摘 要:開(kāi)發(fā)了一種基于LABVIEW的潛油電機(jī)的性能參數(shù)試驗(yàn)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(jī)性能參數(shù)的自動(dòng)采集、分析、處理,試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)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(dòng)強(qiáng)度,提高了工作效率。 關(guān)鍵詞:潛油電機(jī);數(shù)據(jù)采集;性能曲線;LabVIEW 1 引言 　　潛油電機(jī)是潛油電泵機(jī)組中的動(dòng)力部件,它的工作特性好壞直接影響到整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要,電機(jī)的品種及產(chǎn)量越來(lái)越大,例行試驗(yàn)的工作量也隨之不斷增加,但測(cè)試手段卻相對(duì)滯后。目前,國(guó)外的潛油電泵機(jī)組應(yīng)用以美國(guó)為代表,他們對(duì)潛油電機(jī)的測(cè)試技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較完善,能夠在向用戶提供機(jī)組的同時(shí)提供其準(zhǔn)確的性能曲線。而國(guó)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(jī)的測(cè)功試驗(yàn),但僅限于一些基本參數(shù)的測(cè)量,并不能直接準(zhǔn)確繪制出電機(jī)的五項(xiàng)特性曲線。為此,我們和勝利油田無(wú)桿采油泵公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制了一套無(wú)桿泵測(cè)功系統(tǒng),這套系統(tǒng)是基于NI公司的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Labview和硬件平臺(tái),經(jīng)過(guò)試驗(yàn)本系統(tǒng)已達(dá)到測(cè)試自動(dòng)化、準(zhǔn)確繪制潛油電機(jī)性能曲線的要求。 2 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分。 　　2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括試驗(yàn)臺(tái)、操作控制臺(tái)和采集卡的選擇3部分。 　�。�1） 試驗(yàn)臺(tái)架部分 　　試驗(yàn)臺(tái)架由減速箱、加載器（包括直流發(fā)電機(jī)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(jī)構(gòu)、試驗(yàn)架等組成。其實(shí)物圖見(jiàn)圖1: [align=center] 圖1 測(cè)功臺(tái)實(shí)物圖[/align] 　　（2） 操作控制部分 　　操作控制部分分為潛油電機(jī)低壓控制柜（B級(jí)臺(tái)上）、高壓控制柜、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源、電阻測(cè)試柜以及操作控制臺(tái)等,其它輔助部分包括信號(hào)轉(zhuǎn)換接口箱、接線盒、屏蔽電纜等。為了防止互相干擾,強(qiáng)電與弱電分別走線,且根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行硬、軟件的濾波,以確保所獲得的信號(hào)真實(shí)。潛油電機(jī)試驗(yàn)裝置系統(tǒng)平面框圖,如圖2所示: [align=center] 圖2潛油電機(jī)試驗(yàn)裝置系統(tǒng)平面框圖[/align] 　�。�3） 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(jī)作為主體,用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)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(chǔ)、試驗(yàn)曲線繪制、打印等功能。系統(tǒng)中需要測(cè)量的電機(jī)電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)分別由各傳感器將測(cè)量信號(hào)傳送到測(cè)量?jī)x表實(shí)時(shí)顯示,在儀表的變送輸出端串接250Ω精密電阻然后經(jīng)過(guò)儀表二次變送輸出1～5V的直流電壓。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)不同的通道采集各個(gè)參數(shù)的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到工控機(jī),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(shí)值。 　�、� 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(diǎn)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(gè)測(cè)量參數(shù)的要求,同時(shí)留有一定的擴(kuò)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(shí)間為2.5μs 　　c. 采樣頻率可達(dá)100KHz,能夠?qū)崟r(shí)反映系統(tǒng)參數(shù)的變化。 　　d. 通道增益可編程。 　　來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)總會(huì)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(hào)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(lái)消除模擬量的共模干擾。如果信號(hào)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(diǎn),采用差分輸入模式,其模擬輸入信號(hào)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(cè)量的模擬信號(hào),Vcm為待測(cè)量模擬信號(hào)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(kāi)/關(guān)控制或信號(hào)切換的繼電器輸出卡。該卡提供12路機(jī)電式SPDT繼電器輸出,每個(gè)繼電器的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)非常容易監(jiān)視,在每個(gè)繼電器旁有一個(gè)紅色的LED指示燈,此指示燈顯示了該繼電器的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。卡上帶有一個(gè)DB-37接口,以便于板卡與設(shè)備的信號(hào)連接。它是研華公司中比較成熟的一款,特點(diǎn)是可靠,開(kāi)關(guān)響應(yīng)快,保證了功率投入的及時(shí)、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(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào),并采用導(dǎo)電滑環(huán)來(lái)耦合電源輸入及應(yīng)變信號(hào)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(shí)由于接觸不可靠,也不可避免地會(huì)引起測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)及誤差的增加。因此,如何在旋轉(zhuǎn)軸上進(jìn)行能源及信號(hào)的可靠耦合已成為轉(zhuǎn)矩傳感器最棘手的問(wèn)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(gè)問(wèn)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(tuán)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(lái)實(shí)現(xiàn)能源的輸入及轉(zhuǎn)矩信號(hào)的輸出,從而解決了旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中能源及信號(hào)可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間的傳遞問(wèn)題。該傳感器還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量,從而可方便地計(jì)算出軸輸出功率,因此,利用該傳感器可實(shí)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(jì) 　　系統(tǒng)選用了LabVIEW作為編程平臺(tái),它是基于圖形化編程語(yǔ)言G的開(kāi)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(kù)函數(shù)。采用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),軟件編程方便、簡(jiǎn)潔,效率高;圖形界面友好,操作簡(jiǎn)單,人機(jī)交互性強(qiáng);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(shí)更換高性能的數(shù)據(jù)采集卡,提高儀器性能[3]。 　　用LabVIEW開(kāi)發(fā)的測(cè)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(cè)試報(bào)告和幫助等。其中系統(tǒng)自檢主要是對(duì)計(jì)算機(jī)和硬件的通訊進(jìn)行測(cè)試;數(shù)據(jù)采集部分主要是對(duì)試驗(yàn)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(shí)時(shí)顯示,并將采集數(shù)據(jù)保存成數(shù)據(jù)文件;存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)以表格的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。為了便于以后查詢可按試驗(yàn)日期、電機(jī)型號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)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(cè)試報(bào)告;幫助部分包括實(shí)時(shí)幫助和使用說(shuō)明。 3 抗干擾設(shè)計(jì) 　　在電阻測(cè)量過(guò)程中由于原來(lái)的方案（電機(jī)感應(yīng)線圈斷開(kāi)的瞬間測(cè)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(jì)中加了電容和一個(gè)保護(hù)模塊以后,徹底屏蔽了有害的尖端脈沖,保護(hù)了板卡。 　　另外,由于被測(cè)潛油電機(jī)和作為負(fù)載的發(fā)電機(jī)都是強(qiáng)電驅(qū)動(dòng),在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各測(cè)試信號(hào)電磁干擾大,在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集過(guò)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(hào)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(cè)量結(jié)果,對(duì)噪聲進(jìn)行必要的處理尤為重要。對(duì)于和有用信號(hào)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(chǎng)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(diǎn)濾波技術(shù),數(shù)據(jù)變化響應(yīng)更快、更平滑。 4 測(cè)功實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理 　　電機(jī)測(cè)試主要研究電機(jī)各種特性及參數(shù)的測(cè)試。包括電機(jī)的工作特性、機(jī)械特性等[4]。因此電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)下列功能。 　�、� 空轉(zhuǎn)試驗(yàn) 　　② 堵轉(zhuǎn)試驗(yàn) 　�、� 電機(jī)效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)差率試驗(yàn) 　　電機(jī)測(cè)試過(guò)程中需要測(cè)得參數(shù)有直流電阻,空載過(guò)程中的銅耗、鐵耗和機(jī)械耗,堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流和轉(zhuǎn)矩,負(fù)載試驗(yàn)時(shí)電機(jī)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(lái)的試驗(yàn)方法是在試驗(yàn)過(guò)程中先由試驗(yàn)員記錄下來(lái)測(cè)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(diǎn)法繪制曲線。這種方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)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(huì)造成很大的誤差。采用基于LabVIEW的電機(jī)測(cè)功方法,不僅測(cè)試過(guò)程全自動(dòng)化,更優(yōu)越的特點(diǎn)是它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,測(cè)量完畢后,只需點(diǎn)一下數(shù)據(jù)處理的按鈕,計(jì)算機(jī)就會(huì)完成所有的數(shù)據(jù)處理,包括繪制曲線。而且繪制曲線時(shí)有三種曲線擬合方式可供選擇:線形、多項(xiàng)式和指數(shù)形式用戶可根據(jù)需要來(lái)選擇曲線擬合方式,圖4就是空載試驗(yàn)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(lái)。 [align=center] 圖4空載實(shí)驗(yàn)界面[/align] 5 本文作者創(chuàng)新點(diǎn) 　　系統(tǒng)的成功運(yùn)行解決了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢手段測(cè)落后、測(cè)量誤差大、操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題,并且具有運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、精度高、操作簡(jiǎn)單、界面友好等特點(diǎn),是具有較高推廣價(jià)值的潛油電機(jī)性能參數(shù)測(cè)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(jī)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(jī)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)與相關(guān)問(wèn)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(jī)噴油量模糊控制系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006, 3-1: P24-26