基于虛擬儀器的小型柴油發電機組測控系統研究

龔立雄 程雙勝 楊明忠 文淑容

（1. 武漢理工大學機電學院，武漢 430070； 2. 中國船舶重工集團公司第712研究所，武漢 430064； 3. 湖北省產品質量監督檢驗研究院，武漢 430061）

1 引言

小型柴油發電機組主要應用在無市電供應及需要不間斷供電的地方，如電信、電力和廣播電視系統的機站和機房。當市網停電時，機組必須立即啟動，為企業提供所需電力。另外，艦船上的船舶電力系統也主要由柴油發電機供電。這些電力系統的機房多位于高山、深林和海洋，地處偏僻、環境惡劣。因此，對這類發電機組實現計算機自動監控和管理顯得十分必要。小型柴油機組電力系統一般由發電系統、輸配電系統和負載系統等組成。柴油發電機組作為電力系統的核心部件和關鍵設備，其狀態監測系統用于向整個電力系統提供實時數據，供決策部門參考，并可以提高電力系統的安全性和可靠性。對發電系統而言，不僅在設計和制造階段要以提高產品質量和可靠性作為首要任務，而且對其進行實時在線監測和故障診斷也具有十分重要的意義[1,2]。

柴油發電機主要由柴油機、發電機和監控系統組成。其中，柴油機是柴油發電機的動力部分，發電機則是以三相交流同步發電機為主，主要由定子、轉子和端蓋三部分組成。通常三相交流同步發電機的電樞繞組與三相電網連接，勵磁繞組與直流電源連接。其發電機組的測試系統主要負責機組運行指標參數的狀態監測、控制和自動保護等[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的測試系統因缺乏靈活性和穩定性，測控速度慢，難以對故障或不正常運行狀態進行正確的判斷，故而很難適應現代化發展的要求[4]。

隨著現代傳感技術和信息技術的發展，計算機在自動化領域的應用越來越廣泛，監控系統正向綜合化、集散式多微機測控系統的方向發展。虛擬儀器的出現，改變了傳統的測量模式，使得測試系統由松散的、不兼容的測量模式變為功能強、測試精度高、速度快、自動化程度高、人機界面優異、靈活性強的自動測試系統[5]。本文基于虛擬儀器技術設計和開發了小型柴油發電機組的測控系統，利用圖形化和可視化的測試軟件LabVIEW作為開發平臺，來監測船舶柴油發電機組的運行狀態，采集數據并進行處理、存儲、顯示。實驗證明了該系統具有很好的靈活性和準確性。

2 小型柴油發電機組測控系統的結構

2.1 虛擬儀器硬件平臺的構建和選擇

目前主流的虛擬儀器硬件平臺主要包括PC-DAQ系統、GPIB系統、串口系統、VXI系統和PXI系統[6]。其中PXI是以標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件組成的虛擬儀器測試系統，是 PCI在儀器領域的擴展（PCI Extension for Instrumentation）。它將 CompactPCI規范定義的PCI總線技術發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。制訂PXI規范的目的是為了將臺式PC的性能價格比優勢與PCI總線面向儀器領域的必要擴展完美地結合起來，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺[7,8]。從總體的性價比、易用性和測量要求方面綜合考慮，該虛擬儀器測試平臺采用了PXI系統作為虛擬儀器的硬件平臺。

在虛擬儀器測試平臺的設計中，采用PXI-1000B機箱、PXI-8174嵌入式零槽控制器作為系統的基礎硬件平臺，在機箱插槽中安裝多功能數據采集卡 PXI-6025E，另外加上信號調理機箱 SCXI-1000，構成了完整的虛擬儀器測試系統工作平臺。其主要組成部分的配置參數如下：

（1）PXI-1000B機箱：高性能8槽機箱，有可拆卸交流與直流電源選項，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內存，帶串口1個、配有并口、USB接口2個、PS/2鼠標鍵掀連接、PXI觸發總線輸入及輸出、20 GB硬盤驅動器，可以安裝Windows 2000系統或XP系統；

（3）數據采集卡 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）信號調理器機箱 SCXI-1000：四槽，SCXI-機箱為SCXI模塊提供電源，并負責SCXI系統和 DAQ設備之間的信號連接。SCXI-1100信號調理模塊，32路多路復用，信號范圍為±10 V電壓信號，4～20 MA電流信號。

2.2 小型柴油發電機組測控系統組成

該小型柴油發電機組測控系統由測試和監控兩個部分組成。其測試部分基于虛擬儀器硬件平臺，用于信號采集和處理。其底層控制部分采用凌陽16位單片機SPEC061A ，它的CPU內核采用凌陽推出的16位微處理器芯片。它與柴油發電機組一起組成直接數字控制系統，完成對柴油發電機的啟動、停機、怠速運行、報警、參數監測等多種控制。該柴油發電機組測控系統總體結構如圖1所示。

該測控系統底層控制級和工作站（上位機）之間通過 RS-485通訊網絡連接。軟件協議采用支持 RS-485網絡的 Modbus工業通訊通信協議[9,10]。整個測控平臺通過前端傳感器將各種測量信號轉化成4～20 mA的標準電信號，經通信網絡傳至PXI-6025E數據采集卡，然后經采樣、保持、放大、單位匹配標定后由 PXI174控制器進行分析和測試，在工作站計算機上實時顯示和處理。如出現異常則會自動報警，通過既定程序和底層單片機控制系統實現自動保護。采用 Datasocket技術把采集測得的數據和信號傳送給局域網中的其它計算機，實現網絡和異地實時監控功能。

圖1 柴油發電機組測試系統結構

3 基于LabVIEW的柴油發電機組測控系統軟件設計

3.1 軟件設計的總體方案

柴油發電機組測控系統的軟件采用美國National Instruments（NI）公司推出的基于圖形化編程語言的開發環境 LabVIEW 軟件，它采用面向對象的方法和概念，其對象、框圖及其構成的虛擬儀器在Windows、Windows NT、UNIX等平臺之間和各種 PC機及工作站間兼容，便于移植，而且具有豐富的庫函數和例子，便于快速開發。

整個測控系統應用程序采用模塊化的編程思想，根據功能可劃分為若干個子模塊，可根據需要創建自行設置預報警參數、狀態保存、打印、幫組系統、數據采集和調用等模塊。 在設計中遵循由上至下的設計方法，根據系統的總體需求，將系統劃分若干功能模塊，在設計過程中將各功能模塊聚集在一起，最后用一個主界面實現各個子模塊間的調用。根據設計，該測控系統軟件主要由實時測試系統、實時控制系統、網絡功能模塊、數據模塊、參數設置等模塊組成，如圖2所示。

3.2 軟件設計

3.2.1 柴油發電機組測控系統主界面設計

圖2 柴油發電機組測控系統功能模塊

根據總體設計方案，系統采用 LabVIEW8.6軟件設計，在整個程序的設計中，首先完成各個子功能的設計，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。柴油發電機組工作后，該系統能在運行狀態下監控柴油機組的轉速、油壓、油溫、水溫和發電機組的相電流、相電壓、線電壓、頻率等參數。系統可以設置系統報警參數，當遇到異常時自動報警，并根據實際情況采取進一步的保護措施。

3.2.2 小型柴油發電機組實例驗證

基于虛擬儀器的小型柴油發電機組測控系統在實驗室進行了實機調試和實時監控，成功地實現了對三臺柴油發電機組的現場和遠程監控以及測試。柴油發電機組的型號為TFX-180S4-H，額定轉速：1500 r/min，額定功率：12 kW，頻率：50 Hz，相數：三相。圖4為測控系統實測運行界面。

圖3 小型柴油發電機組主界面程序框圖

圖4 測控系統實測運行界面

運用傳統儀器對該柴油發電機組的參數進行測試，通過對比，發現基于虛擬儀器的測控系統監控所得的機組運行參數和傳統儀器測量數據一致，誤差在 1%以內。實例驗證表明基于虛擬儀器的測控系統穩定、可靠，其界面友好、可視化程度高。這種基于虛擬儀器技術和網絡手段以及底層單片機控制有機結合起來的方法，是開發智能化測控系統的有效手段，具有很強的理論價值和工程實用價值。

4 結束語

虛擬儀器技術和 LabVIEW 軟件廣泛地應用于測控領域。本文系統地闡述了柴油發電機組的結構，并構建了一個基于虛擬儀器的小型柴油發電機組測控系統。該系統能夠實時監控和在線檢測柴油發電機組的運行參數。同時，該系統采用模塊化的設計思想，與傳統儀器構建系統相比，具有很大的靈活性和可擴展性。通過實際測試和驗證，證明該系統具有較高的準確性和可靠性，為設備運行狀態的監測提供了一個新的方向。

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