應(yīng)用領(lǐng)域：

遠(yuǎn)程監(jiān)測/控制

挑戰(zhàn)：

如何在短時(shí)間內(nèi)，以LabVIEW作為開發(fā)平臺，通過CompacRIO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)的輸出的電壓、電流、狀態(tài)等信號，計(jì)算有功功率、無功功率和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)指標(biāo)，分析發(fā)電機(jī)輸出電能的質(zhì)量，對輸出的信號做高速數(shù)據(jù)采集與記錄；控制PLC實(shí)現(xiàn)外部負(fù)載的變化，測試船舶發(fā)電機(jī)的輸出性能。

應(yīng)用方案：

船舶用發(fā)電機(jī)在出廠前和正式使用前，要測試其在不同輸出功率下的性能表現(xiàn)，還要測試其負(fù)載突加、突減時(shí)的功率輸出能力，由于輸出功率較大（如我們測試的是單臺560kW，最大要求3臺同時(shí)并聯(lián)發(fā)電)，這就需要專用負(fù)載箱來測試其性能，我們所做的設(shè)備，就是測試發(fā)電機(jī)性能的負(fù)載箱，通過控制PLC，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的可控增減，監(jiān)視其輸出有功、無功的輸出情況，分析發(fā)電機(jī)的性能表現(xiàn)。原方案對數(shù)據(jù)采集與分析這一塊做的不是很好，客戶要求采集突加、突減過程中的電壓、電流變化情況，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)采集與記錄，并希望能采集到發(fā)電機(jī)在不同功率下的振動信息，以實(shí)現(xiàn)更多參數(shù)的功能評價(jià)。

使用的產(chǎn)品：

軟件部分：

LabVIEW 2011：圖形化開發(fā)平臺

主要的軟件開發(fā)平臺，用它可以快速實(shí)現(xiàn)用戶界面設(shè)計(jì)和邏輯功能控制，節(jié)省開發(fā)時(shí)間，提高工作效率。

附加工具包：

Report Generation Toolkit：報(bào)表生成工具包

把采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶要求，設(shè)計(jì)成報(bào)表，這樣就可以自動打印測試報(bào)告。

Database Connectivity Toolkit數(shù)據(jù)連接工具包

采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，存入歷史數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫連接工具包可以實(shí)現(xiàn)LabVIEW 數(shù)據(jù)采集和MySQL數(shù)據(jù)庫之間的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存功能。

數(shù)據(jù)庫：

MySQL 5.5

免費(fèi)開源的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，占用空間小，執(zhí)行效率高，滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的功能需求。

硬件部分：

采用NI 9225 作為電壓采集模塊，由于發(fā)電機(jī)輸出的額定相電壓是220V，所以±300V的量程可以滿足測量的需要；電流采集模塊采用NI 9227，系統(tǒng)輸出的電流，經(jīng)過電流互感器，變成0~5A的標(biāo)準(zhǔn)輸出電流，NI 9227可以滿足其測量的要求，另外，在測試過程中，需要測試發(fā)電機(jī)的振動情況，采用 NI 9234可以實(shí)現(xiàn)加速度測試的要求。

正文：

(一) 概述

船舶發(fā)電機(jī)在正式發(fā)電使用前，要經(jīng)過帶負(fù)載的測試后才能正式投入使用，實(shí)驗(yàn)的類型分為兩類：穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)和瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)就是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，發(fā)電機(jī)完成連續(xù)的功率輸出。瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)是事先設(shè)定幾個(gè)功率輸出點(diǎn)，當(dāng)外部負(fù)載發(fā)生瞬間變化時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率的變化情況。

(二) 系統(tǒng)目標(biāo)

1、 實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制

1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；

采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)的電流、電壓等信號，計(jì)算有功、無功、功率因數(shù)、頻率等指標(biāo)參數(shù)，為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制提供參考依據(jù)。

2) 有功、無功輸出控制；

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)定目標(biāo)值，根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)信息，控制PLC的輸出節(jié)點(diǎn)，來調(diào)節(jié)負(fù)載的增加和減少，控制負(fù)載的輸出功率。

3) 數(shù)據(jù)存儲；

測試過程中，按照設(shè)定的保存條件，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于報(bào)表的生成和歷史數(shù)據(jù)的查詢。

4) 故障報(bào)警；

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，如電壓異常，過溫時(shí)，可以發(fā)出告警信號。

5) 穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)的功能，按設(shè)定的運(yùn)行數(shù)據(jù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。

2、 歷史數(shù)據(jù)分析

1) 歷史測試曲線查詢；

查以查詢測試過程保存的歷史數(shù)據(jù)，以曲線和報(bào)表的方式顯示給用戶。

2) 測試報(bào)告生成；

對各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成測試報(bào)告，具備打印輸出功能。

(三) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)分為三大部分，待測發(fā)電機(jī)，負(fù)載箱（含PLC控制器、電阻、電抗器、數(shù)據(jù)采集模塊），遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。待測發(fā)電機(jī)每臺額定功率是560kW，可以單臺進(jìn)行測試，最多可三臺并聯(lián)，同進(jìn)進(jìn)行檢測。負(fù)載箱的電阻和電抗器，通過PLC和接觸器，控制負(fù)載的增減，采集模塊實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，使用戶及時(shí)了解發(fā)電機(jī)的功率輸出情況。

(四) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)

1、 人機(jī)界面

系統(tǒng)監(jiān)控主界面總體上分為二部分，左邊為顯示區(qū)域，實(shí)時(shí)顯示發(fā)電機(jī)輸出的有功、無功和目標(biāo)值，了解發(fā)電機(jī)的功率輸出情況，右邊部分為系統(tǒng)控制和運(yùn)行狀態(tài)顯示部分，在這兒可以設(shè)置發(fā)電面的額定功率，系統(tǒng)依據(jù)發(fā)電機(jī)的額定功率、功率因數(shù)和設(shè)定的百分比，計(jì)算需加載的有功、無功值，根據(jù)事先做好的算法，計(jì)算需控制PLC哪些輸出點(diǎn)，把生成的指令發(fā)送給PLC，控制負(fù)載的投入和切除，因?yàn)樨?fù)載不是線性負(fù)載，并且隨著負(fù)載溫度的變化，阻抗也會發(fā)生變化，所以還需根據(jù)采集模塊采集到的實(shí)際值，和目標(biāo)值進(jìn)行對比，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載的輸出。

通過采集系統(tǒng)電壓、電流信息，計(jì)算有功、無功、功率因數(shù)、頻率等信息量，經(jīng)專用的算法，生成控制指令，下發(fā)給PLC，控制負(fù)載的增減，達(dá)到系統(tǒng)所需要的目標(biāo)值。因?yàn)樨?fù)載的特性，不是一次下發(fā)指令一次就可以達(dá)到系統(tǒng)要求的目標(biāo)值，要根據(jù)采集模塊采集到的實(shí)時(shí)值，來不段調(diào)整系統(tǒng)負(fù)載的輸出，所以數(shù)據(jù)采集模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的重要組成部分。

3、 控制和調(diào)節(jié)

發(fā)電機(jī)的測試，一般分為二種方式：穩(wěn)態(tài)測試和瞬態(tài)測試，穩(wěn)態(tài)測試是測試發(fā)電機(jī)平穩(wěn)輸出功率的情況，每次加載的負(fù)載一般都是連續(xù)的、遞增或是遞減的功率輸出，在很多情況下，還要做過載測試，也就是超出發(fā)電機(jī)額定功率的測試，一般不會大于其額定功率的10%；瞬態(tài)測試是測試發(fā)電機(jī)在外部負(fù)載發(fā)生急劇變化時(shí)，發(fā)電機(jī)功率輸出的情況，負(fù)載不象穩(wěn)態(tài)那樣連續(xù)的遞增或遞減，而是做急劇的變化，變化的方向也是不固定的，這樣可有效的測試發(fā)電機(jī)在外部負(fù)載突變是功率輸出的性能。

圖4 系統(tǒng)操作流程圖

圖5 穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)用戶控制界面

穩(wěn)態(tài)測試時(shí)，只調(diào)節(jié)右邊的有功功率百分比和功率因數(shù)，根據(jù)設(shè)定的額定功率，計(jì)算出實(shí)際的功率值，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，就可以對這個(gè)節(jié)進(jìn)行鎖存，記錄下當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)：有功功率值，無功功率值和功率因數(shù)，然后進(jìn)行下一個(gè)穩(wěn)態(tài)測試，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，再對該點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行鎖存，這樣記錄一系列運(yùn)行狀態(tài)的目的就是為下一步的瞬態(tài)測試做好第一步的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，當(dāng)做完一系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)測試以后，就記錄了一些關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)點(diǎn)，瞬態(tài)測試時(shí)，并不是按照序號順序來進(jìn)行測試，而是根據(jù)測試的需要，亂序的來執(zhí)行鎖存的測試點(diǎn)。

4、 報(bào)警處理

圖6 系統(tǒng)告警

因?yàn)樵跍y試時(shí)，而要按步驟執(zhí)行一些必要的動作，如打開頂門，預(yù)熱等，當(dāng)有電阻出現(xiàn)問題后，也可以屏蔽掉一些壞的電阻，而不影響整個(gè)系統(tǒng)的使用，所以才設(shè)置了這些報(bào)警指示，這樣使操作人員可以及時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，可以及時(shí)處理。

5、 歷史數(shù)據(jù)和報(bào)表處理

歷史數(shù)據(jù)查詢，可以對測試的過程進(jìn)行重現(xiàn)，分析測試過程中發(fā)生的問題，是系統(tǒng)測試的重要的分析查詢工具。圖中綠色曲線為設(shè)定的目標(biāo)值，紅色為發(fā)電機(jī)輸出的實(shí)際值。

每次測試的結(jié)果，需要生成測試報(bào)告，導(dǎo)入到Excel內(nèi)進(jìn)行打印和存檔，這樣的功能需求，報(bào)表工具就發(fā)揮了重要的作用，使開發(fā)人員不再把過多的精力用于報(bào)表功能的開發(fā)，而是更多的用于報(bào)表格式的設(shè)計(jì)上。

(五) 現(xiàn)場測試使用情況

1、 硬件設(shè)備的集成安裝

為了方便運(yùn)輸和適合在碼頭上測試使用，對整個(gè)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)提出了較高的要求，所以我們選擇了集裝箱式的系統(tǒng)集成方案，這樣在運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候非常方便，多數(shù)船廠和碼頭上有集裝箱吊車，可以很方便的放置在卡車上，另外，集裝箱式的設(shè)計(jì)也利于防水，這樣在潮濕和下雨的時(shí)候，可以有效的保護(hù)內(nèi)部的電子原器件不受腐蝕，延長了系統(tǒng)的使用壽命。

2、 系統(tǒng)測試、運(yùn)行界面

圖11 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的界面

(六) 結(jié)論

通過使用LabVIEW開發(fā)平臺和模塊化的數(shù)據(jù)采集單元，可以幫助系統(tǒng)開發(fā)人員快速搭建一套數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示、存儲系統(tǒng)，這樣可以把主要的精力用于功能和算法分析設(shè)計(jì)上，為系統(tǒng)開發(fā)節(jié)省了寶貴的時(shí)間，數(shù)據(jù)庫工具包，可以使系統(tǒng)具備較好的擴(kuò)展能力，實(shí)現(xiàn)與第三方數(shù)據(jù)庫的互通，完成數(shù)據(jù)存儲與查詢的功能，報(bào)表生成工具包，可以快速設(shè)計(jì)測試報(bào)表，實(shí)現(xiàn)與Office辦公軟件的兼容。模塊化的數(shù)據(jù)采集單元，與LabVIEW配合使用，可以簡單方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、顯示功能，其高速和高精度的數(shù)據(jù)采集功能為系統(tǒng)的精確控制提供了硬件保證。