机械密封装置测控系统的总体构架设计

第一章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义
由于机械密封是靠两个相对运动的面贴合在一起形成的密封面，所以两环之间存在摩擦磨损，从而机械密封的使用寿命非常有限，国内的机械密封一般工作 1-2 年后就会失效，如果经常工作在变工况的环境下，使用寿命会更短，变工况容易引起端面间的液膜相变，加大密封副的磨损，从而使密封失效。例如具有年产2000万吨炼油能力的企业，一般拥有机泵设备3500台，其每年需要花费近300万元维修更换失效的机械密封[1]。此外机械密封的应用领域十分宽广，除一般的石化行业外还广泛应用于生产生活的其它方面。小到一般水泵，大到航空航天以及核电站等领域都在运用机械密封作为主要的防漏元件。密封失效除了会降低生产效率，物料流失，而且一旦被密封的介质是有害介质，那么将造成环境污染和人员伤亡，损失无法估量。由此可见对机械密封进行深入研究，提高机械密封的性能与使用寿命，减少由于机械密封失效带来的损失显得尤为重要。对机械密封的研究离不开性能试验装置，试验装置可以在一定的试验条件下，测试机械密封产品是否达到规定性能指标的要求；研究一定工况条件下机械密封的最佳工作参数、结构等，探索机械密封工作机理。如今国内研究机械密封性能的企业和研究机构相当多，各个单位都购买一台测试装置会造成资源浪费。
本课题的研究专门针对上述问题而展开。网络化测控系统的实现，技术人员可以依靠网络远程指导用户开展机械密封安装、调试和性能测试，特别是远程指导用户维护和修理试验装置，克服了必须身临现场才能处理运行故障的难题，降低了运行成本，提高了效率。需要测试自己研发产品的性能时只需将试件寄到拥有测试装置的机构进行测试，自己在任何一台 PC 机上通过网络就可以实时观看与控制整个试验过程，如果需要试验报表，只需点击一个按钮就可轻松完成。由此可见本课题的研究有着客观的经济效益和较高的生态效益。

1.2 国外机械密封试验装置的研究现状
机械密封性能测试装置是对机械密封产品性能检测的关键设备。国外很多大的企业，包括美国 Flowserve 和英国 John Crane 和日本 Eagel 等国际知名密封公司都有他们专门的研制、测试中心。其中美国 Flowserve 公司在新加坡建立的测试中心最具有代表性，测试用的密封腔体和管路都采用透明的聚脂材料并布满了各种测试数据采集探头。这种装置优点是可以清楚的看到密封腔内部的运行状态。但它制作成本太高，目前还不适合大范围普及。在国外，一些用于实时监控机械密封工作状态的设备也被开发出来。
比如意大利Termoelettronica 公司利用微处理器设计了一台多功能机械密封试验设备 SEALsafe 并申请了专利，该设备支持实时检验和调节机械密封腔内的温度和压力，定时测量密封端面的泄漏量，并且可以将采集的数据进行分析和处理，并根据这些数据调节机械密封转速、温度和压力等，从而保持其良好的工作状态[2,3]，但其缺乏对机械密封端面信息的采集，该设备的数据采集系统是用 PLC 搭建的，PLC 采集模块采样率低，容易丢失信息。虽然它可以实现 DCS（Distributed Control System），但是不能实现远距离的网络控制。德国的 Burgmann 将网络技术应用于测试系统中，推出了一款基于网络的机械密封性能监控系统，如图 1-2 所示，将其安装在泵体上，可以通过其集成的测试系统采集机械密封端面和腔体介质的温度和压力信号，并将采集的数据通过网络输送到微型计算机去处理，用户无论身处何处都可以通过网络监视机械密封的运行情况，便于及时发现问题，排除故障[4]。此装置非常便利，但其功能单一，不适合对机械密封的性能做全面测试。

1.3 国内机械密封试验装置的研究现状 ..................13-15
1.4 本文主要研究内容 ..................15-17
第二章 机械密封试验装置测控系统的总体结构设计 ..................17-21
2.1 机械密封性能试验的必要性和试验内容 ..................17
2.2 机械密封性能试验装置概述 ..................17-19
2.3 网络化测控系统的总体结构 ..................19-20
2.4 系统设计流程 ..................20
2.5 本章小结 ..................20-21
第三章 虚拟仪器及其网络化原理 ..................21-29
3.1 虚拟仪器简介.................. 21
3.2 虚拟仪器系统的组成 ..................21-23
3.3 虚拟仪器与传统仪器的比较 ..................23
3.4 虚拟仪器的开发平台 ..................23-25
3.5 虚拟仪器网络化技术 ..................25-26
3.6 基于 LabVIEW 的网络化系统构建模式 ..................26-28
3.7 本章小结 ..................28-29
第四章 测控系统的硬件设计 ..................29-47
4.1 机械密封性能测试系统的组成 ..................29
4.2 系统控制内容的设计 ..................29-30
4.3 系统采集内容的设计 ..................30-34
4.4 传感器的选择 ..................34-39
4.5 系统误差分析与抗干扰设计 ..................39-40
4.6 数据采集 ..................40-43
4.7 DAQmx 驱动 ..................3-44
4.8 Vision 模块 ..................44-45
4.9 PC 机 ..................45-46
4.10 本章小结 ..................46-47
第五章 测控系统的软件设计 ..................47-62
5.1 测控系统软件设计流程 ..................47-48
5.2 测控系统软件流程图和总体构架 ..................48-49
5.3 软件前面板和程序框图设计 ..................49-57
5.4 数据处理 ..................57-60
5.5 测试范例 ..................60-61
5.6 本章小结 ..................61-62
第六章 机械密封测试装置测控系统网络化 ..................62-74
6.1 WEB 发布技术 ..................62-65
6.2 TCP/TP 技术 ..................65-67
6.3 DataSocket 技术 ..................67-70
6.4 基于 DataSocket 技术的网络化机械密封试验装置测控系统 .......70-73
6.5 本章小结 ..................73-74

总结

机械密封性能试验测试是一项技术性强，协调性难的工作。传统的测量方式构建系统周期长，其结果的准确性和可靠性也难以保证。计算机技术、虚拟仪器及其网络化技术的结合，为机械密封性能测试研究提供了一种新的途径，特别是网络化系统的建立为具有远程测试要求的需求者提供了一便利直观的平台，且为资源的共享提供了一便捷的方式。本文在分析机械密封性能参数测试基本原理的基础上，依据机械密封性能试验的技术要求，研究制定了基于虚拟仪器技术的网络化测控系统的实施方案，并进行了系统硬件构建；以 LabVIEW2009 为开发平台，开发了一套机械密封性能测控系统，并利用 DataSocket技术实现了机械密封性能试验的远程测试与监控。本文完成的主要工作总结如下：
（1）针对国内外机械密封性能试验装置研究现状，对虚拟仪器的概念、组成及其特点进行了分析。依靠 LabVIEW 平台，制定了基于网络化的机械密封性能试验测控系统的实现方案。
（2）分析了机械密封性能试验的基本原理和试验装置的技术要求，探讨了机械密封性能参数的测量方法，进行了传感器和采集卡的选型。针对试验装置的功能需求，设计完成了系统的开发流程；根据测量信号的类型选取正确的测量方式，构建了一个具有强抗干扰能力的基于虚拟仪器技术的网络化测控系统的实施方案。
（3）系统硬件调试组装后，基于 LabVIEW2009 开发平台完成了系统的软件开发，整个软件采用模块化设计理念，针对系统所需的功能将整个系统划分为各个子程序来完成，在完成各个子 VI 的编写调试工作后，再由主程序动态调用各子 VI，最终实现了系统所需的信号采集、分析、显示和存储等功能。

参考文献

[1] 李小吉．基于PC的机械密封试验台的研制．浙江：浙江大学，2007
[2] Electronic Multifunctional Device for Mechanical Seals．Sealing Technology，2004：6
[3] Real-time Monitoring and Contorl of Mechanical Face-seal Dynamic Behaviou．Seling Technology，2001：6-11
[4] Continous Monitoring of Mechanical Seals via the Internet．World Pumps， 2003：1
[5] Williams，Molly.W，Pilletter，Vincent J．Measurement System for End Face Mechanical SealPerformance．Sealing Technology，1996(27)：8-10
[6] Joshua Dayan，Min Zou，Itzhak Green.．Contact Elimination in Mechanical Face Seals Using ActiveControl．Proceedings of the 7th Mediterranean Conference on Control and AutomationHaifa，Israel－June 28-30，1999：109-113
[7] 胡小云．机械密封端面信息采集及应用．昆明：昆明理工大学，2004
[8] 廖和滨．机械密封环温度场/应力场的数值模拟及实验研究．福建：福州大学，2005
[9] 孙见君，刘其和，魏龙．机械密封试验数据采集系统．石油化工设备，2004，33：43-46
[10] 魏龙，顾伯勤，孙见君．机械密封计算机辅助试验装置的研制．润滑与密封，2006，4，4：136-139