基于Labview的電功率加載試驗臺測控系統(tǒng)

萬鸞飛，程克林，吳健，陳秀琴，陳光

（1.蕪湖職業(yè)技術學院 電氣系，安徽 蕪湖 241000；2.河北鋼鐵集團承德分公司 自動化管控中心，河北 承德 067002；3.天津電氣傳動設計研究所，天津 300180）

1 引言

Labview是美國國家儀器（NI）公司推出的圖形化開發(fā)環(huán)境。依托豐富的硬件資源，其在數據采集、虛擬儀器領域有著得天獨厚的優(yōu)勢。近年來，NI公司不斷推出Labview的升級版本，使Labview越來越具備通用編程語言的特點，與C＋＋，VB，Delphi語言并駕齊驅。

電功率加載試驗臺是電氣傳動自動化的典型應用，其可靠、高效、節(jié)能的特點使其成為當今加載試驗臺方案的主流。近年來，用戶對試驗臺的上位機測控系統(tǒng)提出了越來越高的要求，也逐漸凸顯了常用工控組態(tài)軟件的局限性。

由于Labview是一種編程語言，相對于工控領域應用較廣的 WinCC，iFix、組態(tài)王等組態(tài)軟件，具有更大的靈活性，更強的軟硬件操控能力，同時也更易于實現標準化和模塊化。在編寫自動測試程序、實時曲線顯示、波形存儲回放、報表生成、系統(tǒng)動態(tài)設置等方面，用Labview開發(fā)的測控程序明顯優(yōu)于工業(yè)組態(tài)軟件。

2 系統(tǒng)方案

驅動和加載控制采用內回饋式電功率封閉系統(tǒng)，逆變器都連接到公共直流母線。自動化控制系統(tǒng)以西門子公司可編程控制器S7－300為核心，實現整流逆變裝置的控制和各類邏輯控制與聯鎖。以NI公司的PXI系列DAQ板卡進行信號調理、數據采集。以Labview為平臺開發(fā)可視化測控程序。

系統(tǒng)單線圖和系統(tǒng)網絡圖如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)單線圖Fig.1 System line diagram

圖2 系統(tǒng)網絡圖Fig.2 System network diagram

3 Profibus DP通訊

作為整個系統(tǒng)的人機交互接口和控制中心，PXI系統(tǒng)控制器不僅要控制本身的信號調理和采集，還需要監(jiān)視與控制現場的PLC、遠程站、傳動裝置及其他設備，這就需要PXI系統(tǒng)具備可靠和高速的工業(yè)通訊能力。

Profibus作為被已廣泛應用的工業(yè)通訊協議，具有方便、可靠并且有較高傳輸速度的特點。通過NI的PXI Profibus通訊接口模塊，PXI系統(tǒng)控制器可以作為主站或從站，連接到DP網絡。

4 測控系統(tǒng)軟件設計

本測控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺為Labview 2009以及NI專業(yè)開發(fā)工具包。

該程序主要分為以下幾個基本模塊（如圖3所示）：

1）主控制模塊；

2）數據采集處理和邏輯通道設置模塊；

3）手動試驗模塊；

4）自動試驗編輯和控制模塊；

5）動態(tài)曲線模塊；

6）數據分析模塊；

7）數據庫歸檔管理模塊；

8）報表生成模塊；

9）其他功能模塊。

圖3 程序結構圖Fig.3 Programme structure

由主控制模塊調用各個模塊，每個模塊的具體功能如下。

4.1 主控制模塊

當程序運行時，首先出現的是主控制模塊界面，主界面是一個總的控制模塊，它運行時一直在循環(huán)等待用戶的操作。界面上設計了菜單功能，用戶可以通過菜單選擇需要調用的子模塊，打開相應的應用界面。主控制模塊的功能如下。

1）啟動時檢查通訊狀態(tài)，通訊不正常時提示用戶；2）通過菜單調用其他程序模塊；3）記錄其他模塊窗口的運行位置，下次打開時在該位置運行；4）進行系統(tǒng)故障、報警的判斷，以報警燈的形式在畫面上顯示，以文字的形式在畫面上記錄每次故障、報警的時間、內容，并將這些記錄以文件的形式保存在計算機中；5）記錄每次試驗開始、結束的時間，顯示試驗已運行的時間；6）急停操作和系統(tǒng)故障復位。

4.2 數據采集處理和邏輯通道設置模塊

該模塊包括數據集中處理和邏輯通道設置兩個功能。

系統(tǒng)中采集到的數據以及通過通訊接收和發(fā)送的數據，根據試驗需要和傳感器的情況，要進行比例系數、偏移量等的修正，再在人機交互界面上顯示和操作。同時，試驗過程中還需要對過程數據進行故障和報警的判斷。這些工作均在數據處理模塊中完成。該模塊在進入主程序之后始終運行。

各通道正常情況下執(zhí)行缺省設置的參數，但為了方便，在邏輯通道設置模塊中，用戶可以查看或修改比例系數、偏移量、故障條件和上下限、報警條件和上下限等參數，程序自動把用戶的修改保存在數據庫中，數據處理模塊將根據用戶的最新設置進行數據處理。

4.3 手動試驗模塊

該模塊的主要功能如下：

1）監(jiān)視輔機狀態(tài)、進行輔機操作、合閘聯鎖、啟動聯鎖，顯示未滿足的啟動條件；

2）作為手動試驗的主畫面，顯示試驗運行狀態(tài)，如正反轉、轉速、加載轉矩、油壓、溫度、流量、故障報警等；

3）試驗啟動停止的控制、轉向操作、給定值設定、限制值設定等；

4）對于一些關鍵性的設定值，用戶可設定權限。如果不能輸入正確的密碼，則不能進行操作。

4.4 自動試驗編輯和控制模塊

對于一些長時間運行、重復性、循環(huán)性的測試項目，用戶需要測控系統(tǒng)具備無人看守試驗的功能。通過本程序的自動試驗編輯和控制模塊，用戶可以靈活地配置試驗的過程，程序將自動完成針對轉速、轉矩等任意控制變量的試驗。

自動試驗編輯模塊為用戶提供了一個友好的編輯界面，用戶可以打開、新建、保存一個特定格式的文件，這個文件中保存了自動試驗的所有信息。在畫面中，用戶可以設置需要進行自動控制的過程變量、給定值、誤差限、過渡時間、穩(wěn)定運行時間，可以給自動試驗設定任意形式的循環(huán)嵌套，并給每一個試驗具體過程命名。

編輯好自動試驗后，即可在自動試驗模塊中運行（見圖4）。對于每個自動試驗程序，系統(tǒng)將按如下規(guī)則進行試驗。

1）按照用戶的設置進行循環(huán)嵌套試驗；2）在每個具體過程中，先把每個變量的值和過渡時間發(fā)送給控制器，當達到過渡時間時，系統(tǒng)開始把每個變量的反饋值與給定值做比較，如果其差的絕對值大于相應的“誤差限”，則繼續(xù)比較；如果其差的絕對值小于等于相應的“誤差限”，則系統(tǒng)開始計時，直到達到穩(wěn)定運行時間的設定值時，進入下一過程（見圖5）。

圖4 自動試驗界面Fig.4 Front panel of auto－test

圖5 自動試驗模塊Fig.5 Auto－test module

當前過程持續(xù)時間完成的百分比、全部試驗預計時間完成的百分比，都以進度條的形式顯示在畫面中。

4.5 動態(tài)曲線模塊

動態(tài)曲線模塊是測控程序的重要組成部分（見圖6），其主要特點如下。

1）用戶可自由設置數據采樣周期、屏幕數據長度、曲線數量、曲線顏色、曲線連接的過程變量、曲線的顯示比例等信息。程序將用戶的設置以文件的形式保存在計算機中，并在曲線顯示畫面中按設置更新。

2）可在同一個坐標系中最多同時顯示16條曲線，并可根據用戶需要，無限擴展。

3）可進行屏幕背景顏色和橫縱向網格的設置。

4）曲線顯示時，可通過游標讀取所有曲線任意一個時間點的數值。

5）可以隨時保存所有曲線信息到文件，以便日后查看。

6）已保存的曲線文件，可以進行回放?；胤艜r，按照已保存的設置，可以完全重現動態(tài)曲線當時的狀況。

7）用戶可以將回放出來的曲線導出為Excel格式的文件。

圖6 實時曲線界面Fig.6 Front panel of real－time chart

4.6 數據分析模塊

在測試進行中或者完成數據采集后，可以利用Labview功能強大的數據分析功能，進行數據處理分析。

測控軟件的數據分析模塊具有多種分析功能：如數字濾波、統(tǒng)計分析、曲線擬合、頻譜分析等，以及常用參數的計算，如功率、功率因數等的計算。

4.7 數據庫歸檔管理模塊

測試過程中，用戶可把采集到的以及經過通訊得到的任意數據保存在數據庫中。既可以選擇手動啟動、停止歸檔，也可以選擇在試驗開始、停止時，自動啟停歸檔。可以設置數據歸檔的采樣周期，也可以手動觸發(fā)，采集某個時間點的數據。

軟件提供對已完成的試驗進行查詢的功能。如查詢試驗人員，試驗日期，試驗內容、試驗結果。對試驗數據的查詢、修改應提供保護，原始數據不允許修改，試驗報告僅限有權限的人員進行修改。

4.8 報表生成模塊

常規(guī)試驗各項測試完成后，可在短時間范圍內完成分析計算，并生成打印出標準格式的Excel報表。報表生成格式可以由試驗人員修改定制，以適應各種不同的試驗和各種報表格式。

對于較早期進行的試驗，只要數據庫中存在歸檔，用戶均可隨時調用、查看歷史數據，并按指定格式生成報表。

4.9 其他功能模塊

除上述主要模塊外，監(jiān)控系統(tǒng)中還包括其他功能模塊，主要實現以下功能。

1）系統(tǒng)設置。用戶權限設置，用戶登錄密碼的設置，及其它對測控軟件本身的設置。

2）對電氣系統(tǒng)的監(jiān)視。以主回路原理圖為基礎，實時顯示電網狀態(tài)、配電系統(tǒng)狀態(tài)、斷路器接觸器分合狀態(tài)、驅動裝置運行情況、電機運行參數等信息。

3）對現場情況的監(jiān)視。以圖形的形式完全模擬現場情況，用戶可以直觀地了解到試驗件、電機、變速箱、泵站、管路等設備的運行狀態(tài)，發(fā)生異常時及時采取相應措施。

4）針對不同測試項目的控制。在一個測試系統(tǒng)中，通常要進行不同的測試項目。開發(fā)測控程序時，可根據實際需要，設計不同的測試畫面，用戶可以打開某一個測試畫面，進行相應的試驗。

5 實際應用及結論

目前，該測控系統(tǒng)方案已經在軍工領域的某試驗臺中得以應用，整流單元只提供試驗臺消耗的能量，約為試驗功率的25%（由機械傳遞效率和試驗件效率決定），大大減小了交流側線電流，降低了整流變壓器的裝機容量，節(jié)約了投資，同時達到了良好的節(jié)能效果。

該測控軟件運行穩(wěn)定，方便靈活，自動試驗和實時曲線均可由用戶自由設置，突破了普通組態(tài)軟件的局限性，為試驗臺測控系統(tǒng)的開發(fā)提供了新思路。

［1］ Rich Bitter，Taqi Mohiuddin，Matt Nawrocki.Labview：Advanced Programming Techniques［M］.2nd Edition.Boca Raton：CRC Press，2006.

［2］ Jeffrey Travis，Jim Kring.LabVIEW for Everyone：Graphical Programming Made Easy and Fun［M］.3rd Edition.Crawfordsville：Prentice Hall，2006.

［3］ 天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2005

修改稿日期：2011－12－18