基于LabVIEW的风机性能远程测试系统的研究（全套含CAD图纸）
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编号 毕业设计（论文） 题目： 基于 风机性能 远程测试系统的研究 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2013 年 5 月 25 日 锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本 人 郑 重 声 明 ： 所 呈 交 的 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 基于 本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在 毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 学 号： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、 题目 基于 风机性能远程测试系统的研究 2、专题 二、课题来源及选题依据 课题来源：参考一些网络资料，文献资料，与老师商榷，最终从学校给定的课题中选定这一课题。 选题依据：评判风机的性能主要反应在三方面：产品质量的提高、工作效率的提高和工作质量的保证。出厂的风机性能能否达到样本数据要求，改造后的风机是否能达到性能指标都需要进行性能测试。长期以来，我国的风机测试技术比较落后，主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工绘制数据曲线为主，存在劳动力大、测量精度低、手段落后等缺点。然后，现代风机性能测试正从传统人工测试向自动化测试转变。计算机技术与测试仪器技术的结合，使人类研发出了一种新的测试仪器 虚拟仪器。本文正是利用 司开发的软件 建风机性能远程测试系统的方案。此软件构建的系统实现了“所得及所见” 的可视 化人机见面 ，采用的模块化的思想将 统功能分区，使得远程测试技术达到了一个新的高度。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉 虚拟测试仪器和传统测试仪器 的 构成和特点。 熟练 风机性能测试的 原理和方法 、风机性能曲线的绘制原理。 熟悉采集系统的设计和采集原理、熟练步进电机的选择。 掌握 虚拟测试系统的设计流程和总体结构。 熟练使用 系统的操作界面和操作流程 。 四、接受任务学生： 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 要 风机技术 生产 和 研究 的 主要 环节是风机性能检测 的 试验。随着风机技术的发展，人们 对风机性能检测试验的要求也 越来越高。 目前， 现代风机性能测试正从人工测试向自动化测试转变。 测试仪器和计算机技术的结合 ， 孕育了 一种新的 检测 仪器 虚拟仪器。虚拟仪器是一种可以利用计算机资源，并由用户设计其功能的具有 一系列 虚拟面板的仪器系统。虚拟仪器的网络化是实现 风机性能 远程测试 技术 的关键 。 在此基础上，本文提出了利用 司开发软件 建风机性能远程测试系统的方案。 本文主要分为三部分。第一部分介绍了虚拟仪器的特点、组成、概念以及相关 的网络技术， 并 介绍了 特点；第二部分分析风机性能 试验基本 原理，然后根据系统设计要求对传感器、 风机工作环境、旋转挡板和 数据采集卡 等 进行了选型，设计了信号调理电路；第三部分，以 为开发平台 具体做出风机系统的设计流程并对 风机性能远程测试系统的软件设计 进行 讨论和研究 。 关键词： 虚拟仪器；远程测试；风机性能； an is an in of of At is to of as a of as a of is in on of a by I in is of in on of so on on as of of is a V 目 录 摘 要 . . 绪论 . 1 言 . 1 究的目的和意义 . 1 内外研究状况 . 1 文研究的内容和目标 . 2 2 虚拟仪器技术及相关知识 . 3 拟仪器简述 . 3 拟仪器系统的构成 . 3 拟仪器的硬件 . 3 拟仪器的软件 . 3 拟仪器的特点 . 4 拟仪器的开发平台 . 4 向仪器与测控过程的图形化开发平台 . 4 特点 . 4 章小结 . 5 3 风机性能试验的原理 . 6 机性能试验概述 . 6 机 性能试验的原理和方法 . 6 机的性能参数 . 7 机的性能曲线 . 7 机性能试验 . 7 机性 能测试的环境参数 . 7 机性能测试中的结构参数 . 7 机性能试验装置的方案及选用 . 8 机性能参数的相关计算、处理 . 9 机性能曲线绘制 . 10 章小结 . 11 4 采集 系统的设计 . 11 机性能测试系统的组成 . 11 机工况调节装置的设计 . 11 构设计 . 12 进电机的控制 . 13 步进电机的选择 . 13 统测试的内容与方法 . 13 压的测量 . 13 量的测量 . 13 矩的测量 . 16 感器的选用 . 16 力传感器 . 16 压传感器 . 17 度传感器 . 17 速传感器 . 17 号调理电路 . 18 据采集卡 . 18 5 虚拟测试系统 的结构 . 20 统设计流程 . 20 于虚拟仪器的风机性能远程测试系统的总体结构 . 21 统的总体结构 . 21 统主界面 . 22 统操作流程 . 23 据采集 . 25 据处理 . 27 据计算 . 27 线拟合 . 27 验数据 . 28 章小结 . 29 6 总结与展望 . 30 结 . 30 究展望 . 31 致谢 . 32 参考文献 . 33 基于 风机性能远程测试系统的研究 1 1 绪论 言 风机使用面广，种类繁多，遍及国民经济各部门，利用风机产生的气流为介质进行工作，可 实现工业生产中分离、清选、加热烘干、除尘降温、物料输送、通风换气等多种工作。所以，在我国的化工、冶金和建材等部门，风机得到了广泛的应用。如冶金工业中的锅炉鼓风、空气调节设备和家用电器设备中的设备通风和冷却、风洞风源和气垫船的充气和推进、化工业中的气体排送、采矿业中的矿井通风、厂房的通风等都离不开风机。在农业中气力播种、谷物清选、植物保护、物料干燥、农副产品加工以及物料输送等方面都要用到风机 1。 风机系统中处于核心地位是气力输送，它输送的风量和提供的压力强有力地保证了系统的可靠性和有效性。风机的安全可靠性 在工农业生产中的地位显而易见。而风机的安全性及其工作效益与它的性能息息相关，所以风机具备良好的性能可以保障日常生产安全运行。由于风机内气体流动的复杂性，目前还很难用单纯的理论计算方法准确地获得风机性能曲线，只能通过试验方法测定。因此，快速准确地测定风机性能参数并绘制性能曲线对开展风机的研究有重要的意义。 究的目的和意义 评判 风机的性能 主要反应出三方面： 产品质量 的提高 、工作效率 的提高 和工作质量 保证的关键因素。校验产品 的 气动性能 能否 达到设计要求 、 出厂 的 风机性能 能否 达到样本数据 的要求 、 改造后的风 机是否能达到性能指标都需要进行性能测试。性能测试也是诊断故障的前提。风机的工作 体现在 输送流量、产生全压、所需功率及效率 。 为了人们能正确使用风机，我们 必须了解这些参数之间的相互关系。但由于风机理论至今尚未完善，所以大部分依赖于状态试验获取风机状态参数。风机状态试验原理是在风机转速不变的情况下改变，改变风机的流量来检测风机的 其他各个 参数，并且绘制状态曲线。 目前，风机用户为提高自身的经济效益，在选择风机时对风机的各指标提出了更为严格的要求，如压力，转速，流量，噪声，功率，可靠性等。与此同时，风机生产厂家为了提高自身的竞争能力，在努力提高机械加工，改进气动设计的同时，也对风机状态试验的开发和研究给予了高度的重视。长期以来，我国的风机测试技术比较落后，主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工绘制数据曲线为主，存在劳动强度大、测量精度低、测量手段落后等缺点。然 而 ，现代风机性能测试正迅速从传统人工测试向自动化测试转变。计算机技术与测试仪器技术的结合，使得人类研发出了一种新的测试仪器 虚拟仪器。虚拟 测试 技术和 计算机 通信技术的结合，使 得 虚拟仪器应运而生，信号 的 采集、 处理 和 传输 形成了一体化，不再受 环境 、 地域 等的限制。虚拟 仪器的网络化 是 虚拟仪器目前 发展 的必然趋势。由此，本文提出了利用 司开发软件 建风机性能远程测试系统的方案。 内外研究状况 在过去的 70 年 ，风机的应用不断 拓广 。 1922 年，罗本逊先生 的 矿井通风实践， 使得风机控制 开始 从自然通风过渡到机械通风 。 无锡太湖学院学士学位论文 2 丹麦是世界上研究风机最早国家之一，很多风机制造商如 司、 够自动测试风机性能参数，并 且 进行分析，以此指导风机生产，提高风机性能和效率 。 我国风机性能测试大 体上经历三个阶段 23： （ 1） 上世纪五十年代以后，我国许多 学 院和高等院校 以 化工部门颁发的标准研制了风机测试 试验台，但测试手段落后，主要以手工测量为主。采用毕托管、杠杆测矩等传统仪器进行数据采集， 人工 计算 、流量 、 压力 、 效率 和 功率 等参数，手工绘制性能曲线。这样测测精度不高、劳动强度大、工作效率低。 （ 2） 八十年代中期，可编程计算机 出现使 风机性能测试程序实现了部分仪表测试的自动化；后来出现 微型计算机和有关测试仪器，通过 线在计算机上存储 、 显示 、处理数据和 打印，由自动绘图仪拷贝试验结果 大大提高了 工作效率 。 （ 3）以上风机测试系统 大部分 为半自动测试， 其 测量信息不能综合管理，且界面不够友好。随着计算机 作系统的展，华中科技大学动力工程系成功开发一种基于 用 发设计的一套计算机辅助试验系统 。 该系统能够完成试验数据的计算机自动集、 显示 、 处理 、存盘、打印及曲线的 实时屏显 ， 并且 能够查询当前和历史试验数据， 实现了人机界面的良好。 文研究的内容和目标 在本文中，我们以 风机性能测试系统的基本结构、特点以 及数字化测试技术 为核心 ，以虚拟仪器模块化的设计思想为依据，利用 件构建 的 一个 C/S 模式的数据采集系统 来对 风机性能 进行 远程测试。具体研究内容如下： 1、 对风机性能试验基础 的研究。 2、利用 风机性能试验 的 原理，确定系统设计 的方案和系统 实现的功能，并确定本系统的结构。 3、根据对 建的 虚拟仪器系统硬件基础 的分析 ，对系统的 结构和体系 进行深入分析。 4、以 虚拟仪器模块化和层次化 为 设计思想，确定系统的功能模块。 5、 采用 件平台将功能模块进行编 程， 全面优化数据采集和处理、曲线拟合、数据存储等方面。 6、 在 台上 实现 客户端与现场仪器系统的数据交换，从而实现远程检测。 基于 风机性能远程测试系统的研究 3 2 虚拟仪器技术及相关知识 虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术的重要组成部分，它们被称为 21 世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟仪器技术的出现大大的改变了人们现有的工作模式、思维模式和生活模式。 拟仪器简述 1986 年， 美国国家仪器公司 (称 先提出来虚拟仪器 。 它 的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的 固有 模式。给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户 (而不是厂家 )可以根据自己的 需求 ，设计自己的仪器系统。虚拟仪器 中 的 “ 虚拟 ” 包括以下两方面：（ 1）虚拟仪器面板是虚拟的。虚拟仪器面板控件是与 实物 相似 的 “ 图标 ” ，用户只需选用 和 软件程序 相似 的图形 “ 控件 ” ， 然后通过 计算机的鼠标来对其进行操作。（ 2）虚拟仪器测量功能 都是 由软件编程 来 实现 的 。 拟仪器系统的构成 任何测量系统都必须包含数据采集、数据分析和处理和数据显示和输出三 个模块，虚拟仪器就是将这些模块用不同的硬件和软件来实现。 拟仪器的硬件 虚拟仪器测试系统的硬件 通常 包括传感器、信号采集 、 信号调理、等 I/O 接口设备和通用计算机。计算机一般是 或工作站，是 整个 硬件的核心，；传感器 则 是测试系统获取 外界 信息的 通道 ； I/O 接口设备 则 采集、放大、 A/D、 D/A 转换 被测信号 等。 拟仪器的软件 虚拟仪器系统的软件结构包含以下三部分： （ 1） I/0 接口软件：是最接近硬件的软件层 ， 存在于驱动程序 和硬件 之间，为硬件和驱动程序提供信息 交流。 （ 2） 驱动程序层：一般以 动态链接库或静态库形式供应用程序调用 ，是 实现仪器控制的桥梁。驱动程序的实质是 一个较为抽象的操作函数集， 为用户提供仪器操作 。 （ 3） 应用程序开发环境： 是 虚拟仪器的核心 ，可以 完成测试系统数据的分析、计算、显示 和 输出等任务 。 表 2拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器 虚拟仪器 仪器由厂商定义 用户自己定义 硬件是关键 软件是关键 仪器功能规模固定 系统规模功能可通过软件增减修改 封闭的系统，与其他设备连接受限 基于计算机的开发系统，可方便的同外设，网络及其它应用程序连接 价格昂贵 价格低，可重复利用 技术更新慢（周期 5） 技术更新快（周期 1） 开发和维护费用高 软件结构大大节省了开发和维护费用 无锡太湖学院学士学位论文 4 拟仪器的特点 虚拟仪器是基于计算机技术的一种全新的仪器设计概念，它与传统仪器相比显示出了众多的优点 4。虚拟仪器与传统仪器的比较见表 2 虚拟仪器测试系统是集控制、测量、计算为一体，各种自动测试工作都是在计算机参与下完成的。因此虚拟仪器的特点 可归纳为 6： （ 1） 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能； （ 2） 仪器的功能是用户根据需要由 软件来定义的，突出 “ 软件就是仪器 ” 的新概念； （ 3） 仪器性能的改进和功能扩展只需进行软件的设计更新，不需要 重新 购买新的仪器； （ 4）研 发 周期比传统仪器 相比 大为缩短； （ 5）虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准； （ 6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联，以便于构成复杂的测试系统 ； （ 7） 性价比高。虚拟仪器的信号传送和数据处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，大大降低了系统误差和环境干扰和影响； 拟仪器的开发平台 向仪器与测控过程的图形化开发平台 验室虚拟仪器工程平台）的缩写，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域。它是一种基于图形编程语言 G 语言 (可视化开发平台 7。 （ 1） G 语言编程 常规的 C/C+等语言 相比 ， 它 具有语言的所有特性，如相似的程序调试工具 、 数据类型，以及模块化的编程特点等 ，二者的区别仅仅是 编程方式不同 。但二者最大的区别是 用图形语言（各种图标、图形、连线等）以框图的形式编写程序。所以 ， 仅仅是一个功能较完整的软件开发环境，而是一种真正的编程语言，由于其独特的图形化编程方式，又被称为 G 语言 8。 （ 2）基于 虚拟仪器程序设计结构 序称为虚拟仪器程序（ 简称为 个 序 都由 三个主要部分 组成 ：前面板、框图程序、图标 /连接器。 前面板（ 虚拟程序 的交互式图形化用户界面， 目 的是仿真传统仪器的前面板， 用于设置用户输入和显示程序输出。 框图程序（ 利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制，也是 为 G 语言的 主要 体现。 图标 /连接器（ 于把 义成一个子程序（ I）， 这种子程序可以在 其它程序中加以调用，这使 以实现层次化、模块化编程。 特点 件的特点可归纳为以下几点 9： （ 1）图形化的仪器编程环境：使用 “ 所见即 所得 ” 的可视化技术建立人机界面。 在 测控 基于 风机性能远程测试系统的研究 5 领域， 供了大量的仪器面板中的控制对象，用户还可以通过控制编辑器将控制对象修改成自己 喜欢的 个性特点的控制对象； （ 2）内置的程序编译器：它采用编译方式运行 32 位应用程序，解决了其他按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题； （ 3）并行机制：功能模块 用图标表示 ，数据传递 用连线表示 ，使用 大多数人 熟悉的数据流程图式的语言编程，这样使得编程过程与思维 模式 非常相似； （ 4）灵活的程序调试手段：用户可以在源代码中设置断点、单步执行源代码、在源代码中的数据流连线上设置探 针，观察程序运行过程中数据流的变化等； （ 5）支持多种系统平台：在 T/95， 系统平台上， 提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移值； （ 6）强大的函数库：从基本的数学函数、字符串处理函数、数组运算函数和文件输入输出函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函数，可供用户直接调用； （ 7） 开放式的开发平台：提供 口和 点来使用户有能力在 台上使用其它软件平台编译的模块； （ 8） 网络功能：它支持 P， 功能。 章小结 本章首先介绍了虚拟仪器的概念，进而对虚拟仪器系统的软硬件组成及其虚拟仪器开发平台 行了详细的阐述和讨论，对传统仪器和虚拟仪器的优缺点进行比较，总结出了 虚拟仪器的特点。 无锡太湖学院学士学位论文 6 3 风机性能试验的原理 机性能试验概述 机性能试验的原理和方法 风机 工作过程 总是 离不开 管网 的 ，气体在风机中获得外功时，其压力与流量之间的关系是 根据与 风机的性能曲线变化的。而当气体通过管网时，其全压 流量（ 系 随 管网的性能 曲线 变化而变化。因此，总结出 风机的性能与管网的性能之间必须有 以下 关系： （ 1）通过风机 气体流量 与管网的气体流量 肯定 完全相等； （ 2）风机所产生的全压的一部分 压力 用于克服管网中的阻力 H， 我们称之为静压 余部分 则在 气流从管网出口 时消耗，我们称之为 动压 机的全压 P 则 等于管网的总阻力 消耗的加上管网 出口 时 损失 的 ，即 P=H+ 风机压力与管网阻力之间的关系。要满足上述要求，整个装置 试验条件 只能在风机 线与管网性能曲线的交点 处 A 上运行。在 A 点 处 ，两者的流量 相等 的 ， 阻力 H 与 静压力 也 是 相等 的，我们把 A 点称为工况点。工况点 的位置 是由 管网性能曲线 与风机静压曲线的交点来决定的，当管网性能曲线变为 H、 H时 ， 工况点也 会 随之改变，若风机的压力曲线不变，工况点就 会 沿着压力曲线移动至 A、 A。风机性能测试 就是 基于这一原理， 在 风机的转速 不变时 ，调节排气节流阀的开度，改变管网特性曲线、改变工况点，从而改变了风机的流量等参数，在各个对应的工况点下测定该风机的 动压 、 静 压、 轴功率 、 电机转速 等参数， 再 通过计算得到各工况点的效率，进而绘制风机的性能曲线，包流量 静压（ 线 、 流量 功率（ 线、流量 效率（ 线、流量 全压曲线（ 等，对 风机在一定转速下的性能标定 进行控制 。 图 机压力和管网阻力的关系 由于风机内部流体运动 规律相当复杂 ，至今 我们 还不能 靠 理论的方法 准确 计算出它的各种损失，因而不能准确的计算出 风机的各 性能参数，所以用计算的方法得到的 风机 性能曲线与实际 的 性能曲线 有着 较大差异。特别对于非设计工况，计算值与实际值的误差就更大。因此， 我们要通过试验确定风机工作性能参数，从而 确定工作风机的工作性能曲线，从而确定 基于 风机性能远程测试系统的研究 7 风机的工作范围，以便向用户提供高效率的风机。 机的性能参数 风机主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率等。 （ 1）流量：单位时间内风机所输送的流体量称为为流量，也称为风量。常用体积流量 单位为 “ ” 或 “ ” 。 （ 2）全压：单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压，也称为风压。常用 P 表示，单位为 （ 3）轴功率：原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，常用位为 （ 4）有效功率：单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，常用位 （ 5）效率：风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中 肯定 一部分 的 能量损失，被输送的气体实际得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，风机有效功 率与轴功率之比称为风机效率。常以 表示。风机全压效率可达 90。风机效率越高，则气体从风机中得
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