационный программный

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Авторами разработан измерительный комплекс для решения ряда проблем, связанных с динамикой роторов на подшипниках жидкостного трения. Структурная схема информационно-измерительного комплекса представлена на рисунке 1. В результате работы был объединен экспериментальный стенд и измерительный комплекс таким образом, что управление экспериментом, сбор и обработка данных осуществлялось с помощью программного обеспечения, реализованного виртуальными приборами LabVIEW. В процессе проведения эксперимента основными измеряемыми величинами являются: перемещение центра цапфы ротора в радиальном зазоре подшипника скольжения, давление по контуру подачи и гидравлических трактах подшипников, температура в камерах, на входе и сливе подшипников, уровень вибрации. Экспериментальная установка приведена на рисунке 2.

Использование инженерного пакета LabVIEW для проведения экперимента обусловлено несколькими причинами. Во-первых, в измерительном комплексе присутствует частотный преобразователь, с помощью которого можно управлять частотой вращения двигателя. В комплекте с частотным преобразователем поставляется программное обеспечение для установки различных параметров преобразователя. Но, поскольку для управления экспериментом предполагалось использование LabVIEW, возникла необходимость управления частотным преобразователем не через поставляемое программное обеспечение, а с помощью среды LabVIEW. На частотном преобразователе имеется аналоговый вход, поэтому для управления частотным преобразователем используется многофункциональная DAQ-плата 6052E, которая через аналоговый выход подает необходимые команды на частотный преобразователь.

Во-вторых, посредством LabVIEW мы получаем возможность удаленного доступа через Интернет к экспериментально-измерительному комплексу, а следовательно можно управлять экспериментом с любого компьютера, подключенного к глобальной сети, в любое время. Основываясь на системе удаленного управления, в настоящий момент прорабатывается концепция проведения различного вида лабораторных работ.

В-третьих, хорошая интеграция устройств получения и обработки информации и программного обеспечения National Instruments позволяет избежать различного рода проблем, связанных с согласованием сигналов, их интерпретацией и обработкой на компьютере.

В-четвертых, разработка специализированного программного обеспечения с помощью LabVIEW занимает значительно меньше времени, чем в других средах программирования и легко модернизируется в зависимости от поставленных задач.

Универсальность LabVIEW позволяет передавать команды и данные по каналу общего пользования (КОП) или через стандартный последовательный порт компьютера, а также управлять сложными измерительными приборами стандарта VXI, сетевым интерфейсом Ethernet или через порт USB.

Технология создания виртуальных приборов (ВП) достаточно проста. Для конструирования собственных виртуальных приборов используется библиотека стандартных виртуальных приборов, которые реализуют простые действия, например, чтение и запись файлов, генерация простых сигналов, функции обработки сигналов и т.д. Ряд стандартных виртуальных приборов имеет графическое отображение для создания пользовательского интерфейса, например, кнопки, переключатели, индикаторы, графики и т.д. Все ВП, имеющие графическое отображение, находятся на одной панели «Controls» (рис. 3) и сгруппированы по функциональным признакам.

Выбрав нужную группу виртуальных приборов, необходимо мышью щелкнуть по значку группы и раскрыть очередное окно уже непосредственно с самими приборами.

На рисунке 4 приведены различные виды окна с виртуальными приборами для построения пользовательского интерфейса. Панель «Numeric», обозначенная на рисунке 2 стрелкой 1, содержит ВП, с помощью которых устанавливаются какие-либо числовые значения, или которые служат для отображения числовых значений при работе виртуального прибора. Следующая панель «Boolean», находящаяся правее, содержит различного рода переключатели, которые могут использоваться, например, для пуска/останова каких-либо устройств. Панель «Graph», обозначенная стрелкой 2, содержит ВП для визуализации данных и построения двухмерных и трехмерных графиков.

Конструирование ВП ведется в двух направлениях. Первое направление - это создание внешнего вида прибора, который формируется путем помещения на окно графических отображений стандартных виртуальных приборов. Например, поместим два ВП «Knob» с панели «Numeric» (на рисунке 4 данный ВП обозначен стрелкой 1), а также с панели «Graph» ВП «Waveform Chart», обозначенный стрелкой 2. Второе направление - это конструирование функциональной схемы прибора, с помощью которой осуществляется взаимодействие приборов лицевой панели.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для прибора, изображенного на рисунке 5, построим функциональную схему, которая будет отображать график синусоидального сигнала, в зависимости от установленных с помощью ВП «Knob» значений. В функциональной схеме присутствуют четыре компонента. Три из них соответствуют трем ВП с лицевой панели. Четвертый ВП не имеет графического отображения, он выполняет функцию генерации синусоидального сигнала. Он имеет два входа: амплитуду и частоту сигнала. С помощью инструмента «Connect Wire» (рисунок 6, стрелка 1) виртуальные приборы «Knob» соединяются со входами прибора «Sine Waveform». В результате значения, установленные с помощью «поворотных ручек», поступают на входы прибора, генерирующего синусоидальный сигнал. Далее выход этого ВП соединяется с прибором «Waveform Chart», и мы получаем возможность визуализации синусоидального сигнала с установленными параметрами амплитуды и частоты. Полученная лицевая панель нового виртуального прибора и его функциональная схема приведены на рисунке 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, добавляя различные ВП, можно создать достаточно сложный пользовательский интерфейс, который будет иметь достаточно привлекательный вид.

Следует отметить, что основным моментом в создании виртуальных приборов является конструирование функциональной схемы, поскольку именно она реализует работу прибора и связывает воедино различные элементы лицевой панели. Был разработан виртуальный прибор, реализующий управление и сбор экспериментальных данных при поведении эксперимента с роторной установкой на подшипниках жидкостного трения. Для сбора информации используются различные датчики и плата аналогово-цифрового преобразователя фирмы National Instruments.

Так, для измерения давления на установке используются два датчика давления марки КРТ-5-3, изготовленные компанией ОРЛЭКС (г. Орел). Эти датчики позволяют измерять давление в диапазоне 0…1,6 МПа. Внешний вид и электрическая схема датчиков давления показаны на рисунке 7.

Также на установке используются датчики перемещения для получения сигнала местоположения центра цапфы ротора, модель IA5-18GH-13 (Германия). Рабочий диапазон этих датчиков от 3 до 5 мм. На рисунке 8 показан внешний вид датчиков перемещения.

Одними из самых важных звеньев в измерительном комплексе являются модули согласования сигналов SCС (3). В данном случае используются модули SCC-CI20 - преобразователь тока, SCC-RLY01 - SPDT-реле, SCC-AO10 - изолированный аналоговый выход по напряжению. Модули согласования размещены в экранированном корпусе SC-2345. Передняя панель корпуса имеет различные разъемы для подключения разных датчиков. В зависимости от датчиков используются либо BNC-разъемы, либо разъемы 7 pin. На данный блок поступают сигналы со всех датчиков, используемых в процессе эксперимента, после чего они направляются на аналогово-цифровой преобразователь. Также через модули согласования SCC подаются управляющие сигналы на электромагнитную муфту, насос и частотный преобразователь.

Лицевая панель разработанного ВП представлена на рисунке 9.

В левой части находятся переключатели, с помощью которых можно включать и выключать двигатель, электромагнитную муфту и насос при проведении эксперимента, а также регулятор, устанавливающий скорость вращения двигателя. Данная панель представляет собой режим ручного управления при проведении эксперимента. В правой части лицевой панели ВП находятся несколько вкладок, на которых отображаются траектории движения центра цапфы ротора, развертка и скорость горизонтального и вертикального движения ротора, а также скорость вращения ротора во время эксперимента. Кнопка «Включить все» служит для одновременного включения двигателя, муфты и насоса.

Часть функциональной схемы данного ВП приведена на рисунке 10.

Кроме управления экспериментом в ручном режиме, существует возможность автоматического управления. В этом случае можно провести поочередно пять запусков с различными параметрами. Лицевая панель при автоматическом управлении эксперимента приведена на рисунке 11.

В левой части ВП задаются параметры для каждого из пяти запусков экспериментальной установки. Для каждого запуска задаются время старта и время останова двигателя, электромагнитной муфты и насоса, а также скорость вращения двигателя. После нажатия на кнопку «Start» последовательно отрабатывается каждый эксперимент. В правой части отображаются развертки колебаний и траектория движения ротора, а также есть возможность просмотреть преобразование Фурье для полученных сигналов.

В заключение необходимо отметить, что LabVIEW предоставляет возможность практически бесконечно совершенствовать созданные ВП, добавляя все новые элементы к уже имеющимся и тем самым расширяя границы применения.

Литература

1. http://www.ni.com

2. Тревис Дж. Labview для всех. - М.:ДМК, 2003. - 544 с.

3. The Measurement and Automation. Каталог National Instruments 2004г

Размещено на Allbest.ru