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基于CompactRIO的船舶發(fā)電機測試與分析系統(tǒng)

時間:2013-02-26 15:13:12來源:白紀軍

導語:?船舶發(fā)電機在正式發(fā)電使用前,要經(jīng)過帶負載的測試后才能正式投入使用,實驗的類型分為兩類:穩(wěn)態(tài)實驗和瞬態(tài)實驗

應用領域:

遠程監(jiān)測/控制

挑戰(zhàn):

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

應用方案:

船舶用發(fā)電機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),還要測試其負載突加、突減時的功率輸出能力,由于輸出功率較大(如我們測試的是單臺560kW,最大要求3臺同時并聯(lián)發(fā)電),這就需要專用負載箱來測試其性能,我們所做的設備,就是測試發(fā)電機性能的負載箱,通過控制PLC,實現(xiàn)負載的可控增減,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)電機在不同功率下的振動信息,以實現(xiàn)更多參數(shù)的功能評價。

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,用它可以快速實現(xiàn)用戶界面設計和邏輯功能控制,節(jié)省開發(fā)時間,提高工作效率。

附加工具包:

Report Generation Toolkit:報表生成工具包

把采集到的數(shù)據(jù),根據(jù)用戶要求,設計成報表,這樣就可以自動打印測試報告。

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

采集到的實時數(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現(xiàn)LabVIEW 數(shù)據(jù)采集和MySQL數(shù)據(jù)庫之間的連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存功能。

數(shù)據(jù)庫:

MySQL 5.5

免費開源的數(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的標準輸出電流,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)電機的振動情況,采用 NI 9234可以實現(xiàn)加速度測試的要求。

正文:

(一) 概述

船舶發(fā)電機在正式發(fā)電使用前,要經(jīng)過帶負載的測試后才能正式投入使用,實驗的類型分為兩類:穩(wěn)態(tài)實驗和瞬態(tài)實驗。穩(wěn)態(tài)實驗就是在規(guī)定的時間內(nèi),發(fā)電機完成連續(xù)的功率輸出。瞬態(tài)實驗是事先設定幾個功率輸出點,當外部負載發(fā)生瞬間變化時,發(fā)電機輸出功率的變化情況。

(二) 系統(tǒng)目標

1、 實時系統(tǒng)控制

1) 實時數(shù)據(jù)采集;

采集系統(tǒng)實時的電流、電壓等信號,計算有功、無功、功率因數(shù)、頻率等指標參數(shù),為系統(tǒng)的實時控制提供參考依據(jù)。

2) 有功、無功輸出控制;

根據(jù)實驗方案,設定目標值,根據(jù)實時采集到的數(shù)據(jù)信息,控制PLC的輸出節(jié)點,來調(diào)節(jié)負載的增加和減少,控制負載的輸出功率。

3) 數(shù)據(jù)存儲;

測試過程中,按照設定的保存條件,記錄實驗數(shù)據(jù),用于報表的生成和歷史數(shù)據(jù)的查詢。

4) 故障報警;

當系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障時,如電壓異常,過溫時,可以發(fā)出告警信號。

5) 穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)實驗。

實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)實驗的功能,按設定的運行數(shù)據(jù),達到實驗的要求。

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),以曲線和報表的方式顯示給用戶。

2) 測試報告生成;

對各種實驗數(shù)據(jù),生成測試報告,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

整個系統(tǒng)分為三大部分,待測發(fā)電機,負載箱(含PLC控制器、電阻、電抗器、數(shù)據(jù)采集模塊),遠程監(jiān)控系統(tǒng)。待測發(fā)電機每臺額定功率是560kW,可以單臺進行測試,最多可三臺并聯(lián),同進進行檢測。負載箱的電阻和電抗器,通過PLC和接觸器,控制負載的增減,采集模塊實時采集系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù),使用戶及時了解發(fā)電機的功率輸出情況。

(四) 系統(tǒng)的設計與軟件實現(xiàn)

1、 人機界面

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,實時顯示發(fā)電機輸出的有功、無功和目標值,了解發(fā)電機的功率輸出情況,右邊部分為系統(tǒng)控制和運行狀態(tài)顯示部分,在這兒可以設置發(fā)電面的額定功率,系統(tǒng)依據(jù)發(fā)電機的額定功率、功率因數(shù)和設定的百分比,計算需加載的有功、無功值,根據(jù)事先做好的算法,計算需控制PLC哪些輸出點,把生成的指令發(fā)送給PLC,控制負載的投入和切除,因為負載不是線性負載,并且隨著負載溫度的變化,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際值,和目標值進行對比,實時調(diào)節(jié)負載的輸出。

圖2 系統(tǒng)控制主界面
2、 數(shù)據(jù)采集
圖3 有功、無功、電流、功率因數(shù),輸出電壓、電流

通過采集系統(tǒng)電壓、電流信息,計算有功、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,控制負載的增減,達到系統(tǒng)所需要的目標值。因為負載的特性,不是一次下發(fā)指令一次就可以達到系統(tǒng)要求的目標值,要根據(jù)采集模塊采集到的實時值,來不段調(diào)整系統(tǒng)負載的輸出,所以數(shù)據(jù)采集模塊是實現(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)電機平穩(wěn)輸出功率的情況,每次加載的負載一般都是連續(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)電機在外部負載發(fā)生急劇變化時,發(fā)電機功率輸出的情況,負載不象穩(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)電機在外部負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,只調(diào)節(jié)右邊的有功功率百分比和功率因數(shù),根據(jù)設定的額定功率,計算出實際的功率值,當系統(tǒng)達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)時,就可以對這個節(jié)進行鎖存,記錄下當前系統(tǒng)的運行狀態(tài):有功功率值,無功功率值和功率因數(shù),然后進行下一個穩(wěn)態(tài)測試,當系統(tǒng)達到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時,再對該點的運行狀態(tài)進行鎖存,這樣記錄一系列運行狀態(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)準備,當做完一系統(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,瞬態(tài)測試時,并不是按照序號順序來進行測試,而是根據(jù)測試的需要,亂序的來執(zhí)行鎖存的測試點。

4、 報警處理

圖6 系統(tǒng)告警

因為在測試時,而要按步驟執(zhí)行一些必要的動作,如打開頂門,預熱等,當有電阻出現(xiàn)問題后,也可以屏蔽掉一些壞的電阻,而不影響整個系統(tǒng)的使用,所以才設置了這些報警指示,這樣使操作人員可以及時了解系統(tǒng)的運行情況,當發(fā)生緊急情況時,可以及時處理。

5、 歷史數(shù)據(jù)和報表處理

歷史數(shù)據(jù)查詢,可以對測試的過程進行重現(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。圖中綠色曲線為設定的目標值,紅色為發(fā)電機輸出的實際值。

每次測試的結(jié)果,需要生成測試報告,導入到Excel內(nèi)進行打印和存檔,這樣的功能需求,報表工具就發(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表功能的開發(fā),而是更多的用于報表格式的設計上。

(五) 現(xiàn)場測試使用情況

1、 硬件設備的集成安裝

為了方便運輸和適合在碼頭上測試使用,對整個系統(tǒng)的一體化設計提出了較高的要求,所以我們選擇了集裝箱式的系統(tǒng)集成方案,這樣在運輸?shù)臅r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,集裝箱式的設計也利于防水,這樣在潮濕和下雨的時候,可以有效的保護內(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、運行界面

圖11 系統(tǒng)實際運行時的界面

(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計上,為系統(tǒng)開發(fā)節(jié)省了寶貴的時間,數(shù)據(jù)庫工具包,可以使系統(tǒng)具備較好的擴展能力,實現(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,報表生成工具包,可以快速設計測試報表,實現(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。

 

 

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