关键词:潜油电机;数据采集;性能曲线;LabVIEW
1 引言
潜油电机是潜油电泵机组中的动力部件,它的工作特性好坏直接影响到整个机组的正常运行。随着生产发展的需要,电机的品种及产量越来越大,例行试验的工作量也随之不断增加,但测试手段却相对滞后。目前,国外的潜油电泵机组应用以美国为代表,他们对潜油电机的测试技术已经发展的比较完善,能够在向用户提供机组的同时提供其准确的性能曲线。而国内仅有少数大型电泵生产企业能够进行潜油电机的测功试验,但仅限于一些基本参数的测量,并不能直接准确绘制出电机的五项特性曲线。为此,我们和胜利油田无杆采油泵公司联合开发研制了一套无杆泵测功系统,这套系统是基于NI公司的软件开发平台Labview和硬件平台,经过试验本系统已达到测试自动化、准确绘制潜油电机性能曲线的要求。
2 测试系统的设计
系统的设计包括硬件和软件两部分。
2.1系统硬件设计
系统硬件设计包括试验台、操作控制台和采集卡的选择3部分。
（1） 试验台架部分
试验台架由减速箱、加载器（包括直流发电机和可调大功率电阻型负载）、扭矩转速传感器、联接转换机构、试验架等组成。其实物图见图1:
图1 测功台实物图
（2） 操作控制部分
操作控制部分分为潜油电机低压控制柜（B级台上）、高压控制柜、发电机励磁电源、电阻测试柜以及操作控制台等,其它辅助部分包括信号转换接口箱、接线盒、屏蔽电缆等。为了防止互相干扰,强电与弱电分别走线,且根据实际情况进行硬、软件的滤波,以确保所获得的信号真实。潜油电机试验装置系统平面框图,如图2所示:
图2潜油电机试验装置系统平面框图
（3） 数据采集部分
数据采集系统以研华公司的工业控制机作为主体,用来实现测试系统的顺序控制、数据采集、数据处理、数据存储、试验曲线绘制、打印等功能。系统中需要测量的电机电流、电压、转矩、转速等参数分别由各传感器将测量信号传送到测量仪表实时显示,在仪表的变送输出端串接250Ω精密电阻然后经过仪表二次变送输出1～5V的直流电压。数据采集卡通过不同的通道采集各个参数的模拟信号并转换为数字信号输入到工控机,利用相应传感器的变送公式将其转换为各参数的瞬时值。
① 数据采集卡的选取
系统中数据采集卡选用研华公司的PCI-1713,它是32通道隔离模拟量输入卡其特点如下[1]:
a. 具有32路单端输入或者16路差分输入,满足本系统的6个测量参数的要求,同时留有一定的扩展余地。
b. 具有12位的A/D转换器,转换精度高,转换时间为2.5μs
c. 采样频率可达100KHz,能够实时反映系统参数的变化。
d. 通道增益可编程。
来自现场的信号总会存在各种干扰成份,尤其是共模干扰（主要是由数据采集卡PCI-1713地电位和信号源地电位不完全相等造成）,模拟量的差分输入正是采用差分放大器的形式来消除模拟量的共模干扰。如果信号源比较干净,可以采用单端输入的方式[2]。鉴于本系统的特点,采用差分输入模式,其模拟输入信号连接方式如图3所示。
图3差分输入连接示意图
图中,Vs为待测量的模拟信号,Vcm为待测量模拟信号地与PCI-1713地之间的共模电压。
② 继电器卡的选取
继电器卡采用了研华公司的PCL-735板卡,PCL-735是一款用于设备开/关控制或信号切换的继电器输出卡。该卡提供12路机电式SPDT继电器输出,每个继电器的开/关状态非常容易监视,在每个继电器旁有一个红色的LED指示灯,此指示灯显示了该继电器的开/关状态。卡上带有一个DB-37接口,以便于板卡与设备的信号连接。它是研华公司中比较成熟的一款,特点是可靠,开关响应快,保证了功率投入的及时、可靠。
③ 转矩转速传感器的选择
转矩转速传感器应用非常广泛,但是传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号,并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出,由于导电滑环属于磨擦接触,因此不可避免地存在着磨损和发热,这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命,同时由于接触不可靠,也不可避免地会引起测量信号的波动及误差的增加。因此,如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠耦合已成为转矩传感器最棘手的问题,而JN338数字式转矩转速传感器则巧妙地解决了这个问题。故本系统中转矩传感器选择JN338。
JN338是北京三晶创业集团公司的产品,该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出,从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量,从而可方便地计算出轴输出功率,因此,利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。
2.2系统软件设计
系统选用了LabVIEW作为编程平台,它是基于图形化编程语言G的开发环境。LabVIEW综合了与诸如满足GPIB、VXI、PXI、RS-232和RS-485等标准接口以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能,它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。采用LabVIEW作为开发平台,软件编程方便、简洁,效率高;图形界面友好,操作简单,人机交互性强;能够方便的与外设相连,进行打印输出;兼容性好,可以随时更换高性能的数据采集卡,提高仪器性能[3]。
用LabVIEW开发的测试系统功能主要包括五大部分:系统自检、数据采集、数据处理、打印测试报告和帮助等。其中系统自检主要是对计算机和硬件的通讯进行测试;数据采集部分主要是对试验条件、传感器、采集参数进行设置,进行数据采集实时显示,并将采集数据保存成数据文件;存储数据时以表格的形式进行存储。为了便于以后查询可按试验日期、电机型号进行存储。数据处理主要是对保存的数据文件进行各种后处理;打印部分是编辑和打印测试报告;帮助部分包括实时帮助和使用说明。
3 抗干扰设计
在电阻测量过程中由于原来的方案（电机感应线圈断开的瞬间测量线圈两端的电压）容易产生尖端脉冲而损坏板卡,因此在设计中加了电容和一个保护模块以后,彻底屏蔽了有害的尖端脉冲,保护了板卡。
另外,由于被测潜油电机和作为负载的发电机都是强电驱动,在测试现场对各测试信号电磁干扰大,在实际的数据采集过程中,由于外界环境的干扰、采集卡等硬件电路本身性能不理想以及数据量化等因素的存在,采集到的信号中将不同程度地夹杂着一定的噪声。因此,为了得到更为准确的测量结果,对噪声进行必要的处理尤为重要。对于和有用信号处于不同频带的噪声,采用滤波的方法可以有效地加以去除。在软件滤波方面,结合本系统现场工作情况我们使用了中值滤波,其中用到了目前最先进的逐点滤波技术,数据变化响应更快、更平滑。
4 测功实验数据采集与处理
电机测试主要研究电机各种特性及参数的测试。包括电机的工作特性、机械特性等[4]。因此电机测试系统主要实现下列功能。
① 空转试验
② 堵转试验
③ 电机效率、功率因数、转差率试验
电机测试过程中需要测得参数有直流电阻,空载过程中的铜耗、铁耗和机械耗,堵转试验时的堵转电流和转矩,负载试验时电机在额定电压和额定电压和额定功率下,输入功率Pmi,定子电流I1、效率ηm,功率因数cosΦ及转差率Sref与输出功率Pmu的关系曲线。
原来的试验方法是在试验过程中先由试验员记录下来测得的各种数据,再由专门人员进行数据处理,然后用描点法绘制曲线。这种方法不但费时费力,而且结果有很多是从曲线上得到的,因此一些主观的因素会造成很大的误差。采用基于LabVIEW的电机测功方法,不仅测试过程全自动化,更优越的特点是它具有强大的数据处理功能,测量完毕后,只需点一下数据处理的按钮,计算机就会完成所有的数据处理,包括绘制曲线。而且绘制曲线时有三种曲线拟合方式可供选择:线形、多项式和指数形式用户可根据需要来选择曲线拟合方式,图4就是空载试验界面。为了方便用户以后查阅资料,可以把数据和曲线以word的形式保存下来。
图4空载实验界面
5 本文作者创新点
系统的成功运行解决了现场试验检手段测落后、测量误差大、操作人员劳动强度大等问题,并且具有运行稳定、实时性好、精度高、操作简单、界面友好等特点,是具有较高推广价值的潜油电机性能参数测试设备。
参考文献:
[1] PCI-1713 32-channel isolated Analog Input Card User’ Manual.
[2] 李仁.电气控制[M].北京:机械工业出版社.1990
[3] Gary W.Johnson, Richard Jennings. LabVIEW图形编程[M].北京:北京大学出版社. 2002
[4] 李天钢. 潜油电机堵转试验的实现与相关问题的解决方法[J].石油工业技术监督研究与探讨, 第18卷第7期,2002.
[5] 朱余清,吴伟斌,洪添胜, 基于虚拟仪器的柴油机喷油量模糊控制系统[J]. 微计算机信息, 2006, 3-1: P24-26
