應用領域：

遠程監(jiān)測/控制

挑戰(zhàn)：

如何在短時間內，以LabVIEW作為開發(fā)平臺，通過CompacRIO數據采集系統，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等數據指標，分析發(fā)電機輸出電能的質量，對輸出的信號做高速數據采集與記錄；控制PLC實現外部負載的變化，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，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。原方案對數據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，實現數據的高速數據采集與記錄，并希望能采集到發(fā)電機在不同功率下的振動信息，以實現更多參數的功能評價。

使用的產品：

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

把采集到的數據，根據用戶要求，設計成報表，這樣就可以自動打印測試報告。

Database Connectivity Toolkit數據連接工具包

采集到的實時數據，經過數據處理后，存入歷史數據庫，數據庫連接工具包可以實現LabVIEW 數據采集和MySQL數據庫之間的連接，實現數據的保存功能。

數據庫：

MySQL 5.5

免費開源的數據庫管理系統，占用空間小，執(zhí)行效率高，滿足系統對數據庫的功能需求。

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，系統輸出的電流，經過電流互感器，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，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) 系統目標

1、 實時系統控制

1) 實時數據采集；

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

2) 有功、無功輸出控制；

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

3) 數據存儲；

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

4) 故障報警；

當系統出現運行故障時，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。

實現穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)實驗的功能，按設定的運行數據，達到實驗的要求。

2、 歷史數據分析

1) 歷史測試曲線查詢；

查以查詢測試過程保存的歷史數據，以曲線和報表的方式顯示給用戶。

2) 測試報告生成；

對各種實驗數據，生成測試報告，具備打印輸出功能。

(三) 系統結構

圖1 系統結構圖

整個系統分為三大部分，待測發(fā)電機，負載箱（含PLC控制器、電阻、電抗器、數據采集模塊），遠程監(jiān)控系統。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，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運行的數據，使用戶及時了解發(fā)電機的功率輸出情況。

(四) 系統的設計與軟件實現

1、 人機界面

系統監(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，系統依據發(fā)電機的額定功率、功率因數和設定的百分比，計算需加載的有功、無功值，根據事先做好的算法，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，所以還需根據采集模塊采集到的實際值，和目標值進行對比，實時調節(jié)負載的輸出。

通過采集系統電壓、電流信息，計算有功、無功、功率因數、頻率等信息量，經專用的算法，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要求的目標值，要根據采集模塊采集到的實時值，來不段調整系統負載的輸出，所以數據采集模塊是實現系統控制的重要組成部分。

3、 控制和調節(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，只調節(jié)右邊的有功功率百分比和功率因數，根據設定的額定功率，計算出實際的功率值，當系統達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)時，就可以對這個節(jié)進行鎖存，記錄下當前系統的運行狀態(tài)：有功功率值，無功功率值和功率因數，然后進行下一個穩(wěn)態(tài)測試，當系統達到另一個穩(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據準備，當做完一系統的穩(wěn)態(tài)測試以后，就記錄了一些關鍵測試數據點，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，當有電阻出現問題后，也可以屏蔽掉一些壞的電阻，而不影響整個系統的使用，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的運行情況，當發(fā)生緊急情況時，可以及時處理。

5、 歷史數據和報表處理

歷史數據查詢，可以對測試的過程進行重現，分析測試過程中發(fā)生的問題，是系統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。

每次測試的結果，需要生成測試報告，導入到Excel內進行打印和存檔，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集成方案，這樣在運輸的時候非常方便，多數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，可以有效的保護內部的電子原器件不受腐蝕，延長了系統的使用壽命。

2、 系統測試、運行界面

圖11 系統實際運行時的界面

(六) 結論

通過使用LabVIEW開發(fā)平臺和模塊化的數據采集單元，可以幫助系統開發(fā)人員快速搭建一套數據采集、處理、分析、顯示、存儲系統，這樣可以把主要的精力用于功能和算法分析設計上，為系統開發(fā)節(jié)省了寶貴的時間，數據庫工具包，可以使系統具備較好的擴展能力，實現與第三方數據庫的互通，完成數據存儲與查詢的功能，報表生成工具包，可以快速設計測試報表，實現與Office辦公軟件的兼容。模塊化的數據采集單元，與LabVIEW配合使用，可以簡單方便的實現數據采集、分析、顯示功能，其高速和高精度的數據采集功能為系統的精確控制提供了硬件保證。