[NI技术]基于 CompactRIO 的船舶发电机测试与 分析系统.doc

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1、NI技术基于 CompactRIO 的船舶发电机测试与 分析系统通过使用 LabVIEW开发 平台和模块化的数据 采集单元，可以帮助 系统开发人员快速搭 建一套数据采集、处 理、分析、显示、存 储系统，这样可以把 主要的精力用于功能 和算法分析设计上， 为系统开发节省了宝 贵的时间。- Jijun Bai, Shanghai Rui You Technology Development Co. Ltd.The Challenge:测试船舶用发电机在 不同输出功率下的性 能表现及其负载突加 或突减时的功率输出 能力。The Solution:Container Style Integration

2、 Design以LabVIEW作 为开发平台，通过 CompacRIO 数据采集系统，实时 采集发电机的输出的 电压、电流、状态等 信号，计算有功功率、无功功率和功率 因数等数据指标，分 析发电机输出电能的 质量，对输出的信号 做高速数据采集与记 录；控制PLC实现外部负载的变化，测 试船舶发电机的输出 性能。Author (s):Jijun Bai - Shanghai Rui You Technology Development Co. Ltd.船舶用发电机在出厂 前和正式使用前，要 测试其在不同输出功 率下的性能表现，还 要测试其负载突加、 突减时的功率输出能 力，由于输出功率较 大（如

3、我们测试的是 单台560kW，最 大要求3台同时并联 发电)，这就需要专 用负载箱来测试其性 能，我们所做的设 备，就是测试发电机 性能的负载箱，通过 控制PLC，实现负 载的可控增减，监视 其输出有功、无功的 输出情况，分析发电 机的性能表现。原方 案对数据采集与分析 这一块做的不是很 好，客户要求采集突 加、突减过程中的电 压、电流变化情况， 实现数据的高速数据 采集与记录，并希望 能采集到发电机在不 同功率下的振动信 息，以实现更多参数 的功能评价。系统描述采用NI 9225作为电压采集模块， 由于发电机输出的额 定相电压是 220V，所以 300V的量程可 以满足测量的需要； 电流采集

4、模块采用NI 9227，系统输出的电流， 经过电流互感器，变 成05A的标准输 出电流，NI 9227可以满足其 测量的要求，另外， 在测试过程中，需要 测试发电机的振动情 况，采用NI 9234可以实现加速度测试 的要求。图1. 本应用所使 用的 CompactRIO 机箱和C系列模块船舶发电机在正式发 电使用前，要经过带 负载的测试后才能正 式投入使用，实验的 类型分为两类：稳态 实验和瞬态实验。稳 态实验就是在规定的 时间内，发电机完成 连续的功率输出。瞬 态实验是事先设定几 个功率输出点，当外 部负载发生瞬间变化 时，发电机输出功率 的变化情况。系统目标实时系统控制实时数据采集；采 集

5、系统实时的电流、 电压等信号，计算有 功、无功、功率因 数、频率等指标参 数，为系统的实时控 制提供参考依据。有功、无功输出控 制；根 据实验方案，设定目 标值，根据实时采集 到的数据信息，控制 PLC的输出节点， 来调节负载的增加和 减少，控制负载的输 出功率。数据存储；测 试过程中，按照设定 的保存条件，记录实 验数据，用于报表的 生成和历史数据的查 询。故障报警；当 系统出现运行故障 时，如电压异常，过 温时，可以发出告警 信号。 稳态、瞬态实验。实 现稳态和瞬态实验的 功能，按设定的运行 数据，达到实验的要 求。历史数据分析 历史测试曲线查询；查 以查询测试过程保存 的历史数据，以曲线

6、 和报表的方式显示给 用户。测试报告生成；1/7对 各种实验数据，生成 测试报告，具备打印 输出功能。系统结构图2 系统结构 图整个系统分为三大部 分，待测发电机，负 载箱（含PLC控制 器、电阻、电抗器、 数据采集模块），远 程监控系统。待测发 电机每台额定功率是 560kW，可以单 台进行测试，最多可 三台并联，同进进行 检测。负载箱的电阻 和电抗器，通过 PLC和接触器，控 制负载的增减，采集 模块实时采集系统运 行的数据，使用户及 时了解发电机的功率 输出情况。系统的设计与软件实 现人机界面系统监控主界面总体 上分为二部分，左边 为显示区域，实时显 示发电机输出的有 功、无功和目标值，

7、 了解发电机的功率输 出情况，右边部分为 系统控制和运行状态 显示部分，在这儿可 以设置发电面的额定 功率，系统依据发电 机的额定功率、功率 因数和设定的百分 比，计算需加载的有 功、无功值，根据事 先做好的算法，计算 需控制PLC哪些输 出点，把生成的指令 发送给PLC，控制 负载的投入和切除， 因为负载不是线性负 载，并且随着负载温 度的变化，阻抗也会 发生变化，所以还需 根据采集模块采集到 的实际值，和目标值 进行对比，实时调节 负载的输出。2/7图3 系统控制主界 面数据采集图4 有功、无 功、电流、功率因 数，输出电压、电流通过采集系统电压、 电流信息，计算有 功、无功、功率因 数、

8、频率等信息量， 经专用的算法，生成 控制指令，下发给 PLC，控制负载的 增减，达到系统所需 要的目标值。因为负 载的特性，不是一次 下发指令一次就可以 达到系统要求的目标 值，要根据采集模块 采集到的实时值，来 不段调整系统负载的 输出，所以数据采集 模块是实现系统控制 的重要组成部分。控制和调节发电机的测试，一般 分为二种方式：稳态 测试和瞬态测试，稳 态测试是测试发电机 平稳输出功率的情 况，每次加载的负载 一般都是连续的、递 增或是递减的功率输 出，在很多情况下， 还要做过载测试，也 就是超出发电机额定 功率的测试，一般不 会大于其额定功率的 10%；瞬态测试是 测试发电机在外部负 载

9、发生急剧变化时， 发电机功率输出的情 况，负载不象稳态那 样连续的递增或递 减，而是做急剧的变 化，变化的方向也是 不固定的，这样可有 效的测试发电机在外 部负载突变是功率输 出的性能。图5 系统操作流程 图3/7图6 稳态与瞬态用 户控制界面稳态测试时，只调节 右边的有功功率百分 比和功率因数，根据 设定的额定功率，计 算出实际的功率值， 当系统达到一个稳定 的状态时，就可以对 这个节进行锁存，记 录下当前系统的运行 状态：有功功率值， 无功功率值和功率因 数，然后进行下一个 稳态测试，当系统达 到另一个稳定状态 时，再对该点的运行 状态进行锁存，这样 记录一系列运行状态 的目的就是为下一步

10、 的瞬态测试做好第一 步的数据准备，当做 完一系统的稳态测试 以后，就记录了一些 关键测试数据点，瞬 态测试时，并不是按 照序号顺序来进行测 试，而是根据测试的 需要，乱序的来执行 锁存的测试点。报警处理图7 系统告警因为在测试时，而要 按步骤执行一些必要 的动作，如打开顶 门，预热等，当有电 阻出现问题后，也可 以屏蔽掉一些坏的电 阻，而不影响整个系 统的使用，所以才设 置了这些报警指示， 这样使操作人员可以 及时了解系统的运行 情况，当发生紧急情 况时，可以及时处 理。历史数据和报表处理4/7图8 历史曲线查询历史数据查询，可以 对测试的过程进行重 现，分析测试过程中 发生的问题，是系统 测试的重要的分析查 询工具。图中绿色曲 线为设定的目标值， 红色为发电机输出的 实际值。图9 测试报表生成每次测试的结果，需 要生成测试报告，导 入到Excel内进 行打印和存档，这样 的功能需求，报表工 具就发挥了重要的作 用，使开发人员不再 把过多的精力用于报 表功能的开发，而是 更多的用于报表格式 的设计上。现场测试使用情况硬件设备的集成安装图10 集装箱式 的一体化设计方案5/7