基于CompactRIO和LabVIEW的船用发电机测试和分析系统

我们需要测试高输出功率的船用发电机，因此研制了一项专门的负载组性能。我们的系统配备了可编程的逻辑控制器(PLC)，可控制负载的增加和减少，也可以监测有功或无功功率输出性能并分析发电机性能。原始的设计在数据采集和分析方面有改进的余地。客户要求在负载突然增加和减少时采集电压和电流的变化数据，同时进行高速数据采集和记录。他们还希望收集不同功率水平下的发电机振动数据，来评估其他参数下的发电机性能。

系统说明

我们使用NI 9225 C系列模拟输入模块进行电压采集。发电机的额定输出相电压为220 V，因此±300 V的测量范围满足我们的测量需求。对于电流采集，我们使用了NI 9227 C系列电流输入模块。系统输出电流流经电流互感器并稳定在0 A至5 A的输出电流间，而NI 9227满足了测量需求。此外，我们还想测试发电机的振动，所以使用了NI 9234测量系统来满足更加快速的测试需求。

在船用发电机用于发电之前，需要经过负载测试。测试实验分为2类：稳态实验和瞬态实验。稳态实验用于测试发电机在特定时间段内完成持续功率输出的能力。瞬态实验会设置几个功率输出点，评估发电机为应对这些点的外部负载瞬态变化输出功率所发生的变化。

系统架构

整个系统可分为3个主要部分：待测发电机、负载组（包括PLC、电阻、电抗和数据采集模块）和远程监控系统。待测发电机的额定功率为560 kW。我们可以单独对其进行测试，也可以对多达3台设备执行并行同步测试。利用PLC和接触器，负载组的电阻和反应可控制负载的增加和减少，从而收集系统的实时运行数据。用户可以借此及时了解到发电机的功率输出性能。

系统设计和软件实现

系统监视器的主界面由2部分组成。左边是显示区，显示发电机的实时输出有功功率、无功功率和目标值，来说明其功率输出的状况。右边部分显示系统控制和运行状态。用户可以在这里设置发电机的额定功率。系统会根据其额定功率、功率因数和百分比设置来计算有功功率和无功功率。系统使用预定义的算法计算PLC所控制的输出点，然后生成命令发送到PLC，来控制负载的增加和减少。因为负载不是线性的，电抗会随着负载温度的变化而发生变化，所以有必要将收集模块采集的实际值与目标值进行比较，并进行实时的负载调整。

通过收集系统电压和电流，并使用专门的算法计算有功功率和无功功率、功率因数和频率等信息，系统可创建控制命令并将其分配给PLC，由PLC控制负载的增加和减少，实现系统所需的目标值。受负载的特性影响，系统无法只通过一次命令分配来实现目标值，需要收集模块采集实时数据，来不断调整系统的负载输出。因此，数据采集模块是系统控制的一个重要组成部分。

控制和调整

我们可以采用2种不同的方式进行发电机测试：稳态测试和瞬态测试。稳态测试可确保发电机在每次都具有持续负载的情况下输出功率的状况稳定，并且确保发电机逐步增加或减少功率输出。在许多情况下，重载测试所检查的是发电机超出额定功率，但通常不超过10%时的情况。瞬态测试将评估发电机在外部负载突然变化时的功率输出性能。在这种情况下，负载不会像稳态测试中那样持续增加或减少，而是朝着不确定的方向急剧变化。系统可以有效地测试发电机在外部负载突然变化时的功率输出性能。

稳态测试过程中只调整右侧部分的有功功率百分比和功率因素。系统会根据预设的额定功率，计算出实际功率。当系统到达稳态时，会锁定并保存此节点，来记录当前的系统运行状态：有功功率值、无功功率值和功率因素。然后开始下一个稳态测试。当系统到达另一个稳态时，会再次锁定并保存新节点的运行状态。保存一系列运行状态记录的目的是为下一步的瞬态测试做好数据方面的准备。稳态测试完成后，系统会记录一些关键的测试数据点。在瞬态测试中，不是按照顺序对这些保存的点进行测试，而是根据测试需要随机测试。

历史数据和报告处理

历史数据查询有助于重现测试过程，分析测试中出现的问题。它是系统测试的一个重要分析和查询工具。在图7中，绿色的曲线是目标值，红色的曲线代表发电机输出的实际值。每次测试的结果都会生成一份测试报告，并导出为Excel格式，方便打印和记录。报告工具对于满足这类功能要求来说很实用，开发人员不必再花费资源去开发报告功能了。

系统集成

为了方便运输和便于在码头进行测试，我们需要应对严苛的集成系统设计挑战。因此，我们选择了集装箱式的系统集成设计策略，这种设计便于运输，因为大多数船厂和码头都有集装箱起重机，可以轻松地将系统放到货车上。集装箱式的设计同样考虑到了防水性，可以保护内部的电子设备在潮湿和多雨的环境中不受侵蚀，从而延长系统的使用寿命。

节省时间和资金

使用LabVIEW开发平台和模块化的CompactRIO数据采集模块，帮助我们的开发人员快速构建了一个用于数据采集、处理、分析、显示和存储的系统，使他们能够专心设计功能和算法分析，节省了宝贵的系统开发时间。模块化的数据采集工具与LabVIEW配合使用，可以轻松实现数据采集、分析和显示等功能。而且该系统高速、高分辨率的数据采集功能为准确的系统控制提供了硬件保证。

作者信息：

Jijun Bai
上海睿游电子科技有限公司