虛擬儀器技術在電氣工程綜合作業中的應用

方春華 張宇嬌 普子恒 智李 蘇攀

摘要：針對電氣工程綜合作業改革，探索了一個能夠靈活完成高電壓實驗的設計思路，將高電壓實驗分成控制系統、高壓產生系統、試品及測量系統組成四部分，并將虛擬儀器技術應用于控制系統及測量系統，設計出了八個任務模塊，可供學生靈活自主選擇模塊聯合進行綜合作業。

關鍵詞：虛擬儀器；高電壓；綜合作業

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）17-0059-02

一、引言

三峽大學電氣與新能源學院是湖北省試點學院，是“教育教學改革特別試驗區”，全院人才培養體制改革為核心。改革具體措施是以人才培養方案為直接體現，以學生為主體，凝練教學內容，優化課程結構，改變教學模式。而綜合作業是改革的主要舉措之一，綜合作業以綜合為主要特征，從學生的興趣和社會需要出發，融合各學科的特點，精心設計，要求學生完成探索性、實踐性和整體性較強的跨學科作業，以提高學生素質，更好地達到培養目標。

具體實施時，綜合作業就是由學生根據實驗目的，在理解實驗原理的基礎上，靈活運用知識和技能，進行的創造性思維和實驗活動。電氣工程的綜合作業涉及到包括高電壓技術、電力電纜、高電壓絕緣技術等在內的十幾門電氣專業課，這些課程的實驗大部分都是高電壓實驗相關。如何改革高電壓實驗的設計方式成為綜合作業該給成敗的關鍵。本文首先分析了傳統高壓實驗的特點[1-3]，然后將高壓實驗設備細分，結合綜合作業的特點，將虛擬儀器技術靈活地應用到電氣工程的綜合作業設計中。

二、電氣工程實驗教學的現狀

三峽大學電氣與新能源學院開設有包括高電壓技術、電力電纜、高電壓絕緣技術等在內的十幾門電氣專業課，涉及到的高壓實驗有數十種，包括絕緣子、變壓器、絕緣油的耐壓實驗、GIS的局部放電實驗等。常規的實驗教學模式是以老師操作實驗設備學生觀看為主，此種教學模式實驗方案固定，學生參與度低，無法提高學生的自主性和積極性，更無法適應電氣工程的綜合作業改革目標。

高壓實驗設備結構圖如圖1，由控制系統、高壓產生系統、試品及測量系統組成。

控制系統的硬件主要由工控機、PLC、繼電器及開關組成。高壓產生系統主要由變壓器、調壓器組成，這部分設備電壓等級高，往往直接由電力系統針對電力設備的實驗裝置改裝而來，體積龐大且造價昂貴，設備數量有限，難以保證每一個學生都能進行實驗操作和靈活組合設計，不符合綜合作業靈活性的特點[4]。

試品包括絕緣子、變壓器、絕緣油、短路器、避雷器等高壓設備。測量系統的硬件組成主要為分壓器、互感器、電流傳感器、電腦、采集卡、高性能示波器、頻譜分析儀等。高壓信號經分壓器、互感器變成小電壓信號后進入可以自主編程的測量裝置。

高電壓實驗的控制系統及測量系統具有較高靈活性，具備綜合作業的基礎。為此，在實驗對象選定的情況下可通過高壓控制系統的綜合設計及高壓測量系統的綜合設計讓學生完成自主創新設計實驗。

三、高壓控制系統的綜合設計

高壓實驗的控制系統主要由工業控制計算機、PLC、繼電器等組成，涉及到PLC控制、信號測量、繼電器動作等多方面的知識。而PLC是整個控制系統的核心，調壓器升降壓、電壓測量及過流保護等功能都是通過控制PLC實現的。

高壓控制系統的綜合設計以Mitsubishi公司FX2n系列PLC作為主要控制單元，設計四個方面的模塊：LABVIEW函數接口PLC模塊，高壓實驗虛擬人機控制界面模塊，高壓數字信號的輸入輸出模塊，高壓模擬信號的輸入輸出模塊。

1.LabVIEW函數接口PLC模塊：LabVIEW支持用于不同自動化設備間信息交換的面向過程控制OLE（OPC）。利用面向NI LabVIEW的Modbus函數庫或者DSC模塊中內置的Modbus I/O服務器，可以使用任何以太網或串口作為一臺Modbus TCP或Modbus串行的PLC。通過LabVIEW函數接口PLC模塊，學生可快速學會如何通過軟件控制PLC動作。

2.高壓實驗虛擬人機控制界面模塊：利用虛擬儀器軟件開發一個具有交互功能的高壓實驗控制界面，實際控制高壓設備動作，極大提高了學員實際操作的能力，同時為學員提供一個自主創新的環境。

3.高壓數字信號的輸入輸出模塊：高壓開關分段與閉合，高壓斷路器的分閘與合閘在高壓測量上均屬于開關信號。利用虛擬儀器軟件實現控制PLC測量或輸出數字信號對加強了學生對高壓信號與弱電信號的關系，讓學生更深刻理解了高壓設備的原理及高壓數字信號的基本概念。

4.高壓模擬信號的輸入輸出模塊：高壓實驗中模擬信號較多，有調壓器電壓電流、變壓器電壓電流等，通過開發基于虛擬儀器軟件的PLC測量或輸出模擬信號軟件，讓學生理解高壓信號轉換為低電壓信號基本設備和方法。

通過人機界面實現人機對話并在控制PLC輸出、測量信號實現高壓實驗的控制及保護功能，使學生綜合實驗的能力得到較大提升。但考慮到人身和設備安全，預先開發安全控制模塊同學生的綜合作業進設計接口以保證所有控制參數的合理性。

四、高電壓測量系統的綜合設計

高壓實驗中分壓及衰減設備型號有限，可將NI公司的USB數據采集器、DPO4054示波器、av4033頻譜分析儀作為主要的單元，共設計四個模塊：硬件采集模塊、接口模塊、數據濾波模塊及數據分析模塊。

1.硬件采集模塊：高壓實驗需要監測高壓試品各方面的信號，最主要的是試品電壓和電流信號，特別是電流信號，并不一定是50Hz頻率，需要根據綜合作業的目的靈活選擇硬件種類，USB數據采集器需要編寫程序設定采集器的參數如采樣率等，DPO4054示波器、av4033頻譜分析儀需要通過接口從儀器中提取數據。

2.接口模塊：硬件不同，接口形式也不同，存在USB、PCI、RS232及網口等多種接口形式，而LabVIEW VISA是應用于儀器編程的標準I/0應用程序接口，是工業界通用的儀器驅動器標準API（應用程序接口），采用面向對象編程，具有很好的兼容性、擴展性和獨立性。可用一個API控制包括VXI、GPIB及串口儀器在內的不同種類的儀器支持多平臺工作、多接口控制，是一個多類型的函數庫。在LabVIEW中編寫的VISA接口程序，當外部硬件設備變更時，只需要更換接口模塊即可使用，豐富的接口，虛擬儀器快速的開發環境為學生提供了自由發揮和自主設計的開闊空間。

3.數據濾波模塊：由于現場高壓的干擾，測量到的泄漏電流波形有較多的高頻干擾成份，為此，對所采集到的信號進行濾波、去噪等信號處理顯得尤為重要。針對不同的信號和不同頻率的干擾信號，采用不同的線性濾波方法和非線性濾波方法，學生可通過處理實際的波形信號實現對學生靈活運用數學能力的考察。LabVIEW具有大量的數字濾波函數和交互式工具，方便學生快速實現濾波功能，通過數據濾波模塊的練習，可讓學生深刻理解到高壓信號的特點及高壓測量特殊之處。

4.數據分析模塊：高壓實驗中試品上溫度、電壓、電流信號均可表征試品絕緣狀態的變化。如試品上的電壓突然降低表征其絕緣已完全被擊穿，電流較小說明試品絕緣狀態良好。針對不同的試品及綜合作業任務不同，需靈活開發不同的分析程序。數據分析模塊能讓學生較好的理解高壓設備的不同狀態，獲得高壓設備狀態評價的基本理論和方法。

通過采集界面模塊實現人機對話并在控制采集硬件工作，獲取電壓電流信號后對信號進行數據濾波處理然后存儲分析數據，獲得實驗結果，高電壓測量系統的四個模塊構成了一個完整的系統又不缺靈活性，有利于高電壓測量系統的綜合設計。

五、總結

利用虛擬儀器軟件（LabVIEW）建立多個高壓實驗的任務模塊，提高學生實際動手能力，在充分利用現有高壓實驗設備的基礎上較好地完成了電氣工程綜合作業改革任務，有利于增強學生綜合設計和實踐創新的能力。

參考文獻：

[1]張紹榮.論虛擬實驗平臺構建的必要性[J].教育教學論壇，2015，（31）：259-260.

[2]劉麗娜，張寶峰，韓芳芳.《專業綜合實驗》教學改革的探討[J].教育教學論壇，2011，（23）.

[3]倪志勇，汪燕萍，張樺，曲延英.采用多種教學方法提高生物化學教學質量[J].教育教學論壇，2014，（39）：78-79.

[4]馮德仁.高電壓技術課程實驗教學探索[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2013，39（1）：108-109.