基于LabVIEW的汽轮机转子动叶扭转量测量系统设计

82工具技术基于LABVLEW的汽轮机转子动叶扭转量测量系统设计吴春冬，张文建，李衍佳，邵华。上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂；上海交通大学摘要汽轮机低压转子动叶装配扭转量测量是汽轮机制造装配的重要环节。在综合考虑精度、效率、经济性三方面后，设计出一种传感器电源一信号调理设备一采集卡一计算机软件的测量系统。在软件环节，基于LABVIEW设计了测量界面和主程序，并嵌入了MATLAB进行算法简化，使系统具有高可靠性和便于维护的特点。关键词LABVIEW；测量系统；扭转量；动叶装配中图分类号TG83；TG802文献标志码ADESIGNOFTORSIONMEASURINGSYSTEMFORSTEAMTURBINEROTATINGBLADEBASEDONLABVIEWSOFTWAREWUCHUNDONG，ZHANGWENJIAN，LIYANJIA，SHAOHUAABSTRACTTHETORSIONMEASUREMENTFORSTEAMTURBINELPROTORROTATINGBLADEISACRITICALPARTINSTEAMTURBINEMANUFACTURINGANDASSEMBLYINTHISPAPER，CONSIDERINGTHEACCURACYOFMEASURING，EFFICIENCYANDECONOMY，AMEASURINGSYSTEMCONSISTINGOFDISPLACEMENTSENSORSPOWERSUPPLY，ASIGNALCONDITIONER，ADATAACQUISITIONCARDANDCOMPUTERSOFTWAREISDESIGNEDTHESOFTWAREHASEXCELLENTRELIABILITYANDMAINTAINABILITYASMEASURINGWINDOWSANDMAINPROGRAMISDESIGNEDBYLABVIEWANDMATLABISEMBEDDEDTOSIMPLIFYTHEALGORITHMKEYWORDSLABVIEW；MEASURINGSYSTEM；TORSION；ROTATINGBLADEASSEMBLY1引言上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂制造的1000MW超超临界汽轮机广泛采用了预扭T型叶根整体围带动叶，该设计结构的动叶对装配提出了新的要求。与常规的T型叶根动叶相比，叶根中间体及围带外形轮廓均为平行四边形，叶片在转子轮槽内撞紧就位后，相对于轮槽产生一定的扭转量错位值。为了保证叶片围带的装配扭转量，在工艺上往往采取加装“压力叶片”的工艺手段。“压力叶片”的数量及其在级内的布置位置，需要根据叶片的大小和预测的扭转量数据而定。叶片扭转量应控制在设计允许范围内，不宜过大，以免引起叶片内部过大的内应力。针对1000MW核电汽轮机低压转子动叶装配扭转量测量开发了软件系统，实现了传感器数据采集、运算、数据实时显示及保存等功能，软件界面具有简洁、友好、易于操作等特点。2测量系统设计传感器的选取是测量仪开发中至关重要的一个环节，因为传感器的精度、量程等参数决定了测量仪收稿日期2014年5月系统整体的性能，而且传感器输入输出信号读取方式的不同将导致测量仪系统结构的不同。通过大量调查发现，按照输出信号读取方式的不同，接触式位移传感器大致可分为三类第一类，传感器的输出信号是与位移量成正比的连续模拟信号，可用数据采集卡读取；第二类，输出信号是脉冲式电信号，该类传感器的数据用数显表读取；第三类传感器的数据读取既不需使用采集卡，也不需通过数显表，而是直接通过电脑软件端读取数据。本文采用的位移传感器属于第一类传感器，马波斯传感器和海德汉长度计属于第二类传感器，TESAUSB测头则属于第三类传感器。根据传感器的不同类型，测量仪的开发也相应存在三种方案方案一的结构为传感器电源一信号调理设备一采集卡一计算机软件；方案二的结构为传感器一数显表；方案三的结构为传感器一延长器一计算机软件。下面将详细说明三种方案各自的特点。21方案一WYM一1型高精度位移传感器属于第一类传感器，该传感器的测量行程可为5MM、10MM，非线性度小于005，即量程为5MM的该类传感器精度为25M，量程为10MM的该类传感器精度为5M。该传感器需使用24V直流电源，输出一5一2015年第49卷NO35V直流电压，外径为B8MM，伸缩杆前端触头与伸缩杆为M25的螺纹连接，方便互换触头和自主更换其他触头，缆线长度可订制。与第一类传感器相对应的方案一结构如图1所示，该方案包含传感器、电源、信号放大器、数据采集卡、计算机软件等元件。图1方案一结构框图方案一的元件数目较多，因而结构也较复杂，但其软件部分相对灵活，可通过自主编程方便地实现数据读取、数据运算、数据图形显示、数据保存等多种功能。方案一的优点还在于测量仪系统中传感器的成本较低，传感器的选择也较多。2_2方案二海德汉长度计属于第二类传感器。海德汉公司的直线光栅尺采用实物测量基准，即玻璃或玻璃陶瓷基体的绝对式或增量式光栅尺，这些测量基准支持大测量范围，对振动和冲击不敏感，具有确定的温度特性，并且测量基准的精度不受大气压力和相对湿度变化的影响，能保证长度计精度的长期稳定。光栅用光电进行扫描，扫描期间没有机械接触，因此没有磨损；光线穿过经特别排列的扫描掩膜和光栅尺后照射在光电池上，光电池产生周期很小的正弦输出信号；后续电子设备对输出信号进行细分至纳米级的极小测量步距，凭借光电扫描原理、极精细的光栅刻线和整齐的刻线边缘确保了高质量的输出信号，使微小位置误差在一个信号周期内。海德汉公司的长度计遵循阿贝测量原则，即测量基准与测量杆精确地在一条直线上。构成测量环的所有部件，如测量基准、测量杆、支架和读数头等都按照机械稳定和热稳定性最好的原则设计，确保长度计具有尽可能高的精度。海德汉ST1288型长度计以玻璃基体上DIADUR光栅作为测量标准，栅距为201XM，测量范围为12MM，系统精度达1IXM，最高运动速度为72MMIN。需提供5V直流电源，输出为1V电平正弦电压信号，装夹杆外径为B8MM，以方便安装。缆线长度最长可为30M，其数据采用数显表读取。采用第二类传感器的方案二结构简单见图2，其中数显表用于显示和读取数据。从上述海德汉长度计的介绍可知，如选取海德汉长度计作为方案二中的传感器，测量仪的精度将非常高，且能保持83长期稳定。臣图2方案二结构框图2_3方案三TESA公司的USB测头属于第三类传感器，该传感器无需借助采集卡或数显表读取数据，而是直接通过USB接口与计算机相连即可在计算机软件端读取数据并进行处理，结构简单。TESA的GT61USB型传感器通过USB接口直接与电脑相连，可连接的传感器最大数目取决于可用的USB端口。因此，电脑通过USB集线器拓展可同时连接多个测头，实现多个测点的同步测量。测头连接电脑后将被定义为标准的外围设备，采用RS232协议进行数据传输。GT61USB测头的测量范围为5MM，精度为3ILM，分辨率为024IXM，测量杆直径为B8MM，头部的可互换测量头为直径3MM的硬质合金球触头，通过M25的螺纹与测量杆连接，方便用户更换或自行设计触头。该传感器的缆线长29M，工作环境温度为一1O一4O，工作环境最大湿度为80。采用第三类传感器的方案三结构同样简单见图3。该方案通过计算机端的专用软件进行数据采集、显示、保存等操作，方便其他数据处理软件进行后续处理。方案三中传感器的精度为3IXM，仅次于海德汉长度计。图3方案三结构框图24方案确定方案一的优点在于成本低廉，软件部分灵活，可通过自主编程方便地实现数据读取、数据处理、数据图形显示、数据保存等多种功能，方便用户使用；缺点在于传感器精度较低，系统元件数目多，结构复杂，硬件连接及集成的难度较大。方案二的优点在于结构简单，传感器精度高且稳定，无需进行软件开发，因而开发难度较低；缺点在于单个数显表可连的传感器少最多四个，而数显表的价格昂贵，因而该方案不适合于需同时测量多个测点的场合另外，数显表仅显示数据而无法对数据进行处理和保存，因此，该方案也不适用于需对传感器数据进行一定处理的场合，此外，海德汉公司的长度计精度虽高但价格昂贵，仅适用于对精度要求非常高的场合。865系统性能测试与分析通过公司临港工厂进行多次测试，测量仪硬件系统的精度和可靠性得到了认可。根据现场操作的要求，将原本为整体式的传感器缆线拆分为两段可拆卸式，进一步提高了系统的可操作性和便利性。测量仪软件系统根据操作人员使用要求进行了多次改进、优化。具体而言，软件系统的优化主要包括1为使用户在测量过程中能观测到径向跳动的实时值，软件在测量开始时确定了零位；2将传感器读数波形图改为传感器相对零位的相对读数波形，使得测量更加直观；3尽管测量仪系统中传感器精度达到了5M，但用户要求数据精确到10PM。因此，测量仪系统记录、保存的数据均更改为保存到小数点后两位；4多次优化转子动叶装配扭转量测量系统算法，改变了转子动叶装配扭转量需使用手工量具测量的局面，极大地提高了测量效率；5多次优化操作界面，使得界面友好、简洁、美观、易于操作。6结语通过前期大量深入调研，结合I贝0量仪的技术要求，提出了三种构建测量仪系统的方案。经分析各方案的特点和适用场合，综合考虑使用便利性、功工具技术能、成本、精度等方面因素，最终确定方案一为测量仪系统的方案。方案一的结构为传感器电源一信号调理设备一采集卡一计算机软件，具有成本低廉，软件部分灵活，可通过自主编程方便地实现多种功能，使用方便等优点。测量仪系统选用WYM一1型高精度位移传感器、ART公司USB3000数据采集卡，通过将数据采集卡、传感器电源、信号放大器等集成在控制柜内，减少了用户接线工作量，简化了操作，提高了系统的使用便利性和可靠性。参考文献1雷振山，魏丽，赵晨光LABVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用M北京中国铁道出版社，20092申如国，顾剑勇，许雄国，等百万千瓦超超临界汽轮机预扭动叶装配工艺技术J热力透平，2008，3642582603何阿平，彭泽瑛上汽一西门子型百万千瓦超超临界汽轮机J热力透平，2006，351174袁培铎基于LABVIEW与MATLAB混合编程的应用研究J机械制造与自动化，2007，366129131第一作者吴春冬，上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，200240上海市FIRSTAUTHORWUCHUNDONG，S，SHANGHAIELECTRICPOWERGENERATIONGROUP，SHANGHAI200240，CHINA智能制造急需出台行业标准业内专家指出，由于缺乏行业性的智能制造标准规范，企业在跨系统、跨平台集成应用时面临复杂的技术难题，有的甚至需要推倒重来。例如，物联网行业应用标准缺失，导致设备不能兼容；企业内部一些信息系统也因缺失统一标准导致集成困难。智能制造的快速发展使工业标准规范不一致的问题更加凸显。工业和信息化部部长苗圩在2014年8月举行的中国互联网大会开幕论坛上表示，将加速信息通信技术改造提升传统产业的步伐，围绕重点行业车间级、工厂级的智能化改造等推广智能制造，并特别推动相关标准体系建设。目前，智能制造标准制订工作已经启动。2月6日，工信部智能制造综合标准化工作组成立暨第一次工作会在北京召开，工信部相关业务司局以及制造业、互联网及电子信息领域代表40余人参加了会议。赛迪智库装备工业研究所所长左世全是标准工作组的成员之一，他向科技ET报记者介绍了标准制订的进展。屏蔽此推广内容要制订智能制造标准，首先要建立一个智能制造体系架构，并以此为基础提出智能制造综合标准化体系框架。左世全介绍，在借鉴德国工业40标准建设指南和美国工业互联网标准体系基础上，标准工作组将智能制造系统架构分为六层第一层是生产基础自动化系统，第二层是生产执行系统，第三层是产品全生命周期管理系统，第四层是企业管控与支撑系统，第五层是企业计算与数据中心，第六层是由网络和云应用为基础构成的制造网络。围绕上述六层系统架构，参照国际标准化组织和国际电工协会联合制定的IEC62264标准，结合我国制造业发展实际情况制订的智能制造标准化体系主要包括五个部分。一是基础标准，包括智能制造术语和系统架构。二是通用标准，包括智能制造装备标准、接口标准、系统集成标准、系统安全标准等。三是运营标准，即产品全生命周期的管理标准。四是新一代信息技术标准，包括工业大数据、工业互联网标准、信息安全标准等。五是应用标准，包括流程制造智