基于​CompactRIO​的​船舶​发​电机​测试​与​分析​系统

Jijun Bai, Shanghai Rui You Technology Development Co. Ltd.

"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.

挑战:

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。 ​

解决​方案:

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。 ​

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​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​模​块​采用NI 9227,​系统​输出​的​电流,​经过​电流​互感​器,​变成​0~5A​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。

 

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​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​和​报表​的​方式​显示​给​用户。

  •  测试​报告​生成;

          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

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,​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。

 

通过​采集​系统​电压、​电流​信息,​计算​有功、​无功、​功率​因数、​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​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。

 

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​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

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

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。

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

为了​方便​运输​和​适合​在​码头​上​测试​使用,​对​整个​系统​的​一体化​设计​提出​了​较​高​的​要求,​所以​我们​选择​了​集​装​箱​式​的​系统​集成​方案,​这样​在​运输​的​时候​非常​方便,​多数​船​厂​和​码头​上有​集​装​箱​吊车,​可以​很​方便​的​放置​在​卡车​上,​另外,​集​装​箱​式​的​设计​也​利于​防水,​这样​在​潮湿​和​下雨​的​时候,​可以​有效​的​保护​内部​的​电子​原​器件​不受​腐蚀,​延长​了​系统​的​使用​寿命。

 

系统​测试、​运行​界面

结论

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,​数据​库​工具​包,​可以​使​系统​具备​较好​的​扩展​能力,​实现​与​第三​方​数据​库​的​互通,​完成​数据​存储​与​查询​的​功能,​报表​生成​工具​包,​可以​快速​设计​测试​报表,​实现​与​Office​办公​软件​的​兼容。​模​块​化​的​数据​采集​单元,​与​LabVIEW​配合​使用,​可以​简单​方便​的​实现​数据​采集、​分析、​显示​功能,​其​高速​和​高​精度​的​数据​采集​功能​为​系统​的​精确​控制​提供​了​硬件​保证。

 

 

作者​信息:

Jijun Bai
​Shanghai Rui You Technology Development Co. Ltd.

​ ​图​1. 本​应用​所​使用​的​CompactRIO​机​箱​和​C​系列​模​块 ​
​ 图​2 系统​结构​图 ​
​ ​图​4 有功、​无功、​电流、​功率​因数,​输出​电压、​电流 ​
​ ​图​5 系统​操作​流程​图 ​
​ ​图​6 稳​态​与​瞬​态​用户​控制​界面 ​
​ ​图​7 系统​告警 ​
​ ​图​8 历史​曲线​查询 ​
​ ​图​9 测试​报表​生成 ​
​ ​图​10 集​装​箱​式​的​一体化​设计​方案 ​
​ ​图​12 系统​实际​运行​时​的​界面 ​