Analys av lageregenskaper utifrån mätningar i testrigg

UPTEC F11035

Examensarbete 30 hp Maj 2011

Analys av lageregenskaper utifrån mätningar i testrigg

Jon Siljehag

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten

Besöksadress:

Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0

Postadress:

Box 536 751 21 Uppsala

Telefon:

018 – 471 30 03

Telefax:

018 – 471 30 00

Hemsida:

http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Analys av lageregenskaper utifrån mätningar i testrigg

Analysis of rotor bearing properties based on measurements with a test rig

Jon Siljehag

Vertical hydropower units has a rotating mass of up to 1000 tons. For the generator and turbine to work well the rotating system is required to be centered in relation to the surrounding structure. This is achieved by means of radial bearings. The dynamic characteristics of these bearings have a strong impact on the overall rotational dynamics of the total system and thus influence the vibrations in the unit. At Vattenfall Research & Development in Älvkarleby ongoing research is taking place on how the bearing parameters should be represented in the rotor dynamic calculations. Another subject is also to investigate whether it is possible to use commercial software, developed for horizontal machines, to determine the bearing parameters in vertical hydropower units.

In this context, Vattenfall has set up a thesis work in order to assist in the analysis of bearing properties based on measurements with a test rig. The test rig consists of an engine, two radial bearings and a rotor. In order to determine the bearing dynamic characteristics, the test rig is equipped with a measuring system. The system consists of displacement sensors for measuring shaft displacements of the shaft segments and strain gauges to determine the radial bearing load.

The thesis is divided into two main parts: the first part consists of designing a user interface for the test rig. The second part is to assist in the process of evaluate the collected data.

The development of the user interface has gone well and the goals have been

achieved. The user interface and its associated measuring system works reliably and is user-friendly for the operator to work with. The program is also adapted to be used in future similar projects. The evaluation of collected data shows that the system function satisfactorily since the results are consistent with what was anticipated in advance.

Handledare: Mattias Nässelqvist

Sammanfattning

Vertikala vattenaggregat har en roterande massa på upp till 1 000 ton. För god funktion hos generator och turbin krävs att det roterande systemet är centrerat relativt den omgivande strukturen och detta sker primärt med hjälp av radiallager. Lagrens dynamiska egenskaper har en stark inverkan på det totala roterande systemets dynamik och påverkar på så sätt de vibrationsnivåer som uppkommer i aggregatet. Vid Vattenfall Research &

Development i Älvkarleby pågår forskning för att utvärdera hur lagerparametrar ska representeras i rotordynamiska beräkningar samt om det är möjligt att nyttja kommersiell mjukvara, utvecklad för horisontella maskiner, till att bestämma lagerparametrar i vertikala vattenaggregat.

I samband med detta har Vattenfall tillsatt ett examensarbete med syftet att bistå i arbetet med att analysera lageregenskaper utifrån mätningar i en testrigg. Testriggen består av en motor, två radiallager samt en rotor. För att bestämma lagrens dynamiska egenskaper är testriggen utrustad med förskjutningsgivare som mäter axelns förskjutning relativt lagersegmenten samt trådtöjningsgivare för att bestämma den radiella lagerlasten.

Examensarbetet är uppdelat i två huvudmoment varav det första består i att designa ett användargränssnitt till testriggen. Det andra momentet går ut på att bistå i arbetet med att utvärdera insamlad mätdata.

Framtagningen av användargränssnittet till testriggen har gått bra och uppsatta mål har nåtts. Användargränssnittet och dess tillhörande mätsystem fungerar tillförlitligt och är användarvänligt för operatören. Programmet är även anpassat för att, med små justeringar, kunna nyttjas i framtida liknande projekt. Utvärderingen av insamlad mätdata visar att systemet fungerar tillfredställande då resultaten stämmer väl överens med vad som förväntats på förhand.

Förord

Arbetet har genomförts som en avslutande del i civilingenjörsprogrammet Teknisk Fysik med inriktning Elektroteknik vid Uppsala Universitet. Examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och dess innehåll och utförande granskas av Urban Lundin, forskare på institutionen för Elektricitetslära vid Uppsala Universitet.

Examensarbetet har utförts på Vattenfall Research & Development AB i Älvkarleby. Jag vill passa på att tacka Vattenfall för denna unika möjlighet att få arbeta på en spännande arbetsplats, där jag utvecklats både som person och i min framtida yrkesroll.

Jag riktar ett specifikt tack till min handledare Mattias Nässelkvist på Vattenfall som varit en stor tillgång under det fortlöpande arbetet. Andra anställda inom Vattenfall som skall ha ett stort tack för hjälpsamma insatser är Magnus Löfgren, Mats Rhen, Patrik Lidberg och Ulf Aurosell.

Jag vill även framföra ett tack till Mats Sandberg på HBM Sweden som har varit hjälpsam i frågor rörande mätsystemet samt Urban Lundin som, förutom rollen som ämnesgranskare, även varit min kontaktperson på universitetet.

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 7

1.1 Bakgrund & Problembeskrivning ... 7

1.2 Syfte ... 7

1.2.1 Design av användargränssnitt ... 8

1.2.2 Utvärdering av insamlad mätdata ... 8

1.3 Metod ... 8

2 Teori ... 9

3 Testrigg ... 12

3.1 Utformning ...12

3.1.1 Radiallager ...12

3.1.2 Armkors ...13

3.1.3 Rotor ...13

3.2.4 Stinger ...14

3.1.4 Omgivande struktur...14

3.2 Mätningar ...15

4 Mätsystem & Drivenhet ... 16

4.1 Hårdvara för mätsystem ...16

4.1.1 Förskjutningsgivare ...16

4.1.2 Töjningsgivare ...17

4.1.3 Varvtalsgivare ...18

4.1.4 Förstärkare ...19

4.1.5 Swich ...19

4.2 Hårdvara för Drivenhet ...20

4.2.1 Motor ...20

4.2.2 Frekvensomriktare ...20

4.2.3 Anslutningskort ...21

4.3 Mjukvara ...22

4.3.1 HBM QuantumX Assistant ...22

4.3.2 HBM catman®AP measurement software ...22

4.3.3 HBM QuantumX VI library ...23

4.3.4 National Instruments LabVIEW 2010 ...23

4.3.5 The MathWorks Matlab ...24

4.4 Samplingsfrekvens ...24

4.5 Kalibrering av givare ...25

5 Användargränssnitt & bakomliggande kod ... 26

5.1 Förutsättningar för användargränssnittet & koden ...26

5.2 Övergripande arkitektur och metodik ...26

5.3 Kod ...28

5.3.1 Initialization loop ...29

5.3.2 Collection loop ...30

5.3.3 Processing loop ...31

5.3.4 Logging loop ...35

5.3.5 Visualization Loop ...36

5.3.6 Drive Loop ...37

5.4 Användargränssnitt ...38

5.4.1 Initialization, Control & Logging ...39

5.4.2 Graphical Representation ...40

5.4.3 Alarm/Stop ...41

6 Utvärdering av mätdata ... 43

7 Slutsatser ... 47

8 Diskussion ... 48

8.1 Framtida förbättringar av koden ...48

8.3 Framtida förbättringar av användargränssnittet ...49

9 Referenser ... 50

Bilagor ... 51

1 Inledning

Vattenkraft står för cirka hälften av Sveriges elproduktion. De flesta vattenkraftaggregaten är vertikala konstruktioner med en turbin placerad längst ner på den roterande strängen. Ovan turbinen finns generator och ett antal lager. Principen för ett vattenkraftsaggregat är att omvandla tryckenergi till roterande energi, detta sker när vattnet passerar turbinen och därmed tillför ett vridande moment. Den kinetiska energin omvandlas sedan till elektrisk energi i generatorn.

1.1 Bakgrund & Problembeskrivning

Vattenfalls stora vertikala vattenaggregat har en roterande massa på upp till 1 000 ton.

För god funktion hos generator och turbin krävs att det roterande systemet är centrerat relativt den omgivande strukturen. Detta sker primärt med hjälp av radiallager, vilka utformas specifikt för varje aggregat. Lagrens dynamiska egenskaper har en stark inverkan på det roterande systemets dynamik och påverkar på så sätt de vibrationsnivåer som uppkommer i aggregatet. Vid Vattenfall Research & Development i Älvkarleby pågår forskning för att utvärdera hur lagerparametrar ska representeras i rotordynamiska beräkningar samt om det är möjligt att nyttja kommersiell mjukvara, utvecklad för horisontella maskiner, till att bestämma lagerparametrar i vertikala vattenaggregat.

1.2 Syfte

Syftet med examensarbetet är att bistå i arbete med att analysera lageregenskaper utifrån mätningar i en testrigg. Testriggen består av en motor, två radiallager samt en rotor. För att bestämma lagrens dynamiska egenskaper är testriggen utrustad med förskjutningsgivare som mäter axelns förskjutning relativt lagersegmenten samt trådtöjningsgivare för att bestämma den radiella lagerlasten. Examensarbetet är uppdelat i två huvudmoment varav det första består i att designa ett användargränssnitt till testriggen. Det andra momentet handlar om att bistå i arbetet med att utvärdera mätdata.

1.2.1 Design av användargränssnitt

Första delmomentet, som också är den primära uppgiften i examensarbetet, är att designa ett användargränssnitt anpassat för testriggen och dess mätsystem. Via gränssnittet ska operatören kunna styra testriggens drivenhet, övervaka mätsystemets samt logga insamlad data. Ett övervakningssystem ska även ingå i programmet som, vid händelse av avvikande beteende hos testriggen, larmar och stänger ner driften.

Användargränssnittet kommer att användas av Vattenfall med det primära syftet att manövrera testriggen. Riggen och dess användargränssnitt ska även vara återanvändbara för framtida användning i nya projekt.

1.2.2 Utvärdering av insamlad mätdata

Examensarbetets andra och avslutande del består av att, med hjälp av användargränssnittet och testriggen, utföra en serie mätningar vars data loggas och sedan utvärderas. Det som huvudsakligen utvärderas är lagrens egenskaper vid statisk och dynamisk excentricitet.

Utvärderingen i examensarbetet ger även en återkoppling gällande tillförlitligheten hos användargränssnittet och dess bakomliggande programkod.

1.3 Metod

Examensarbetet inleds med en kortare litteraturstudie rörande vattenkraft och rotordynamik. Därefter följer en instuderingsperiod av mätsystemets alla komponenter samt av utvecklingsmiljön LabVIEW 2010 varifrån användargränssnittet designas. Efter dessa inledande faser följer ett omfattande programmeringsarbete av användargränssnitt och det bakomliggande programmet. Efter att användargränssnittet är färdigdesignat och testriggen är redo att användas utförs ett antal mätningar där utvalda dataserier behandlas med hjälp av datorprogrammet Matlab.

2 Teori

För roterande system beror de dynamiska egenskaperna av systemets vinkelhastighet. För vattenkraftaggregat är det den gyroskopiska effekten, radiallagrens varvtalsberoende samt löphjulets strömningsförhållandes som skapar ett beroende mellan egenfrekvenserna och systemets vinkelhastighet.

För att bestämma ett vattenkraftsaggregats egenfrekvenser tecknas rörelseekvationen för systemet enligt Ekvation 1.

f Ku u G u C u

M&&+ &+Ω &+ = (1)

där M är matrisen för massan, G är den gyroskopiska matrisen och innehåller polära tröghetsmomentet för modellen, C är matrisen för dämpning, K är matrisen för styvhet, f är lastvektorn och Ω är axelns vinkelhastighet. Eftersom att ett vattenkraftaggregats geometri är komplex nyttjas oftast finita element metoden för att diskretisera systemet.

Mellan den statiska och den roterande strukturen i ett aggregat finns ett flertal komponenter som inverkar på systemets rotordynamiska egenskaper. För att hålla rotorn centrerad i korrekt position krävs radiallager och det är av stor vikt hur dessa representeras i rotorsystemet. Vattenkraftsindustrin använder nästan uteslutande hydrodynamiska, oljebaserade glidlager (se Figur 1) där de flesta vattenkraftverk i Sverige har lager av segmentlager-typ (tilting-pad lager).

Figur 1. Glidlagersegment i ett vattenkraftsaggregat

Axelns rotation och förskjutning i sidled ger upphov till ett tryck mellan axeln och lagrens segment vilket medför att dessa vinklas in i ett jämviktsläge anpassat efter tryckfördelningen.

Små axelrörelser runt det för lagret statiska jämviktsläget kan pressenteras numeriskt som ett system av två frihetsgrader enligt Ekvation 2.













 +













 +















=









y x yy yx

xy xx y

x yy yx

xy xx y

x yy yx

xy xx y

x

u u m m

m m u

u c c

c c u

u k k

k k f

f

&

&

&

&

&

&

(2)

där k och c är lagrets styvhet och dämpning, m är fluidens masströghetsegenskaper och f är krafterna som uppkommer baserade på förskjutningar u, förskjutningshastigheter u& och förskjutningsaccelerationer u& . I de flesta konventionella lagermodeller bortses fluidens &

masströghetsegenskaper och så även under dessa studier.

För att kunna bestämma de dynamiska egenskaperna hos radiallager krävs vetskap om relationen mellan oljefilmens tryckfördelning i lagret och axelns position samt positionsförändringar. För vanliga glidlager finns det förenklade linjära analytiska uttryck baserade på Reynolds ekvation som kan användas for att räkna ut dynamiska egenskaper för lager. Dessa gäller dock endast vid låga excentriciteter och kan inte tillämpas på segmentlager. För att kunna bestämma de dynamiska egenskaperna hos segmentlager vid stora excentriciteter krävs numeriska simuleringar. Ett annat karaktärsdrag hos segmentlager är att egenskaper kopplade till styvhet och dämpning är olinjära.

Alla stora vattenkraftaggregat är vertikala och, till skillnad från horisontella maskiner, saknar rotationsaxeln en bestämd arbetspunkt i lagren. De flesta gas- och ångturbiner är däremot horisontella och i sådana enheter verkar en normalkraft på det roterande systemet på grund av gravitationens inverkan. För dessa turbiner ställs höga krav på balanseringen av systemet på grund av överkritisk drift (systemet har en rotationshastighet över systemets lägsta egenfrekvens). Detta får till följd att statisk

excentricitet e , baserad på egenvikten är stor i jämförelse med den dynamiska _S excentriciteten e , baserad på massobalansen, se Figur 2. För vattenkraftsaggregat, som _D är vertikalt orienterade, är relationen mellan den dynamiska och statiska excentriciteten den motsatta. Här är kravet på balansering betydligt lägre då axeln antas rotera underkritiskt. I regel innebär detta att den statiska excentriciteten es är betydligt mindre i relation till den dynamiska excentriciteten ed som är orsakad av massobalansen. I de prover som utförts i testriggen kommer inverkan från dynamisk excentricitet, orsakad av massobalans, samt statisk excentricitet att studeras.

Figur 2. Shematisk bild över excentriciteten i ett lager där B_c är lagrets centrum och S_c är axelns centrum

3 Testrigg

För att bestämma rotordynamiska egenskaper hos vertikala vattenkraftaggregat nyttjas idag beräknade lageregenskaper utvunna från tester med horisontella aggregat.

Anledningen till att denna testrigg har konstruerats är för att utvärdera lagerparametrar i vertikala maskiner samt att jämföra lageregenskaper mellan horisontell respektive vertikal drift.

3.1 Utformning

Testriggens utformning är ett resultat av en längre iterationsprocess som inletts med en grov uppskattning av önskade egenskaper och som utvecklats med tiden för att slutligen utmynna i den färdiga designen. Beslutet kring riggens storlek är grundat på en kompromiss mellan smidighet och det faktum att den måste vara tillräckligt stor för att generera representativa mätvärden. Riggens konstruktion är anpassad för att både kunna köras vertikalt och horisontellt.

3.1.1 Radiallager

Riggen har två oljesmörjda segmentlager fördelade på var sin sida om en rotor och dessa har fyra segment vardera. Lagren har en diameter av 50 mm samt ett lagerspel på 0,25 mm. Anledningen till att just denna lagertyp används istället för de mer standardmässiga och billigare halslagren är att det nästan uteslutande är segmentlager som används i vattenkraftaggregat. Riggens båda radiallager är noggrant framtagna för att med hög precision kunna bestämma styvhet och dämpning i lagren utifrån uppmätt belastningar och förskjutning.

Figur 3. Skiss över testriggens segmentlager

3.1.2 Armkors

Strukturen som håller upp lagren kallas armkors. I armkorsens ”armar” mäts den töjning som de radiella krafterna orsakar. För att erhålla tydliga utslag vi mätningar av radiell belastning bör armkorsen vara tillräckligt veka samtidigt som de måste vara klart styvare än lagren. Lagrens positioner måste vara justerbara och därför är armkorsens komponenter frästa och svetsade med lägre noggrannhet för att på så sätt skapa utrymme för justeringar med hjälp av kilar.

3.1.3 Rotor

Utifrån valet av radiallager bestäms rotorns geometri. Rotorn består dels av en axel som är 600 mm lång och har en diameter på 49,84 mm. Mitt på axeln sitter en 100 mm lång disk med en diameter på 168 mm. Längden på rotorn i kombination med geometrin hos disken bestämmer rotorns massa till 24,7 kg. Anledningen till att disken är placerad mitt på axeln är för att minimera den gyroskopiska effektens inverkan på systemets dynamiska egenskaper.

Rotorns mekaniska design kan modelleras som en såkallad Jeffcott-rotor (de Laval) vilket kan förklaras som en förenklad parametermodell som med fördel används för att lösa rotordynamiska ekvationer.

3.2.4 Stinger

Infästningen mellan rotor och motor består av en tunn axel kallad stinger. För att stingern, som rotorn för övrigt hänger i, ska kunna överföra det vridande momentet utan att inverka på rotorns radiella styvhet krävs det att den är slank. Till riggen finns det två stingers att välja mellan, en på 4 mm respektive en på 5 mm i diameter, varav den förstnämnda är att föredra då den inverkar minst på rotorns radiella styvhet.

3.1.4 Omgivande struktur

Design av den omgivande strukturen är anpassad till att vara styv, ge hög precision av lagerhusposition samt ge möjlighet att noggrant justera lagercentrum. Lägsta egenfrekvens för strukturen är över högsta driftvarvtalet som är 3000 rpm. Anledningen till att riggen måste vara körbar i så pass höga hastigheter som 3000 rpm är för att på så sätt uppnå samma periferihastigheter som när ett vanligt vattenkraftsaggregats körs i 150 rpm. En CAD-skiss över testriggen pressenteras i Figur 4 nedan.

Figur 4. Testriggen med centrala beståndsdelar utmarkerade

3.2 Mätningar

Mätningarna utförs för att ta reda på om det är amplituden på excentriciteten som är avgörande för lagrens dämpning och styvhet. För att bestämma dämpning och styvhet måste krafter och förskjutningar mätas vid de båda radiallagren. Mätningarna utförs både då riggen är vertikalt respektive horisontellt orienterad. Flera mätningar genomförs även med olika obalansvikter monterade på rotorn för att på så sätt påverka den dynamisk excentricitet.

4 Mätsystem & Drivenhet

Till mätsystemet och drivenheten hör både hårdvara och mjukvara där samtliga komponenter pressenteras närmare i detta kapitel.

4.1 Hårdvara för mätsystem

I mätsystemet ingår tre typer av sensorer, förskjutningsgivare, trådtöjningsgivare samt en varvtalsgivare. Signalerna från samtliga sensorer tas upp och förstärks av tre synkront kopplade förstärkare. Vidare från förstärkarna skickas samplad mätdata till datorn via en Switch.

4.1.1 Förskjutningsgivare

För att bevaka radiella förskjutningar av axelns position relativt lagersegmenten används en uppsättning av totalt åtta stycken förskjutningsgivare, fyra per lager. Givarna är av induktiv typ vilket ger idealiska förutsättningar då de är befriade från beröring och slitage. Dessutom är de okänsliga för vibrationer, smuts och fukt. Modellen som används heter Contrinex DW-AD-509-M8 och har ett känselavstånd på upp till 4 mm. Givarna är monterade på de två armkorsen som håller upp lagerhusen.

Figur 5. Förskjutningsgivare av modell Contrinex DW-AD-509-M8

En nionde förskjutningsgivare är monterad på testriggens övre del vars funktion är skild från de övriga. Givaren används för att återge en fassignal vid körning. Detta är möjligt då ett vinkelrätt spår, sett till rotationsriktningen, är urfräst på den del av axeln som givaren är riktad mot. Vid körning av riggen ger spåret upphov till en pulssignal från givaren och denna signal används för att logga axelns vinkelposition. Den nyss nämnda givaren är markerad med en röd pil i Figur 6.

Figur 6. Mätsystemets nionde förskjutningsgivare vars funktion är att registrera fasen

4.1.2 Töjningsgivare

Förutsatt att ett objekts geometri och materialparametrar är kända kan en uppmätt töjningen nyttjas till att ta reda på kraften som verkar på objektet. Här används den fysikaliska principen att resistans i ett elektriskt ledande material påverkas när dess längd och tvärsnittsarea ändras som följd av mekaniska krafter som verkar på objektet.

Trådtöjningsgivare är lämpliga då mätningar med hög noggrannhet är av intresse.

Töjningsgivare kan ses som en elektrisk komponent som förenklat kan beskrivas som en elektrisk ledare med elektrisk resistans. Dess linjära töjning är definierad enligt Ekvation 3 nedan.

0 0

0

L dL L

L

L− =

ε = (3)

där ε är relativ töjning, L är nuvarande längd och L är den ursprungliga längden. ₀

Trådtöjningsgivarna som används i detta projekt heter Kyowa KFG-5-350-D16- 11L3M2S och dessa är konstruerade av en tunn tråd som är innesluten i skyddande plast.

Resistansen i ledaren ges av Ekvation 4 nedan.

2

4 D

L A

R L

ρ π ρ⋅ = ⋅

= (4)

där ρ är resistiviteten samt att L, D och A är ledarens längd, diameter och tvärsnittsarea.

När ledaren, tråden, utsätts för en töjning eller kompression ändras resistansen i den.

Töjning ger ökad resistans och vice versa. Varje enskild givare har en unik relation mellan applicerad påfrestning och ändrad resistans, så kallad förstärkningsfaktorn GF.

Vid leveransen av töjningsgivarna medföljde ett datablad innehållande samtliga givares förstärkningsfaktorer och definitionen för dessa är presenterad i Ekvation 5 nedan.

ε R

GF = ∆R (5)

där ∆R är förändringen i resistans framkallad av töjning och F är kraften.

Töjningsgivarna fästs i sin tur med lim på objektet. De åtta töjningsgivarna är placerade på de båda armkorsens ”armar”, det vill säga fyra givare per armkors, en per arm.

Figur 7. Töjningsgivare av modell Kyowa KFG-5-350-D16-11L3M2S

4.1.3 Varvtalsgivare

För att bevaka axelns faktiska rotationshastighet är en varvtalsgivare monterad på riggen.

Givaren är av optisk typ som sänder ut en ljusstråle mot axeln där ett reflexband är placerat. Varje gång den delen av axel med reflexbandet passerar givaren reflekteras ljuset tillbaka och registreras. Utsignalen från givaren är en spänning med känd linjär överföringsfunktion mellan enheterna volt och varv/minut.

Figur 8. Optisk givare av modell MD SAC/0P-0C

4.1.4 Förstärkare

För att samla in signalerna från samtliga 18 givare används ett datainsamlingssystem vid namn QuantumX tillverkat av HBM. På grund av givarantalet krävs att mätsystemet innefattar totalt tre universalförstärkare av modell QuantumX MX840 med vardera åtta kanalingångar. Varje kanal har en 24-bitars A/D-omvandlare med APM (Advanced Plug

& Measure) vilket innebär snabb installation och mätning.

Figur 9. Förstärkarmodellen QuantumX MX840

4.1.5 Swich

Från förstärkarna skickas mätdata till datorn via en switch av modell D-Link DES- 1016D. Switchen är på 10/100Mbps och lämpar sig väl vid krav på prestanda och flexibilitet. Samtliga portar stödjer autosense som automatiskt känner av och anpassar sig till rätt hastighet på anslutna enheter.

Figur 10. Switch av modell D-Link DES-1016D

4.2 Hårdvara för Drivenhet

För att styra testriggen används en drivenhet bestående av tre delar. På riggen sitter en motor monterad mot rotationsaxeln. Motorn styrs från datorn via en frekvensomriktare och en USB-enhet. Den nämnda hårdvaran förklaras närmare nedan.

4.2.1 Motor

Testriggens rotationsaxel drivs av en enkel lågspänningsmotor från ABB av modell M2000.

Figur 11. Motor av modell ABB M2000

4.2.2 Frekvensomriktare

För att kunna anpassa motorns varvtal efter behov används en frekvensomriktare från ABB av modell ACS150. Frekvensomvandlaren konverterar en inspänning med en viss frekvens till en utspänning med en annan frekvens. ACS150 erbjuder användaren att i samband med idrifttagning välja tillämpningsmakro som är fördefinierade parameteruppsättningar. Detta förenklar programmeringen avsevärt.

Figur 12. Frekvensomriktare av modell ABB ACS150

4.2.3 Anslutningskort

För att drivenheten slutligen ska kunna styras från det i LabVIEW konstruerade användargränssnittet krävs anpassad hårdvara som möjliggör kommunikationen mellan datorn och frekvensomriktaren. Här används ett anslutningskort från National Instruments av modellnamn USB-6009 som är lämpat för styrsignaler i enklare applikationer. För att styra frekvensomriktaren används tre av anslutningskortets spänningsutgångar.

Figur 13. Anslutningskort av typ NI USB-6009

4.3 Mjukvara

Under examensarbetets gång används fyra olika typer av mjukvara. Från HBM, som tillverkat förstärkarna, medföljde två programvaror, QuantumX Assistant och catman®AP measurement software. Den tredje mjukvaran som också är den i arbetet mest använda är National Instruments LabVIEW 2010. Vid utvärderingen av mätdata har datorprogrammet Matlab från The MathWorks nyttjats.

4.3.1 HBM QuantumX Assistant

QuantumX Assistant är ett av HBMs egna mätverktyg med fokus på att vara snabbt, enkelt och användarvänligt. Programmet erbjuder snabba kanalkonfigurationer av bland annat samplingshastighet, signalfiltrering och namngivning av signaler. I programmets gränssnitt finns lättförstålig grafisk återgivning av de signaler som hämtas. Dessa grafer är utmärkt för snabba mätningar såsom enkla signalobservationer. Under examensarbetet har programmet i huvudsak använts i inlärningssyfte då det bidragit med förståelse för hur förstärkarsystemet fungerar. QuantumX Assistant har även varit ett bra verktyg i arbetet med synkroniseringen av samtliga signaler från de tre förstärkarna.

4.3.2 HBM catman®AP measurement software

Programmet catman®AP är HBMs verktyg för mer avancerad och professionell mätdatainsamling. Mjukvaran ger omfattande alternativ för konfigurering, datainsamling, visualisering och analys. Användargränssnittet kan konfigureras individuellt och erbjuder många exportlösningar. Under examensarbetet har programmet använts för att konfigurera samtliga givares TEDS (Transducer Electronic Data Sheet).

TEDS är en standardiserad metod för lagring av givares identifiering, kalibrering, datakorrigering samt tillverkarrelaterad information. TEDS format definieras av i IEEE 1451 som är en rad standarder för gränssnitt till smarta givare. Standarderna är utvecklade av IEEE Instrument & Measurement Society’s Sensor Technology Technical Committee och beskriver en uppsättning öppna, gemensamma, nätoberoende

kommunikationsgränssnitt för anslutning av givare till mikroprocessorer, systeminstrumentering och kontrollnätverk. En TEDS är i huvudsak en minnesenhet som är ansluten till givaren och innehåller information som behövs för att ett mätsystem eller styrsystem ska kunna samverka med givaren.

4.3.3 HBM QuantumX VI library

HBM tillhandahåller ett eget Virtual Interface -bibliotek, för utvecklingsmiljön LabVIEW 2010, vilket möjliggör grafisk programmering av från mätsystemet erhållen data. Biblioteket spelar en central roll i examensarbetet då testriggens användargränssnitt konstrueras i plattformen LabVIEW 2010. Biblioteket återfinns som bilaga i rapportens slut.

4.3.4 National Instruments LabVIEW 2010

LabVIEW som står för Laboratory Virtual Instrumentation Engeneering Workbench är en plattform och tillika utvecklingsmiljö för National Instruments visuella programmeringsspråk G. Syftet med programmet är att, i alla typer av laboratoriska uppställningar, automatisera användningen av utrustning ämnad för bearbetning och mätning.

Program som konstrueras i LabVIEW kallas virtuella instrument, eller VI:s, då deras utseende och funktion efterliknar fysiska instrument, såsom oscilloskop och multimetrar.

LabVIEW innehåller on omfattande uppsättning redskap för datainsamling, analys, visualisering och lagring av data, samt verktyg för bland annat felsökning i koden. I LabVIEW konstrueras ett användargränssnitt i en frontpanel med kontroller och indikatorer. Den bakomliggande koden, med VI:s och funktioner, som kontrollerar frontpanelen hamnar i ett blockdiagram.

Under examensarbetet har LabVIEW använts för att skapa det användargränssnitt varifrån testriggen och dess mätsystem styrs.

4.3.5 The MathWorks Matlab

Matlab är främst ett datorprogram för matematiska och tekniska beräkningar.

Programmet används under examensarbetets för att utvärdera den data som loggats vid körningar med testriggen. De sparade filerna som konverteras till formatet .mat läses in i Matlab varifrån all data blir tillgänglig för diverse analys och manipulering.

4.4 Samplingsfrekvens

Hårdvaran begränsar valet av samplingsfrekvens till multipler av 75⋅2^X(alltså 75 Hz, 150 Hz, 300 Hz, 600 Hz, 1 200 Hz, …)

I projektet används 1 200 Hz som samplingsfrekvens för samtliga kanaler. Skälet till att valet fallit på just denna frekvens är en kombination av tre anledningar. Först och främst måste Nyqvistkriteriet (se Ekvation 6) uppfyllas. Detta för att undvika vikningseffekter, det vill säga uppkomsten av skensignaler som följd av allt för gles sampling. Alltså bör samplingsfrekvensen f minst vara dubbelt så stor som den uppmätta signalens _s maximala frekvens f_max som för testriggen är 50 Hz.

2 max

1 f

f T

s

s = > ⁽⁶⁾

En annan anledning till den valda samplingsfrekvensen är att den ger en tillräckligt hög upplösning även då testriggen körs i maximal hastighet, 3 000 rpm. Med en f på 1 200 _s Hz blir upplösningen som sämst 15 grader/sampel. Varför en ännu högre samplingsfrekvens inte väljs har att göra med den sista anledningen som är att en allt för hög mäthastighet gör programmet och loggfiler allt för minneskrävande.

4.5 Kalibrering av givare

För att ta reda på den rätta överföringsfunktionen för respektive givare genomförs en kalibrering. De åtta förskjutningsgivarnas kalibreringsvärden återfinns i Tabell 1 nedan.

Avstånd [mm] Utsignal [V]

Utsignal [V]

Utsignal [V]

Utsignal [V]

Utsignal [V]

Utsignal [V]

Utsignal [V]

Utsignal [V]

Giv_01 Giv_02 Giv_03 Giv_04 Giv_05 Giv_06 Giv_07 Giv_08

0 0,22 0,256 0,319 0,271 0,245 0,267 0,334 0,359

0,5 1,312 1,307 1,485 1,386 1,359 1,327 1,5 1,442

1 2,634 2,605 2,836 2,714 2,693 2,68 2,836 2,745

1,5 4,012 3,898 4,237 4,115 4,114 4,067 4,187 4,13

2 5,362 5,317 5,58 5,426 5,443 5,41 5,482 5,486

2,5 6,628 6,58 6,84 6,701 6,701 6,661 6,697 6,745

3 7,887 7,843 8,047 7,947 7,922 7,868 7,908 8

3,5 9,208 9,098 9,25 9,265 9,21 9,146 9,126 9,332

4 10,608 10,326 10,396 10,556 10,516 10,51 10,42 10,665

Tabell 1. Kalibreringsvärden från samtliga förskjutningsgivare

Förhållandet mellan spänning och avstånd är inte exakt linjärt för någon av givarna och därför genomförs polynomanpassningar för att förbättra noggrannheten i överföringsfunktionerna mellan spänning och avstånd. Grafer över dessa anpassningar återfinns som bilaga längst bak i rapporten.

För att ta reda på den rätta omräkningsfaktorn för trådtöjningsgivarna har varje givare kalibrerats individuellt. Givarna shuntas med ett motstånd på 389 900 Ω vilket enligt beräkning motsvarar 213,5 µS. Resultatet av kalibreringen syns i Figur 14 nedan där varje färg representerar en enskild trådtöjningsgivare.

Figur 14. Respektive trådtöjningsgivares utslag i µS vid shuntning med motstånd på 389 900 Ω

5 Användargränssnitt & bakomliggande kod

Kapitlet beskriver utvecklingen av det till testriggen konstruerade användargränssnittet och den bakomliggande kod som hanterar datainsamlingen från mätsystemet och styrningen av drivenheten.

5.1 Förutsättningar för användargränssnittet & koden

Vid examensarbetes startskede fastlades, av handledare Mattias Nässelqvist, ett antal grundläggande krav på användargränssnittet och dess kod gällande funktionalitet och utseende. Kraven pressenteras i nedanstående lista:

• Programmet ska hantera kontinuerlig datainsamling där samtliga kanaler är synkroniserade till varandra.

• Möjligheten ska finnas att styra riggens drivenhet från en börvärdesfil innehållande ett på förhand skrivet körschema. Även manuell styrning ska vara ett alternativ.

• Visualisering av axelns positions- och belastningsförändringar, vid de båda lagren, i XY-grafer samt i enskilda diagram ska finnas i användargränssnittet.

• Användargränssnittet och koden måste innehålla övervakning som under körning larmar vid uppkomst av avvikande mätvärden. Gränsvärden för när larm och nödstopp ska träda i kraft måste vara valbara för operatören.

• Samtliga rådata ska kunna loggas till fil för senare behandling.

5.2 Övergripande arkitektur och metodik

Valet av kodens designmönster föll på en typ av Producent/Konsument-struktur vars mall återges i Figur 15 nedan. Precis som den mer vanliga Mästare/Slav-strukturen, används denna design när det finns ett behov att sära på processer som producerar och konsumerar data i olika takt. Producent/Konsument-strukturens parallella slingor är uppdelade i två kategorier, den/de som producerar data, samt den/de som konsumerar vad som framställs.

Producent/Konsument-strukturen är utmärkt lämpad för detta projekt då indata hämtas

kontinuerligt för att samtidigt behandlas utefter den ordning den mottagits. Den producerande slingan hämtar/genererar data och kan göra detta ostört då alla bearbetning av samma data sker i externa konsumentslingor som inte behöver arbeta i samma takt.

Figur 15. Mall för Producent/Konsument-strukturen, LabVIEW

Koden i projektet innehåller en Producent/Konsument-struktur uppdelad i två nivåer.

Första nivån består av samspelet mellan en loop som tar emot data från mätsystemet och en annan loop som ”konsumerar” erhållen data i diverse processer. Kodens andra nivå i strukturen består mellan den nyss nämnda konsumentloopen som här producerar data till en tredje loop, en konsumentslinga som slutligen loggar all data.

För att skicka data mellan producerande och konsumerande loopar används dataköer hämtade från LabVIEWs funktionsbibliotek. Köerna ser till att ingen information försvinner på vägen då data skickas mellan programmets alla loopar. Dessa köer har möjligheten att buffra data vilket eliminerar risken att mätvärden går om intet. Paletten med kösystemets alla funktionsdelar är pressenterad i Figur 16 nedan.

Figur 16. LabVIEWbibliotekets palett innehållande kösystemets alla funktionsdelar

5.3 Kod

Användargränssnittet och dess bakomliggande kod är helt och hållet utarbetat i plattformen LabVIEW 2010. Det finns en naturlig uppdelning mellan den del av koden som hanterar insamlingen av data från mätsystemet och den del som möjliggör styrning av testriggens drivenhet. ”Huvudfilen” som för samman programmets alla delar heter Main.VI och tillhandahåller ett grafiska användargränssnittet anpassat för användarvänlig styrning och mätning.

Figur 17. Anslutningspanel för ”huvudfilen” Main.VI

Main består i stora drag av sex loopar som itererar parallellt i olika hastigheter. Looparna, som pressenteras närmare nedan, heter Initialisation, Collection, Processing, Logging, Visualization och Drive där var och en innehåller kod med, för programmet, unik funktionalitet. Main.VI med dess loopar och underliggande VI:s innehåller naturligtvis mycket mer kod än vad som tas upp och kommenteras i rapporten. De följande avsnitten

förklarar de vitala delarna i koden. Blockdiagrammet för Main.VI finns bifogat som bilaga i rapportens slut.

Figur 18. Översiktsbild av Main.VI innehållande samtliga loopar och kösystem

5.3.1 Initialization loop

För att kunna genomföra en mätning med mätsystemet krävs att de involverade QuantumX-förstärkarna genomgår en initieringsfas och detta sker i Initialization loop som återges i Figur 19. I den nyss nämnda figuren syns även VI:en QX_StartDAQ, hämtad ur HBM QuantumX VI library, vars funktion är att aktivera förstärkarnas synkrona datainsamling.

Figur 19. For-loop kring Initialization loop

Koden bakom initieringsprocessen har avgränsats i en egen VI kallad Initialization.VI vilken repeteras en gång för varje förstärkare i for-loopen Initialization loop. Förutom att initiera förstärkarnas grundläggande inparametrar såsom IP-adresser, portnummer och kanalnamn innehåller Initialization.VI även kod som ger operatören möjlighet att från användargränssnittet modifiera individuella förstärkar- och kanalinställningar. VI:en ger även möjlighet att spara aktuella inställningar samt att hämta och nyttja tidigare sparade konfigurationer.

Figur 20. Blockdiagrammet för Initialization.VI

5.3.2 Collection loop

Efter att programmets inledande initieringssteg av mätsystemet är exekverat börjar en while-loop kallad Collection loop att iterera.

Figur 21. Collection loop innehållande bland annat DataCollecction.VI

Först i Collection loop, som för övrigt är designmönstrets första producent, finns en VI som heter QX_UpdateData hämtad från HBM QuantumX VI library. QX_UpdateData hämtar nya mätvärden från samtliga kanaler som ingår i mätsystemet samt uppdaterar förstärkarnas interna buffertar för de korresponderande signalerna.

Collection loop innehåller även en underliggande VI vid namn DataCollection.VI (se Figur 22) vars huvudsakliga funktion är att ge valmöjligheten mellan att slänga all nyinkommen data alternativt skicka den vidare in i programmet.

Om DataCollection.VI:s input ON/OFF är aktiverad placeras, till Collection loop, nyinkommen data i ett kösystem kallat Consumer Queue för att sedan kunna hämtas av konsumerande loop.

Figur 22. Blockdiagram för DataCollection.VI

5.3.3 Processing loop

Data som ”producerats” i den ovan nämnda Collection loop köas alltså vidare via Consumer Queue till programmets första konsumerande slinga, Processing loop som återges i Figur 23. Loopen är programmets absolut mest operationstyngda del och innehåller en mängd kod. Här utförs en rad operationer och processer på samtliga kanalers inkommande rådata. Många av processtegen i loopen är avgränsade i

underliggande VIs. De VIs som ingår i Processing loop är Synchronization.VI, VirtDispCh.VI, VirtStrCh.VI, ResetVirtCh.VI samt PrepGraph.VI och samtliga förklaras närmare i detta avsnitt.

Figur 23. Processing loop ur Main.VIs blockdiagram

Det första som händer nyinkommen data i Processing loop är att den paketeras om på ett sätt som förenklar övrig databearbetning i slingan. Ompaketeringen sker i en underliggande VI kallad Synchronization.VI. Dess funktion är att se till att informationspaketen som skickas vidare är av matrisform, det vill säga att samtliga kanaler har lika antal mätvärden med dessutom matchade tidstämplar.

Figur 24. Blockdiagram för Synchronization.VI

Nästa processteg i Processing loop handlar om att manipulera uppmätt rådata och på så sätt konstruera virtuella kanaler för förskjutning och belastning i ett önskade koordinatsystem. Dessa operationer är avgränsat till två underliggande VIs vid namn VirtDispCh.VI och VirtStrCh.VI.

Ekvationerna 3 och 4 ligger till grund för koden i VirtDispCh.VI och med dessa skapas virtuella kanaler för positionsförskjutningar i X- och Y-led.

( )

(

)

cos ¹

2

2 + ⋅ +π

−

= disp disp ⁻ disp disp

disp x y x y

X (3)

( )

(

)

sin ¹

2

2 + ⋅ +π

= disp disp ⁻ disp disp

disp x y x y

Y (4)

där x_disp och y_disp är mätvärden från två förskjutningsgivare positionerade på samma höjd i förhållande till testriggens axel men med 90 graders vinkel sinsemellan.

Blockdiagrammet för VirtDispCh.VI syns i Figur 25.

Figur 25. Blockdiagram för VirtDispCh.VI

Ekvationerna 5 och 6 ligger i sin tur till grund för koden i VirtStrCh.VI och med dessa genererar virtuella kanaler för belastningsförändringar i X- och Y-led.

( ) ( )









 +









+

− +

⋅ − +

− + +

−

−

= cos tan⁻ 4

2 4

3 1 2 1

2 4 2

3

1 π

ch ch

ch ch ch

ch ch

ch

X_strain (5)

( ) ( )









 +









+

− +

⋅ − +

− + +

−

= sin tan⁻ 4

2 4

3 1 1

2 2 4 2

3

1 π

ch ch

ch ch ch

ch ch

ch

Y_strain (6)

där ch_n är fyra kanaler från trådtöjningsgivare placerade i samma plan runt axeln med 90 graders vinkel sinsemellan. Blockdiagrammet för VirtStrCh.VI syns i Figur 26.

Figur 26. Blockdiagram för VirtDispCh.VI

Nästkommande underliggande VI i Processing loop kallas ResetVirtCh.VI vars funktion är att nollställa samtliga virtuella kanaler vilket är nödvändigt för en god grafisk återgivning i användargränssnittet.

Blockdiagrammet för ResetVirtCh.VI kan ses i Figur 27.

Figur 27. Blockdiagram för ResetVirtCh.VI

Processing loops avslutande del innehåller en upprepad användning av en underliggande VI vid namn PrepGraph.VI.

PrepGraph.VI innehåller kod som förbereder virtuella data för grafisk presentation i användargränssnittet. VIen används för varje grafiskt ändamål, två gånger för återgivningen av axelförskjutningar vid de båda lagren samt två gånger för återgivning av belastningen vid de båda lagren. PrepGraph.VI presenteras i Figur 28 nedan.

Figur 28. Blockdiagram för PrepGraph.VI

Utöver dessa fem typer av underliggande VIs innehåller Processing loop även kod som hanterar larm och nödstopp samt en for-loop som innehåller kod för grafisk återgivning av det aktuella varvtalet under körning.

5.3.4 Logging loop

För att kunna logga en mätning skickas all data vidare från Processing loop via kösystemet Logging Queue till en ny slinga vid namn Logging loop. Loopen innehåller kod som gör det möjligt att spara insamlade rådata från samtliga kanaler.

Figur 29. Logging loop ur Main.VIs blockdiagram

5.3.5 Visualization Loop

För att minska Main.VIs beräkningstyngd har mycket av den grafiska återgivningen såsom lampor, visare och mätare flyttats till en separat while-loop kallad Visualization loop som itererar långsammare än övriga slingor.

Figur 30. Visualization loop ur Main.VIs blockdiagram

5.3.6 Drive Loop

All kod som har med drivenheten att göra är placerad i en egen fristående slinga i Main.VI kallad Drive loop. Anledningen till detta är att minimera motorstyrningens beroende av mätsystemets loopar vad gäller uppdateringshastighet. Slingans enda input som beror av mätsystemets kod är en insignal som stoppar drivenheten vid händelse av att angivna givargränsvärden överträtts. Drive loop innehåller framför allt en State Machine som hanterar valet mellan att styra drivenheten från en förprogrammerad börvärdesfil eller från användargränssnittets styrpanel. Filformatet som används vid styrning via bärvärdesfiler är .INI och filerna innehåller endast en kolonvektor med börvärden [rpm]. Storleken på tidsstegen mellan börvärdena bestäms av loopens iterationshastighet.

Drive loop har fyra inputs varav tre är virtuella kanaler för kommunikation med drivenheten och den sista hämtar värden från vald börvärdesfil. De virtuella kanalerna förklaras närmare i följande lista.

• Dev1/port0/line1 – Digital kanal vars funktion är att ge möjligheten att från användargränssnittet kunna alternera mellan två förprogrammerade uppsättningar gränsvärden för acceleration/ retardation i frekvensomriktaren. Om kanalen sätts hög är frekvensomriktarens inställningar för acceleration/ retardation anpassade åt den slankare stingern på 4 mm i diameter. Om kanalen istället sätts låg är frekvensomriktarens inställningar för acceleration/ retardation anpassade för den grövre stingern på 5 mm i diameter

• Dev1/port0/line0 – Digital kanal som ger möjligheten att från användargränssnittet slå på och av styrsignalen mellan frekvensomriktaren och motorn.

• Dev1/ao0 – Analog kanal vars funktion är att från användargränssnittet manövrera frekvensomriktarens styrsignal och på så sätt bestämma drivenhetens hastighet.

Figur 31. Drive loop ur Main.VIs blockdiagram

5.4 Användargränssnitt

Användargränssnittet är i huvudsak uppdelat i två delar, se Figur 32. Den delen som är till vänster i gränssnittet och dessutom är störst består av ett tredelat fliksystem innehållande programmets mest väsentliga delar såsom inställningar, styrning av drivenheten samt grafisk återgivning. Fliksystemet förklaras bättre i kommande underavsnitt.

Den andra delen i användargränssnittet är en rektangulär informationspanel lokaliserad till höger om fliksystemet. Överst i panelen finns åtta lysdioder placerade där var och en av dessa lyser vid specifika händelser. Fyra av dioderna lyser grönt om mätsystemet är klart för mätning, drivenheten är aktiverad, mätning pågår samt om mätningen loggas.

Två av dioderna lyser gult om någon av kodens kösystem börjar fyllas upp med buffrad data. De sista två dioderna är kopplade till programmets övervakning varav den ena blinkar gult vid händelse av larm och den andra lyser rött om programmet genomgått ett nödstopp. Hur övervakningen fungerar förklaras närmare i avsnitt 5.4.3. Under de åtta lysdioderna återfinns en varvtalsmätare som dels visar hastigheten som testriggen bör hålla enligt inställning samt den faktiska hastigheten uppmätt med varvtalsgivaren.

Nedanför varvtalsmätaren finns indikatorer för kodens alla loopar. Här kan looparnas iterationshastigheter bevakas. Längst ner i informationspanelen finns en stoppknapp som stänger ner programmet.

5.4.1 Initialization, Control & Logging

Första fliken i gränssnittet heter Initialization, Control & Logging och kan studeras i Figur 32. Som namnet avslöjar innehåller fliken tre vitala delar av programmet varav den första är Initialization och är placerad till vänster. I denna del återfinns samtliga programinställningar som måste sättas innan start. Här väljer operatören bland annat hur många förstärkare som ska ingå i mätsystemet samt hur många kanaler som ska vara delaktiga under mätningen. Även kontroller tillhörande mätsystemets interna inställningar såsom samplingshastighet och systemåterställning finns placerade här.

I flikens övre högra kant finns en del som heter Motor Control och härifrån styrs testriggens drivenhet. Operatören har att välja på att styra motorn direkt från panelen eller via en inladdad börvärdesfil.

Nere till höger i fliken återfinns en ruta för loggning. Här väljer operatören om mätningen ska loggas samt namn och sökvägen för den sparade filen. Det finns även möjligheten att studera en sedan tidigare sparad fil.

Utöver de tre delarna Initialization, Motor Control och Logging innehåller fliken en knapp för på- och avstängning av mätsystemet samt en inställningspanel för de virtuella kanalerna som visualiseras i användargränssnittets grafik.

Figur 32. Initialization, Control & Logging ur användargränssnittet

5.4.2 Graphical Representation

Användargränssnittets andra flik går under namnet Graphical Representation och här är programmets grafiska representation förlagd. Till vänster finns XY-grafer över positionsförskjutningar och belastningsförändringar för de båda lagren. Nere till höger finns histogram för samtliga virtuella kanaler. Utöver graferna innehåller fliken även en panel för hantering av de virtuella kanalernas offset. Operatören kan välja mellan en automatisk reset av kanalerna som nollar dessa alternativt att manuellt addera offsetvärden till respektive kanal.

Figur 33. Grapical Represenation ur användargränssnittet

5.4.3 Alarm/Stop

Den tredje och sista fliken heter Alarm/Stop och är i huvudsak en bevakningscentral för felmeddelanden, givarlarm och nödstopp. I flikens övre högra del finns en panel där operatören kan välja att ställa in och aktivera gränsvärden för valda givare. Gränsvärdena är alltså specifika värden för förskjutningar och belastningar och om dessa överskrids kan programmet antingen larma eller stänga ner körningen med ett nödstopp. Exempelvis tillåts inte större rörelser än 0,125 mm i sidled. Nere till vänster finns en panel som visar felmeddelanden vid eventuella felaktigheter i programmet.

Figur 34. Alarm/Stop ur användargränssnittet

6 Utvärdering av mätdata

Med riggen på plats och användargränssnittet färdigprogrammerat genomförs en serie inledande testkörningar vars mätdata loggas. Tanken med dessa initiala körningar är att dels bedöma tillförlitligheten av mätsystemet och det konstruerade användargränssnittet men också för att utvärdera karaktäristiska beteenden gällande excentricitet för olika testuppsättningar.

För att utvärdera inverkan av statisk excentricitet e , baserad på egenvikten och _S dynamisk excentricitet e , baserad på massobalans körs testriggen dels liggande med _D den roterande axeln horisontellt orienterad men också stående med den roterande axeln vertikalt i läge. För att introducera en obalans till det roterande systemet monteras vikter på rotordiskens övre och undre sida. Massobalanserna som används är här är 14 g respektive 42 g och placeras på ett radialt avstånd av 7 cm från rotorns centrum.

Testkörningarna genomförs med stegvis rampning av hastigheten i enlighet med Figur 35 nedan. På detta sätt kan riggens beteende vad gäller axelförskjutningar och belastningar utvärderas vid varierad rotationshastighet. Den nämnda figuren visar varvtalsgivarens utslag under en körning där rotorn är horisontellt orienterad och samt försedd med en obalansvikt på 42 g.

Figur 35. Hastighetsgivarens registrering vid testkörning med stegvis rampning

Figurerna 36-39 visar belastningar och förskjutningar vid riggens båda radiallager för horisontell respektive vertikal uppställning, med och utan obalans. Schemat till höger i

varje figur visar vilken rotationshastighet färgerna indikerar. I figurerna står U och L för mätningar vid övre (Upper) respektive undre (Lower) lagret. Eventuell indexering såsom UL och UU avslöjar om givarparet är placerat över eller under lagerhuset. Figurerna visar tydligt skillnaden mellan vertikal och horisontell uppställning vad gäller relationen mellan statisk och dynamisk excentricitet. Då rotorn befinner sig i horisontellt läge syns det klart och tydligt hur egenvikten förorsakar en statisk excentricitet i lagren vilket inte alls är fallet vid vertikala orienteringen, se Figur 37 och Figur 39.

Figur 36. Körningar utan massobalans, horisontell uppställning

Figur 37. Körningar med massobalansen 42 g, horisontell uppställning

Figur 38. Körningar utan massobalans, vertikal uppställning

Figur 39. Körningar med massobalansen 42 g, vertikal uppställning

Ett beteende som registrerats under utvärderingen är den fyrkantighet som uppstår både hos belastning och förskjutning då testriggen är vertikalt orienterad. Företeelsen blir allt tydligare vid högre radiella belastningar. Figur 40 visar en körning vid 2587 rpm med vertikal uppställning och obalanserad (14 g) rotor. Vad gäller förskjutningen syns fyrkantigheten bäst i graferna för det övre lagret.

Figur 40. Belastningar och förskjutningar vid 2587 rpm, 14 g massobalans och vertikal uppställning

De fyra lagersegmenten är jämt fördelade i lagret och orienterade i positiv och negativ xy-riktning. Figurens båda belastningskurvor avslöjar tydligt hur dessa får en fyrkantig form vid höga laster. Vid belastning direkt mot segmenten (load on pad) har lagren betydligt högre styvhet än vid belastning mellan segmenten (load between pad). Detta medför att den radiella kraften som uppkommer blir högre vid segmenten än mellan segmenten. För förskjutningar noteras även ett fyrkantigt rörelsemönster, detta mönster är dock 45 grader förskjutet i förhållande till belastningen. Detta orsakas av styvhetsskillnaden vid segmenten och mellan segmenten.

7 Slutsatser

Arbetet med att konstruera användargränssnittet till testriggen har gått bra och uppsatta mål har nåtts. Användargränssnittet och dess tillhörande mätsystem fungerar tillförlitligt och är användarvänligt för operatören. Programmet är även anpassat för att, med mindre betydande justeringar, kunna användas i framtida projekt på Vattenfall.

Utvärderingen av genomförda mätningar visar att systemet fungerar då resultatet stämmer väl överens med vad som förväntats på förhand.

8 Diskussion

I nuläget fungerar programmet tillfredställande och den givna uppgiften är löst. Dock finns det fortfarande delar i både kod och användargränssnitt som kan förändras till det bättre. Riggen tillsammans med användargränssnittet kan mycket väl användas i framtida projekt, inte minst i utbildningssyfte vad gäller mätteknik.

8.1 Framtida förbättringar av koden

Det finns en del kvarvarande justeringar och utvecklingsmöjligheter för koden som skulle göra programmet både effektivare och mer lättbegriplig. Förslag på tilltänkta förbättringar är listade nedan.

• En VIs blockdiagram innehållande all kod bör för det första rymmas inom skärmen. Om koden är större, och det krävs förflyttningar i vertikala och horisontella rullningslistor för att se all kod, bör delar av koden placeras i underliggande VIs. På detta sätt blir programkoden hierarkisk och mer lätthanterlig.

• Designmässigt bör koden vara mer entydig och sträng i sitt upplägg för att på så vis bli mer lättorienterad.

• Hårdkodning, som innebär att ett eller flera värden i ett program inte kan ändras dynamiskt utan är inskrivna som konstanter i källkoden, bör undvikas i största möjliga grad. Det finns en hel del hårdkodade delar i koden som istället bör vara definierbara i användargränssnittet i samband med att programmet startas eller som programmet hämtar under drift.

• Det finns en VI i HBM QuantumX VI library vid namn QX_ZeroChannel.VI som kan ersätta den egenhändigt konstruerade ResetVirtCh.VI och på det sättet uppnå ett noggrannare resultat vid nollningen av de virtuella kanalerna.

8.3 Framtida förbättringar av användargränssnittet

Vad gäller användargränssnittet finns det en del omorganiseringar och förändringar som skulle göra programmet mer användarvänligt för operatören. Tänkta förbättringar är listade nedan.

• Programmet skulle vara mer lättorienterat med en strängare designstruktur grundad på användarvänlighet och logik.

• En omorganisering av den grafiska återgivningen tillsammans med styrpanelen skulle göra det möjligt för operatören att kunna styra testriggens drivenhet och samtidigt övervaka grafiken.

• En annan utvecklingsmöjlighet är att från användargränssnittet kunna modifiera den grafiska återgivningen såsom axlar, uppdateringshastighet och grid.

9 Referenser

[1] Nässelqvist, Mattias: Simulation and Characterization of Rotodynamic Properties of Hydropower Units, Luleå universitet november, 2009

[2] Gustafsson, Rolf: Rotor Dynamical Modelling and Analysis of Hydropower Units, Luleå universitet november, 2008

[3] Vance, John M: Rotordynamics of Turbomachinery, New York: Wiley, 1988 [4] San Andreas, Luis & de Santiago: Oscar, Identification of Journal Bearing Force Coefficients under High Dynamic Loading Centered Static Operation, Tribology Transactions, vol 48, p. 9-17 (2005)

[5] Harris, Joel & Childs, Dara: Static performance characteristics and rotordynamic coefficients for a four-pad Ball-in-socket tilting pad journal bearing, Proceedings of ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea and Air, p. 861-871 (2008)

[6] Feng, Fuzhou & Chu, Fulei: Dynamic Analysis of a Hydraulic Turbine Unit, Mechanics Based Design of Structures and Machines, 29: 4, p. 505-531 (2001)

[7] Hofstad, Åge: Rotordynamic Behaviour of Hydropower Units, IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems June 29, vol 22 (2004)

[8] Frekvensomriktare ABB ACS150, Användarhandledning

[9] TEDS, URL: http://standards.ieee.org/develop/regauth/tut/teds.pdf [10] National Instrument, URL: http://www.ni.com

[11] ABB, URL: http://www.abb.com [12] HBM, URL: http://www.hbm.com

Bilagor

HBM QuantumX VI Library

Nedan listas samtliga VI:s som medföljer HBM:s LabVIEW-bibliotek.

Kalibreringskurvor för förskjutningsgivarna

Här återfinns kalibreringskurvor för samtliga förskjutningsgivare. De övre graferna visar uppmätta kalibreringsvärden samt den använda polynomanpassningen som lagts in på TEDS-chippen. De nedre graferna visar avvikelsen mellan uppmätta mätpunkter och linjäriseringen.

Bilder

Här finns bilder på testriggen, mätsystemet och drivenheten.

Blockdiagram för Main.VI