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。

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。