风机状态测试系统开题报告.docx

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风机状态测试系统开题报告

风机状态测试系统的总体设计

开题报告

班级（学号）机0405——37姓名张新泉

指导教师王会香

一、综述

1.课题研究的目的和意义

随着机械技术、微电子技术和信息技术的飞速发展，机械技术、微电子技术和信息技术的相互渗透也越来越快。

要实现系统或产品的短、小、轻、薄和智能化，达到节省能源、节省材料、实现多功能、高性能和高可靠性的目的，机械与电子结合就成为了现代科技发展的趋势。

风机是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械,它是用来提高气体压力,并输送气体的机械,是透平机械中的一种。

风机按工质压力提高的程度来分,可以分为四种：

1）风扇（<100Pa）

2）通风机（0.1-15kPa）

3）鼓风机（15-250kPa）

4）压缩机（>250kPa或压比>3.5）

压缩机的压比又称压缩比，是压缩机出口与进口处气体压力之比。

风机使用面广，种类繁多，在工业生产中利用风机产生的气流做介质进行工作，可实现清选、分离、加热烘干、物料输送、通风换气、除尘降温等多种工作。

由于风机理论至今仍欠完善，所以风机性能参数的获取主要依赖于性能试验。

风机性能试验是在风机转速不变的情况下，改变风机的流量，检测风机各性能参数，并绘制性能曲线的过程。

目前，风机用户为了提高经济效益，在选择风饥时对它的各项性能指标提出了更为严格的要求．如压力，流量，转速，功率．噪声，可靠性等。

同时，风机生产厂家为了提高产品的竞争能力，在努力改进气动设计，提高机械加工的同时，也对风机性能试验的研究和开发给予了高度的重视。

并且在电气拖动设备的运行过程中,经常遇到这样的问题,即拖动设备的负荷变化较大,而动力源电机的转速却不变,也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化。

在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍,浪费能源。

在许多生产过程中采用变频调速实现电动机的变速运行,不仅可以满足生产的需要,而且还能降低电能消耗,延长设备的使用寿命。

鼓风机系统采用变频调,并应用PLC或者单片机构成风压闭环自动控系统,实现了电机负荷的变化变速运行自动调节风量,即满足了生产需要,又达到了节能降耗的目的[1]。

由此可见，风机性能测控系统对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，性能试验尤为重要。

虚拟仪器（VI）技术是目前测控领域中最为流行的技术之一，它利用I／O接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理，利用显示器丰富的显示功能来多形式地表达和输出检测结果，在此基础上，构成一个具有完整测试功能的计算机仪器系统，即虚拟仪器。

虚拟仪器具有传统仪器的基本功能，同时又能根据用户的要求随时进行定义，实现多种多样的应用需求，具有扩展灵活、界面友好、操作简便、性价比高等特点，目前，虚拟仪器技术在许多领域都得到广泛应用[2]。

2.课题的研究现状及已有成果

风机在国民经济各部门中运用十分广泛。

为使风机能经常在高效区运行，需参照风机性能曲线来选择风机的运行工况点，风机性能测控是科学、合理、客观地评价其性能指标的方法。

（一）目前，我国通风机性能测试方法以传统常规方法为主，它存在着参与人员多、可靠性差、测试效率低等弊端，给通风机设计、使用、教学、科研等部门对其性能研究带来诸多不便。

为适应现代试验技术的要求，国内已开展了通风机性能自动测试的研究。

如西安交通大学、华中科技大学、河北农业大学相继开发了风管型风机性能试验自动测试装置，推动了自动化测试技术在通风机领域的应用。

上海理工大学为上海哈格诺克冷气机有限公司研制的空调风机性能自动测试系统，虽然采用风室装置，但仅适应于大、中型空调风机性能测试[3]。

（二）对于风机等设备运行状态进行实时监测，并对运行数据进行分析，绘出历史及实时趋势，运用神经网络对故障进行估计和预测，就故障程度、检修紧迫性给予积极可靠的指导，对于设备保持安全运行，故障排除，避免设备过早报废，为挽回大量的经济损失有难以估量的作用。

基于matlab强大的信号及数据处理能力，并结合delphi的面向对象设计方法，极好地实现了上述功能[4]。

（三）近年来，随着数字信号处理器DSP的发展，DSP芯片以其性价比高、运算速度快、丰富的信号处理指令而逐步应用到信号处理和控制领域，如图1所示，成为新一代智能仪器仪表的系统核心，在自主研制的风机运行状态微机实时监测系统RMMD03的基础上，开发了基于DSP的风机状态通用远程监测系统RMMD05，实现运行状态采集、分析与故障诊断，实时监测运行状态，并通过CAN总线将数据传输至监控服务器进行状态显示、数据管理与精密故障诊断分析，有效地防止故障的发生，确保风机长周期安全、可靠、有效地运行，具有重大的经济效益和现实意义[5]。

图1dsp数字信号处理系统

（四）小型风机性能测试的研究，充分利用原有的风室型出口式风机性能试验装置，融入现代虚拟仪器技术，通过串口通讯，建立了一套基于PC机的风机性能自动采集系统。

1）自动采集测试系统的硬件结构

系统使用串口通讯数据采集，硬件配置是以计算机为核心，采用上海天沐自动化仪表有限公司生产的NS-ZX型智能巡回检测仪、高精度的传感器及变送器，实现风机性能测试数据的自动采集。

图2为硬件结构[3]。

2）串口通讯

仪表内部数据用16进制表示，仪表通讯传输是将16进制数据转化为标准ASCII码（即一字节的16进制数转化为2个ASCII码──高4位ASCII码+低4位ASCII码）。

NS-ZX巡检仪数据按地址传输，以三字节数据传输格式与PC机通讯。

图2硬件结构

3）自动采集测试系统的软件设计

本系统是基于LabVIEW开发平台设计的软件，完全运行于Windows环境中，Windows友好的图形界面，使操作简单、方便，使用可视化的开发工具可实现风机性能测试可视化。

图3为软件流程图。

图3软件流程图

4）优势与前景

一个智能风机性能测试和诊断系统，系统根据虚拟仪器技术的原理进行设计，利用LabVIEW提供的丰富的库函数进行信号采集、分析和处理，实现了常用实验风机性能的测试和诊断。

系统中所有的分析和处理功能均用软件实现，完全不需借助示波器、万用表、信号发生器等常规测量设备，操作简单，智能性强[2]。

对于机电一体化发展迅速的现代制造业，计算机及相关软件对机械系统的控制首先要求对机械系统运行状态的准确时时的监测与反馈，在测试系统的正确检测下控制系统才能发挥时时控制的作用。

因此，测试系统的时时化、直观化是未来的发展趋势。

对于风机控制系统一般采用变频调速有以下研究成果：

（一）变频调速装置,在鼓风机系统出口的管道上安装压力变送器,测定管道的风量变化,通过PLC对管道压力信号的变换和处理,为变频调速装置提供参变量,实现对频率的自动调整,也就是说对电机的转速进行调整,以达到根据负荷变化调整输出功率,节能降耗的目的。

经过比较,我们选用日本富士变频器FRN45P9S-4,德国西门子公司可编程序控制器S7-200,组成风压变频调速自动控制装置[1]。

1.硬件组成

各部分主要功能分述如下

（1）操作台。

实现系统操作控制及参数的设定与显示。

（2）可编程序控制器。

选用S7-200可编程序控制器及EM235模拟量I/O模块,完成风压信号和操作信号可输入以及PLC的控制输出。

（3）变频器。

选用FRN45P9S-4变频器,具有手动和自动调速功能。

（4）切换装置。

由继电器、接触器,开关等组成,实现1台变频器控制3台鼓风机的切换,以及在变频器故障时鼓风机的旁路工频运行。

（5）压力变送器。

选用CECY型电容器式变送器,测定管道的风量变化。

2.软件

PLC软件采用梯形图语言,实现各种逻辑顺序控制,风压闭环控制等。

在软件设计中利用PLC定时中断功能完成数据采样,数字滤波,PID运算及控制输出。

3.运行结果

变频调速装置安装投入运行后,风门全部打开,风量（压力）控制自动化,降低劳动强度,故障率降低;运行参数观测直观,可同时显示压力、频率、转速、电压、电流、转矩等运行参数;管道阀门全部打开,节门损失大大降低。

（二）为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。

如图4[11]

图4pwm交-直-交变频调速原理

现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件IGBT或功率模块IPM组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5~500KVA中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。

二、研究内容闰土机械外文翻译成品某宝dian

以计算机及软件检测并控制风机的运行状态为研究方向。

主要研究内容有：

设计风机整体机械构架，系统硬件部分是整个测试试验的基础。

（如图5）在系统中，硬件部分主要由风机、风管、电动机、传感器、步进电机、流量调节挡板、变频调速器、计算机、数据采集板等组成。

硬件设计主要完成了风机工况的调节、风机转速的调节、风机各试验数据的采集等工作。

其中风机工况的调节利用了原有系统，风机转速的调节采用变频器实现[7]。

具体机械设计内容：

1、根据功率选择电动机

2、连轴器的选型

3、渐开线鼓风箱的设计计算

4、风机叶片的设计与选型

5、风机进风管的设计计算

6、风机轴承的设计计算及选型

7、风机变频器的选择与设计

设计并选择传感器（检测风机基本运行参数），试验数据的检测所采用的测量仪器多为传感器。

系统采用的传感器包括压差传感器、压力传感器和扭矩传感器。

压差传感器主要用于检测流量，压力传感器主要用于检测静压，扭矩传感器主要用于检测功率信号[2]。

图5风机的机械主体结构

计算机获取数据的方法是通过对I／O接口设备的驱动完成的。

虚拟仪器系统中，I／0接口设备主要是数据采集板。

通过数据采集板获取数据在虚拟仪器中又称为PC—DAQ（DataACquisition数据采集）式仪器。

数据采集板作为仪器系统硬件的主要组成部分，是外界电信号与PC机之间的桥梁。

它不仅具有信号传输的功能，还具有信号转换和译码的功能。

系统

根据试验要求，一般选用的有美国NI公司的数据采集板PCI一6024E，PCI一6024E是一种性能优良低价位适合PC机及兼容机的采集板。

它能完成信号采集（A／D）、信号模拟输出（D／A）以及定时／记数等功能。

他有8个模拟量输入通道（对差分输入，有4对模拟输入通道）、2个模拟量输出通道，16个数字量I／0接口、2个16位的计数器（IN于记数／定时）[2]。

软件控制与处理显示（利用LABVIEW编制程序对传感器检测到的信号进行处理及显示）。

系统功能：

自动采集风机的原始参数即动压、静压、转矩、转速、温度，并计算出相应的流量、效率、轴功率，绘制出压力、效率、轴功率随流量的变化的有因次和无因次曲线，打印输出曲线及数据报表。

三、实现方法及预期目标

初步方案：

利用压力、温度、速度等传感器采集风机基本运行参数，利用串行或并行通讯传至计算机（硬件接口或专用采集卡），利用LABVIEW编程对数据进行处理与显示在控制方面应用单片机或PLC进行控制。

如图6所示。

实现方法：

系统采用机电一体化总体设计

1、风机主体利用机械设计方法完成

2、数据采集利用传感器进行信号的转换

3、模拟信号转化成数字信号采用采集卡

4、信号处理采用虚拟仪器LABVIEW软件编程

5、风机控制采用单片机或PLC进行编程控制，使用PID或PWM方式

风机控制系统主要组成如图7[11]

图7

环境：

LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。

它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。

这是一个功能强大且灵活的软件。

利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣[6]。

图形化的程序语言，又称为“G”语言。

使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。

它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。

它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。

像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本基于LabVIEW开发平台设计的软件，完全运行于Windows环境中，Windows友好的图形界面，使操作简单、方便，使用可视化的开发工具可实现风机性能测试可视化[8]。

预期目标：

（1）自动采集风机性能试验数据，且各项参数指标达到国家规定标准。

（2）自动调整风机运行工况。

（3）自动控制风机转速。

（4）自动进行数据处理，且实现数据的存储、打印、查询等功能。

（5）自动绘制风机性能曲线。

（6）系统界面友好，操作方便，便于用户使用。

重点与难点：

风机动平衡，信息的传送与通信，信息的处理。

四、对进度的具体安排

第1~3周实习调研基本结束；

第4周撰写并提交调研报告和开题报告；

第5~6周系统的整体的方案的设计；

第7~10周系统主体机械结构的设计；

第11~13周制定测控系统的测控原理及测试方案的设计；

第13~14周传感器的选型及测试主程序的编写；

第15~16周撰写并提交毕业论文；审阅、评审并修改毕业论文；

第17周完成毕业答辩

五、参考文献

[1]岳伟彬黑龙江省机场管理集团有限公司鼓风机变频调速控制分析2007

[2]戚新波，范峥，陈学广基于虚拟仪器技术的风机性能测试系统，2005

[3]宋力汪建文李振法/内蒙古工业大学能源与动力工程学院通风机性能自动测试系统2006

[4]贾庆功张小龙/西安建筑科技大学机电学院风机状态监测与故障诊断系统2005

[5]阳小燕刘义伦李学军基于DSP的风机状态远程监测系统

（1．湖南科技大学机电：

[程学院，湖南湘潭411201；2．中南大学机电工程学院，长沙410083）

[6]邓焱，王磊.LabVIEW7.1测试技术与仪器应用[M].机械工业出版社，2004.

[7]关贞珍.风机性能试验自动测试系统[J].流体机械，2002（7）：

23-25.

[8]杨乐平.LabVIEW高级程序设计[M].清华大学出版社，2003.

[9]应怀樵．虚拟仪器与计算机采集测试分析仪器的发展和展望[J]．测控技术，2000

[10]张超凡,师清翔,李济顺,等.虚拟转速转矩功率测试系统[J].传感器与微系统,2006,25

（2）:

47-49.

[11]西南交通大学异步电动机变频调速控制系统

指导教师：

年月日

督导教师：

年月日

领导小组审查意见：

审查人签字：

年月日

附录3风机测试程序

图附录3-1测试系统欢迎界面

图附录3-2测试系统主界面

图附录3-3信号采集子面板

图附录3-4滤波子面板

图附录3-5窗函数子面板

图附录3-6后面板主程序

图附录3-7主面板主程序