基于虛擬儀器的小型柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)研究

龔立雄 程雙勝 楊明忠 文淑容

（1. 武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，武漢 430070； 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第712研究所，武漢 430064； 3. 湖北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，武漢 430061）

1 引言

小型柴油發(fā)電機(jī)組主要應(yīng)用在無市電供應(yīng)及需要不間斷供電的地方，如電信、電力和廣播電視系統(tǒng)的機(jī)站和機(jī)房。當(dāng)市網(wǎng)停電時(shí)，機(jī)組必須立即啟動(dòng)，為企業(yè)提供所需電力。另外，艦船上的船舶電力系統(tǒng)也主要由柴油發(fā)電機(jī)供電。這些電力系統(tǒng)的機(jī)房多位于高山、深林和海洋，地處偏僻、環(huán)境惡劣。因此，對(duì)這類發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控和管理顯得十分必要。小型柴油機(jī)組電力系統(tǒng)一般由發(fā)電系統(tǒng)、輸配電系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)等組成。柴油發(fā)電機(jī)組作為電力系統(tǒng)的核心部件和關(guān)鍵設(shè)備，其狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于向整個(gè)電力系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供決策部門參考，并可以提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。對(duì)發(fā)電系統(tǒng)而言，不僅在設(shè)計(jì)和制造階段要以提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性作為首要任務(wù)，而且對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷也具有十分重要的意義[1,2]。

柴油發(fā)電機(jī)主要由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)組成。其中，柴油機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力部分，發(fā)電機(jī)則是以三相交流同步發(fā)電機(jī)為主，主要由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋三部分組成。通常三相交流同步發(fā)電機(jī)的電樞繞組與三相電網(wǎng)連接，勵(lì)磁繞組與直流電源連接。其發(fā)電機(jī)組的測(cè)試系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制和自動(dòng)保護(hù)等[3]。由繼電器、晶體管分立或集成元件和普通儀表所組成的傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)因缺乏靈活性和穩(wěn)定性，測(cè)控速度慢，難以對(duì)故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行正確的判斷，故而很難適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展的要求[4]。

隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，監(jiān)控系統(tǒng)正向綜合化、集散式多微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。虛擬儀器的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的測(cè)量模式，使得測(cè)試系統(tǒng)由松散的、不兼容的測(cè)量模式變?yōu)楣δ軓?qiáng)、測(cè)試精度高、速度快、自動(dòng)化程度高、人機(jī)界面優(yōu)異、靈活性強(qiáng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[5]。本文基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)了小型柴油發(fā)電機(jī)組的測(cè)控系統(tǒng)，利用圖形化和可視化的測(cè)試軟件LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，來監(jiān)測(cè)船舶柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示。實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)具有很好的靈活性和準(zhǔn)確性。

2 小型柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.1 虛擬儀器硬件平臺(tái)的構(gòu)建和選擇

目前主流的虛擬儀器硬件平臺(tái)主要包括PC-DAQ系統(tǒng)、GPIB系統(tǒng)、串口系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)和PXI系統(tǒng)[6]。其中PXI是以標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，是 PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展（PCI Extension for Instrumentation）。它將 CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺(tái)式PC的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來，形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)[7,8]。從總體的性價(jià)比、易用性和測(cè)量要求方面綜合考慮，該虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)采用了PXI系統(tǒng)作為虛擬儀器的硬件平臺(tái)。

在虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，采用PXI-1000B機(jī)箱、PXI-8174嵌入式零槽控制器作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件平臺(tái)，在機(jī)箱插槽中安裝多功能數(shù)據(jù)采集卡 PXI-6025E，另外加上信號(hào)調(diào)理機(jī)箱 SCXI-1000，構(gòu)成了完整的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)工作平臺(tái)。其主要組成部分的配置參數(shù)如下：

（1）PXI-1000B機(jī)箱：高性能8槽機(jī)箱，有可拆卸交流與直流電源選項(xiàng)，工作溫度為 0～50°C；

（2）PXI-8174嵌入式零槽控制器：Intel Celeron 566 MHz處理器，64 MB SDRAM內(nèi)存，帶串口1個(gè)、配有并口、USB接口2個(gè)、PS/2鼠標(biāo)鍵掀連接、PXI觸發(fā)總線輸入及輸出、20 GB硬盤驅(qū)動(dòng)器，可以安裝Windows 2000系統(tǒng)或XP系統(tǒng)；

（3）數(shù)據(jù)采集卡 PXI-6025E：最大采樣率200 kS/s。12位精度，16路單端模擬輸入，2路模擬輸出，輸入范圍為±0.05～±10 V，輸出范圍為±10 V；

（4）信號(hào)調(diào)理器機(jī)箱 SCXI-1000：四槽，SCXI-機(jī)箱為SCXI模塊提供電源，并負(fù)責(zé)SCXI系統(tǒng)和 DAQ設(shè)備之間的信號(hào)連接。SCXI-1100信號(hào)調(diào)理模塊，32路多路復(fù)用，信號(hào)范圍為±10 V電壓信號(hào)，4～20 MA電流信號(hào)。

2.2 小型柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)組成

該小型柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)由測(cè)試和監(jiān)控兩個(gè)部分組成。其測(cè)試部分基于虛擬儀器硬件平臺(tái)，用于信號(hào)采集和處理。其底層控制部分采用凌陽16位單片機(jī)SPEC061A ，它的CPU內(nèi)核采用凌陽推出的16位微處理器芯片。它與柴油發(fā)電機(jī)組一起組成直接數(shù)字控制系統(tǒng)，完成對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、怠速運(yùn)行、報(bào)警、參數(shù)監(jiān)測(cè)等多種控制。該柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該測(cè)控系統(tǒng)底層控制級(jí)和工作站（上位機(jī)）之間通過 RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)連接。軟件協(xié)議采用支持 RS-485網(wǎng)絡(luò)的 Modbus工業(yè)通訊通信協(xié)議[9,10]。整個(gè)測(cè)控平臺(tái)通過前端傳感器將各種測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳至PXI-6025E數(shù)據(jù)采集卡，然后經(jīng)采樣、保持、放大、單位匹配標(biāo)定后由 PXI174控制器進(jìn)行分析和測(cè)試，在工作站計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示和處理。如出現(xiàn)異常則會(huì)自動(dòng)報(bào)警，通過既定程序和底層單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。采用 Datasocket技術(shù)把采集測(cè)得的數(shù)據(jù)和信號(hào)傳送給局域網(wǎng)中的其它計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和異地實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 基于LabVIEW的柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)的總體方案

柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)的軟件采用美國National Instruments（NI）公司推出的基于圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境 LabVIEW 軟件，它采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍?，其?duì)象、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在Windows、Windows NT、UNIX等平臺(tái)之間和各種 PC機(jī)及工作站間兼容，便于移植，而且具有豐富的庫函數(shù)和例子，便于快速開發(fā)。

整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用程序采用模塊化的編程思想，根據(jù)功能可劃分為若干個(gè)子模塊，可根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建自行設(shè)置預(yù)報(bào)警參數(shù)、狀態(tài)保存、打印、幫組系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和調(diào)用等模塊。 在設(shè)計(jì)中遵循由上至下的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)系統(tǒng)的總體需求，將系統(tǒng)劃分若干功能模塊，在設(shè)計(jì)過程中將各功能模塊聚集在一起，最后用一個(gè)主界面實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊間的調(diào)用。根據(jù)設(shè)計(jì)，該測(cè)控系統(tǒng)軟件主要由實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)功能模塊、數(shù)據(jù)模塊、參數(shù)設(shè)置等模塊組成，如圖2所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

圖2 柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用 LabVIEW8.6軟件設(shè)計(jì)，在整個(gè)程序的設(shè)計(jì)中，首先完成各個(gè)子功能的設(shè)計(jì)，然后將所有子功能模塊集成。主界面的程序框圖如圖3所示。柴油發(fā)電機(jī)組工作后，該系統(tǒng)能在運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)控柴油機(jī)組的轉(zhuǎn)速、油壓、油溫、水溫和發(fā)電機(jī)組的相電流、相電壓、線電壓、頻率等參數(shù)。系統(tǒng)可以設(shè)置系統(tǒng)報(bào)警參數(shù)，當(dāng)遇到異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并根據(jù)實(shí)際情況采取進(jìn)一步的保護(hù)措施。

3.2.2 小型柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)例驗(yàn)證

基于虛擬儀器的小型柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)機(jī)調(diào)試和實(shí)時(shí)監(jiān)控，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)三臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控以及測(cè)試。柴油發(fā)電機(jī)組的型號(hào)為TFX-180S4-H，額定轉(zhuǎn)速：1500 r/min，額定功率：12 kW，頻率：50 Hz，相數(shù)：三相。圖4為測(cè)控系統(tǒng)實(shí)測(cè)運(yùn)行界面。

圖3 小型柴油發(fā)電機(jī)組主界面程序框圖

圖4 測(cè)控系統(tǒng)實(shí)測(cè)運(yùn)行界面

運(yùn)用傳統(tǒng)儀器對(duì)該柴油發(fā)電機(jī)組的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基于虛擬儀器的測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控所得的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和傳統(tǒng)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)一致，誤差在 1%以內(nèi)。實(shí)例驗(yàn)證表明基于虛擬儀器的測(cè)控系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，其界面友好、可視化程度高。這種基于虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)手段以及底層單片機(jī)控制有機(jī)結(jié)合起來的方法，是開發(fā)智能化測(cè)控系統(tǒng)的有效手段，具有很強(qiáng)的理論價(jià)值和工程實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

虛擬儀器技術(shù)和 LabVIEW 軟件廣泛地應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域。本文系統(tǒng)地闡述了柴油發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了一個(gè)基于虛擬儀器的小型柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和在線檢測(cè)柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。同時(shí)，該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，與傳統(tǒng)儀器構(gòu)建系統(tǒng)相比，具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性。通過實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)新的方向。

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