發電機測試平臺的設計與實現

馬 沖

（昆明船舶設備研究試驗中心，昆明 650051）

某交流發電機作為先進動力裝置的主要供電來源，為裝置內部各系統或裝置附件供電。發電機由定子、轉子、端蓋、軸承等部件構成，由動力裝置直接驅動轉子在定子中旋轉，做切割磁力線運動，從而產生感應電勢，通過定子上獨立的4套3相電樞繞組引出至回路，實現電能供給。

目前，此類發電機的性能測試臺，普遍采用基于PCI/CPCI/PXI/VXI總線測控系統+試驗臺架+傳感/變送器+其它輔助設備的方式進行專門研制[1-2]，存在成本高、通用性低、擴展性不強等缺點。本文采用DCS完成對測試平臺及被測發電機的測量與控制，基于Modbus和CAN混合通信總線技術，設計了星型測控網絡，實現了以數據信息交換為核心的傳輸控制模式。

1 測試平臺設計

測試平臺由拖動單元、電機驅動與負載單元、潤滑油輸控單元、油氣潤滑單元、數據采集及測試單元、環境模擬單元、操作控制單元及接口單元8個部分組成，其拓撲結構如圖1所示。

（1）拖動單元：由試驗臺架、拖動電機、拖動軸、轉接座等組成，通過控制拖動電機驅動發電機工作。

圖1 測試平臺拓撲結構Fig.1 Toplogy of test bench

（2）電機驅動與負載單元：對拖動電機進行控制，提供發電機工作負載。

（3）潤滑油輸控單元：控制潤滑油的溫度、壓力及流量，完成潤滑油的輸送和回收。

（4）油氣潤滑單元：完成拖動電機、轉接座的冷卻及油氣潤滑。

（5）數據采集及測試單元：完成測試平臺和被測電機工作參數的數據采集處理；控制電氣設備為發電機缺相、短路等測試提供條件。

（6）環境模擬單元：模擬被測電機單項或聯合測試時的環境溫度和氣壓。

（7）操作控制單元：測試平臺的人機交互接口。

（8）公共測試接口：可變規模的智能適配接口，實現現場級各測控單元間的強/弱電連接，信號調理、集中及轉接。

2 DCS設計

DCS對測試平臺及發電機進行參數測量、控制和監視，完成發電機各種單項或聯合試驗時的流程控制，測試平臺各組成單元在測試程序集TPS（test programming set）的統一調度下協調工作。

如圖1所示，DCS自上而下由監控級、控制級和現場級組成[3]，監控級與控制級之間通過Lan連接，主要實現廠級實時監控和數據遠端回放；控制級和現場級通過混合通信網絡把相應的設備連接在一起，控制級提供人機接口，承擔圖形化顯示、試驗流程編制、過程控制、系統配置和參數在線調整等任務；現場級根據控制級的數據流和命令，完成試驗現場的數據采集、傳感監測、試驗環境（拖動電機轉速、滑油流量/壓力、環境溫度/氣壓等）的實時控制及轉階段控制。

2.1 控制節點設計

DCS主要的控制節點及硬件配置如下。

（1） 工控機： 研華 IPPC-6192A，19＂SXGA TFT LCD觸摸屏；Intel Core2 Q9400處理器；4 G內存，500 G硬盤；雙口10/100/1000M以太網卡；2×PCI插槽，安裝研華PCI-1622C多功能串口卡（8個RS422/RS485端口，128 Byte FIFO）和凌華PCI-7841雙口CAN通信卡；DCS主控制節點，位于操作控制單元。

（2）數碼顯示陣列：捷通CMD4A2型3位半顯示儀表，通信控制，位于操作控制單元。

（3）控制陣列：研華 ADAM-4056SO，12 通道隔離數字輸出，隔離電壓 5000VDC，輸出電壓（10～35）VDC，負載電流1A/每通道；主要進行繼電器控制，位于操作控制單元、數據采集及測試單元。

（4）DI監測陣列：研華 ADAM-4051，16 通道隔離數字量輸入，隔離電壓2500VDC，支持干節點或濕節點輸入，輸入電壓（10～50）VDC，位于操作控制單元、數據采集及測試單元。

（5）數據采集組件：基于DSP+FPGA設計，由4塊數字信號處理及通信板，4塊模擬信號調理板，母版和電源組成，數據采集速率4 MSa/s，14位分辨率，完成被測電機各繞組相電壓、線電壓、相電流、各相頻率、溫度等參數和拖動單元振動、扭矩等參數的測量，位于數據采集及測試單元。

（6）潤滑油控制組件：基于西門子S7-200小型PLC設計，完成潤滑油溫度、壓力控制，位于潤滑油輸控單元。

（7）電機控制組件：驅動電機啟停控制、速度控制及應急控制，位于電機驅動與負載單元。

（8）環境控制組件：控制試驗溫度、升/降溫梯度和氣壓，位于環境模擬單元。

2.2 軟件設計

DCS各單元的正常工作，依賴綜控軟件的控制來實現，通過對試驗單項或聯合試驗內容的任務分解及抽象，編制測試流程，并在此基礎上完成DCS各單元在試驗各階段的功能配置和調度，進行過程控制、數據分析顯示、應急處理和報表生成，從而實現對發電機測試。

綜控軟件采用層次結構+模塊化+系統數據庫方法進行設計，以增強軟件柔性、通用性和擴展性[4]。軟件功能設計如圖2所示。

圖2 綜控軟件功能結構Fig.2 Software function structure

遠程監控軟件是綜控軟件的簡化版，與綜控軟件建立通信連接后，實現試驗數據實時監測、歷史數據管理及調取回放、報表查看等功能。

3 關鍵技術

3.1 試驗流程設計

試驗流程分為格式流程和自定義流程，試驗流程設計框圖如圖3所示。具體內容：

（1）試驗內容固定，每個試驗階段的轉速、環境溫度/氣壓、滑油溫度/壓力、繞組狀態（缺相/短路/正常）、試驗時間等試驗條件已知，則將該試驗流程固化為格式流程，且用戶不可更改。格式流程與某一單項試驗相關，經用戶選擇后，軟件自動運行，格式流程設計充分考慮了操作的方便性，降低用戶使用難度。

（2）兼顧可能新增的測試需求，將試驗要素與單項試驗分離，抽象為若干試驗段，用戶以試驗段為單位，設置每個試驗段的試驗要素，自定義流程與具體的單項試驗無關。顯然，用戶可以使用自定義流程編制與格式流程一致的單項試驗，也可以略作微調，實現試驗任務的靈活配置。自定義流程以數據形式存儲于系統數據庫；試驗時，軟件自動依次讀取試驗段數據，逐項進行試驗。

圖3 試驗流程設計框圖Fig.3 Block diagram of test process

3.2 測控網絡設計

Modbus是OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協議，它在連接不同總線或網絡的設備之間提供主/從節點控制或客戶機/服務器通信，細分為在串行鏈路上的Modubus/RTU和在以太網上的Modbus/TCP[5]。

本文基于Modbus和CAN總線技術，進行DCS的星型測控網絡設計，如圖4所示。

圖4 測控網絡設計Fig.4 Design of measurement and control network

（1）在串行鏈路上，均使用Modbus/RTU傳輸協議，物理接口為RS485兩線制接口，波特率9600b/s，8個數據位，1個停止位，無校驗，同時為降低信號的反射和回波，通信兩端配置120 Ω終端電阻。工控機作為主節點，其它設備、儀器或組件作為從節點。

由于部分混凝土結構是根據規范規定的配筋率要求來確定鋼筋，如果這些配筋都使用高強鋼筋，將造成極大的浪費。因此，在進行結構設計時，應根據所需要的強度，合理選用相應規格、型號的鋼筋，做到物盡其用。

（2）在局域網（LAN）中，網口 1 使用 Modbus/TCP報文傳輸協議，實現工控機與環境控制組件的客戶機/服務器通信，其中工控機作為客戶機，環境控制組件作為服務器響應工控機的數據請求；網口2使用UDP協議，實現工控機與監控終端的客戶機/服務器通信，其中監控終端作為客戶機，工控機作為服務器響應監控終端的數據請求，完成試驗數據的實時傳輸和歷史數據的在線共享。

（3）工控機與數據采集組件之間采用CAN2.0B協議進行通信，波特率為1 Mb/s，29位擴展幀格式，數據采集組件根據工控機的控制/查詢指令，完成數據采集、信號調理和分析計算后，向工控機實時循環發送各參數數據。

（4）考慮系統維護和擴展，串口及CAN均有備用端口。

3.3 信息傳輸控制

DCS以通信協議為核心，以測控網絡為基礎，以數據流為橋梁，進行信息傳輸控制設計，實現以信息操控代替信號操控。

Modbus協議已詳細規范了讀/寫線圈、讀/寫寄存器等各類操作，無需制定通信協議，但由于本文使用RS485作為Modbus/RTU傳輸協議的硬件接口，受限于RS485半雙工差分傳輸的特性，有可能導致通信不暢，因此有必要進行信息傳輸策略設計，保證信道暢通。

（1）針對數碼表顯示陣列，12塊數碼表均分為兩組由串口1和串口2進行控制。以串口1為例，在9600 b/s的波特率下，單塊數碼表接收指令、完成顯示并應答的時間約55 ms，8塊數碼表完成數據寫入的時間約440 ms，滿足數據刷新速率不大于500 ms的要求。因此設定500 ms節拍器，采用單表應答后按表地址順序操作的方法進行控制，若某塊數碼表未應答寫入操作，則本次循環結束，等待下一個節拍周期觸發時，重新從數碼表地址1順序寫入數據，若在多個周期內，均不能完成所有數碼表的數據更新，則報警，以此提高偶發通信故障的容忍度，保證試驗流暢。串口2與之類似。

（2）針對DIO陣列，時序控制則相對嚴格，如圖5所示。現有5個DO模塊和2個DI模塊共7個從節點串聯接入串口4，模塊地址根據物理位置順序設定。正常工作時，設定500 ms節拍器，順序讀取模塊DIO狀態，并判斷是否符合試驗條件；試驗轉階段時，中斷讀取操作并延時，控制DO模塊輸出后恢復讀取，保證信道暢通，串口3與之類似。

圖5 DIO陣列信息傳輸Fig.5 Information transmission of DIO array

本文參考Modbus協議，設計工控機與數據采集組件之間的通信協議，以ID號標識數據采集組件內部的4塊數據信號處理及通信板，以擴展幀作為傳輸載體，每幀8個字節，前兩個字節標明幀類型（查詢、命令等），后6個字節包含具體數據內容。

3.4 公共測試接口設計

某型發電機及其衍生型號產品除繞組數量和轉子內徑不同外，工作原理和測試需求一致，因此，測試平臺通過公共測試接口實現對多型發電機試驗測試[6]。

公共測試接口采用模塊化、組合化設計，主要模塊包括平臺測試參數模塊、繞組測試參數模塊、負載模塊、DIO模塊等。各模塊采用統一的機械、電氣和邏輯接口，實現信號轉接、集中和互聯，與模塊連接的通信、動力和信號電纜同芯同定義，以滿足通用性要求。

4 結語

本文提出的測試平臺設計方案，既能滿足對某型發電機的功能調試和性能驗證需求，又能通過更換轉接座或組合公共測試接口，兼顧其衍生型號分裝式發電機的測試需求，避免了重復投資。現已對3個型號，70余臺發電機，開展了約40余項專項試驗工作。實際工程應用證明，測試平臺可對轉速小于40000 r/min，繞組數量小于4套，輸出線電壓/相電壓小于500VAC，直流電壓小于1000VDC，頻率小于5 kHz的分裝式發電機進行多功能可靠測試。

[1] 楊魯峰，曾嶸，王敏華，等.某型航空發動機試車測控系統[J].測控技術，2012，31（8）：137-139.

[2] 趙旭東，雷勇，王志鵬.基于VXI總線的某型渦軸發動機測試系統設計[J].測控技術，2011，30（1）：39-41.

[3] 張楨，牛玉剛.DCS與現場總線綜述[J].電氣自動化，2013，35（1）：4-6.

[4] 呂偉，樊丁，緱林峰.某型航空發動機控制器試驗臺PXI測控系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2010，18（2）：252-254.

[5]GB/T 19582.1-2008.基于Modbus協議的工業自動化網絡規范[S]，2008.

[6] 張科，陳之光，田海寶.綜合測試與故障診斷一體化平臺研究與設計[J].計算機測量與控制，2013，21（10）：2634-2637.■