移動(dòng)式考核測試系統(tǒng)研制

焦開洲 高恒

摘 要：針對電源系統(tǒng)研制過程中存在的輸出信號不理想而無法回顧過程數(shù)據(jù)的問題，以及電源考核過程中存在的數(shù)據(jù)記錄不及時(shí)、精度不一致，并且連續(xù)考核過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，記錄有可能出錯(cuò)等問題，提出開發(fā)一種移動(dòng)式考核測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按統(tǒng)一精度、統(tǒng)一格式、統(tǒng)一規(guī)范自動(dòng)存儲數(shù)據(jù)，極大地方便了數(shù)據(jù)分析查詢，同時(shí)提高了試驗(yàn)過程質(zhì)量管理能力。

關(guān)鍵詞：電源；LabVIEW；采集系統(tǒng)

中圖分類號：TP274；TN86? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.012

0? ? 引言

電源系統(tǒng)研制過程中常出現(xiàn)IGBT炸裂、電容爆炸、輸出波形不理想等問題，遇到此類問題時(shí)，研究人員通常是通過理論計(jì)算或觀察功率分析儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)來分析解決。為保證系統(tǒng)的可靠性，電源系統(tǒng)研制出來后，需要168 h連續(xù)考核并確保合格后才能投入使用，且考核過程通常需要每2 h記錄一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)后通過數(shù)據(jù)分析電源系統(tǒng)性能。整個(gè)研制考核過程需要人工記錄數(shù)據(jù)，時(shí)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄不及時(shí)、不同人員數(shù)據(jù)記錄精度不一致等問題，并且連續(xù)考核過程需要倒班記錄數(shù)據(jù)，整個(gè)記錄過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還有可能出錯(cuò)。

針對電源研制開發(fā)考核過程中人工記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)致的問題，本文基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺設(shè)計(jì)了移動(dòng)式考核測試系統(tǒng)。該考核測試系統(tǒng)具備以下五個(gè)功能：

（1）實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)按自定義周期自動(dòng)存儲，方便研制過程中回顧試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析解決問題；

（2）實(shí)現(xiàn)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)范存儲，試驗(yàn)數(shù)據(jù)按統(tǒng)一精度精確存儲；

（3）實(shí)現(xiàn)考核過程連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，并通過按日期自建文件夾將數(shù)據(jù)分類，有利于數(shù)據(jù)的整理分析與歸檔；

（4）滿足多臺功率分析儀數(shù)據(jù)同時(shí)記錄需求；

（5）攜帶方便，滿足在不同試驗(yàn)現(xiàn)場應(yīng)用的需求。

1? ? 考核測試系統(tǒng)原理

移動(dòng)式考核測試系統(tǒng)硬件部分主要包含兩個(gè)方面：工控機(jī)和高精度功率分析儀。其中工控機(jī)要求有以太網(wǎng)接口，可以進(jìn)行Modbus TCP/IP通信。高精度功率分析儀也要求有以太網(wǎng)接口，并能進(jìn)行Modbus TCP/IP通信，實(shí)驗(yàn)室采用橫河WT1806e、WT5000等。

圖1所示為測試系統(tǒng)原理框圖，工控機(jī)與功率分析儀通過網(wǎng)線連接[1]。功率分析儀通過專用線纜連接電流鉗采集電源電流，通過線纜接入電源回路采集電源電壓[2]。工控機(jī)安裝LabVIEW2018軟件，LabVIEW是NI公司推出的一種圖形化程序開發(fā)環(huán)境，NI Max是一款測試軟件，用于配置LabVIEW與功率分析儀的通信地址并測試其能否正常通信，NI VISA提供了LabVIEW開發(fā)中所需要的控件庫，方便系統(tǒng)開發(fā)過程中進(jìn)行調(diào)用[3]。

基于LabVIEW平臺開發(fā)考核測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過Modbus TCP/IP通信協(xié)議與功率分析儀建立通信，通過VISA中的讀寫控件讀取功率分析儀中測量得到的數(shù)值[4]，并用字符串顯示控件將數(shù)值顯示到前面板上，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置完成采集周期后，將采集到的數(shù)值實(shí)時(shí)分類存儲到Excel表格中[5]。

2? ? 考核測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

考核測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含通信連接、數(shù)據(jù)采集與讀取、數(shù)據(jù)分類與存儲以及數(shù)據(jù)分析幾個(gè)部分。

2.1? ? 通信連接

基于LabVIEW平臺開發(fā)的考核測試系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議與功率分析儀進(jìn)行通信。在LabVIEW中，采用TCP節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)基于TCP協(xié)議的局域網(wǎng)通信，該節(jié)點(diǎn)在FUNCtiON/COMMUNICATION/TCP下[6]。該節(jié)點(diǎn)分為三個(gè)部分：

（1）連接節(jié)點(diǎn)：用于建立功率分析儀和上位機(jī)之間通信的連接，通過建立功率分析儀和上位機(jī)局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。

（2）傳輸節(jié)點(diǎn)：用于在功率分析儀和考核測試系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)，通過在LabVIEW軟件程序中設(shè)置與功率分析儀一致的IP來實(shí)現(xiàn)。

（3）切換節(jié)點(diǎn)：用于計(jì)算機(jī)IP地址和計(jì)算機(jī)名稱間的切換。

功率分析儀與LabVIEW上位機(jī)通過連接網(wǎng)線建立TCP/IP連接，圖2列出了功率分析儀與LabVIEW上位機(jī)的通信連接流程。首先功率分析儀通過電源線連接到傳感器，采集電源系統(tǒng)的電壓、電流值，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并循環(huán)不斷寫入數(shù)據(jù)，上位機(jī)服務(wù)器連接到功率分析儀后，考核測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取功率分析儀中數(shù)據(jù)，并在前面板中循環(huán)不斷顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)關(guān)閉連接時(shí)，功率分析儀與LabVIEW上位機(jī)通信中斷[7]。

2.2? ? 數(shù)據(jù)采集與讀取

功率分析儀與LabVIEW上位機(jī)通信連接完成后，需要準(zhǔn)確采集與讀取功率分析儀中的數(shù)據(jù)。通過NI VISA控件庫中的VISA寫入和VISA讀取控件來采集和讀取數(shù)據(jù)。按照功率分析儀程序中的語法規(guī)則，輸入相應(yīng)的字符串到VISA寫入控件和VISA讀取控件，即可實(shí)現(xiàn)精確采集與讀取[8]。圖3表示部分?jǐn)?shù)據(jù)采集與讀取的程序框圖，輸入字符串“：NUMERIC：NORMAL：NUMBER 255”，功率分析儀即可寫入前255個(gè)數(shù)據(jù)；字符串“1024”，表示系統(tǒng)讀取1 024字節(jié)數(shù)據(jù)。采用功率分析儀內(nèi)部程序語法，結(jié)合程序框圖中VISA寫入和VISA讀取，通過設(shè)置精度實(shí)現(xiàn)考核測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)精確采集與讀取。

如圖3所示，在程序框圖中加入延時(shí)語句，通過“運(yùn)行周期”數(shù)值輸入控件輸入數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)程序按規(guī)定時(shí)間采集和讀取。再將整個(gè)采集與讀取程序放進(jìn)“While循環(huán)”結(jié)構(gòu)框圖中，即可實(shí)現(xiàn)功率分析儀中數(shù)據(jù)的循環(huán)采集與讀取。

2.3? ? 數(shù)據(jù)分類與存儲

功率分析儀采集與讀取數(shù)據(jù)后，需要按日期將數(shù)據(jù)分類、存儲，該功能在考核測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序框圖中實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

由圖4可知，通過“格式化日期/時(shí)間字符串”控件得到當(dāng)前年月日，通過連接字符串將輸入字符串變量“記錄人”與“.xls”和當(dāng)前日期相連接，得到存儲的Excel表格的命名，例如當(dāng)前日期為2022年9月2日，記錄人為張三，則存儲的Excel命名為“20220902張三.xls”，通過改變?nèi)掌诨蛐薷挠涗浫耍瑢?shí)現(xiàn)不同文件的分類。采用“創(chuàng)建路徑”控件創(chuàng)建相對路徑，實(shí)現(xiàn)Excel數(shù)據(jù)文件存儲到VI程序所在的文件夾中。

2.4? ? 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)存儲到Excel表格中后，在程序框圖中設(shè)計(jì)程序提取表格中數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)波形，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、諧波分析等。圖5所示為數(shù)據(jù)分析部分程序框圖。

3? ? 考核測試系統(tǒng)試驗(yàn)

基于LabVIEW平臺開發(fā)了移動(dòng)式考核測試系統(tǒng)，采用研華一體機(jī)作為上位機(jī)，內(nèi)裝有LabVIEW2018軟件，實(shí)驗(yàn)室采用功率分析儀WT3000采集電源系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖6為考核測試系統(tǒng)試驗(yàn)現(xiàn)場圖片，整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)、功率分析儀、電源系統(tǒng)組成，通過功率分析儀實(shí)時(shí)采集電源系統(tǒng)電壓、電流數(shù)據(jù)，上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取功率分析儀中數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)分類存儲到Excel表格中，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

上位機(jī)前面板界面如圖7所示，界面顯示有6個(gè)通道，并列出了分析電源運(yùn)行性能的幾乎所有數(shù)據(jù)，包括每個(gè)通道三相電壓、三相電流、三相電壓失真度，并顯示有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)和輸出頻率，這些數(shù)據(jù)全部分類存儲在Excel表格中。在功率分析儀和上位機(jī)局域網(wǎng)建立連接完成后，采用NI Max軟件配置LabVIEW與功率分析儀的通信地址并測試其是否能正常通信，然后點(diǎn)擊界面“通信協(xié)議”下拉，選擇通信IP地址，隨后設(shè)置“運(yùn)行周期”，填寫“記錄人”，最后點(diǎn)擊界面運(yùn)行箭頭，系統(tǒng)開始運(yùn)行。存儲數(shù)據(jù)則需要點(diǎn)擊布爾控件“保存數(shù)據(jù)”，運(yùn)行數(shù)據(jù)保存在“保存路徑”方框文件路徑中。

數(shù)據(jù)分析界面如圖8所示，采集系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需求，對電壓、電流、電壓失真度等進(jìn)行數(shù)值分析。通過試驗(yàn)可知，考核測試系統(tǒng)完整記錄分析了電源考核過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為分析電源系統(tǒng)性能提供了保障。

LabVIEW上位機(jī)與功率分析儀集成在移動(dòng)小車中，移動(dòng)方便，極大地方便了電源系統(tǒng)各個(gè)輸入/輸出量的測量。移動(dòng)式電源考核測試系統(tǒng)可以應(yīng)用于專用電源研制的各個(gè)環(huán)節(jié)，方便顯示、記錄、存儲與分析數(shù)據(jù)，為研制高性能專用電源提供了數(shù)據(jù)支持，提高了專用電源系統(tǒng)研制效率。

4? ? 結(jié)論

本文在分析移動(dòng)式考核測試系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括通信連接、數(shù)據(jù)采集與讀取、數(shù)據(jù)分類與存儲以及數(shù)據(jù)分析等，并進(jìn)行了試驗(yàn)測試，試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

移動(dòng)式考核測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)存儲，能夠記錄試驗(yàn)中的過程數(shù)據(jù)，便于分析解決問題，并實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按自定義周期存儲，能在考核過程中按一致精度連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，并通過按日期自建文件夾將數(shù)據(jù)分類，有利于長時(shí)間考核過程中整理、分析與歸檔數(shù)據(jù)，而且攜帶方便，滿足在不同試驗(yàn)現(xiàn)場應(yīng)用的需求。

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收稿日期：2023-04-26

作者簡介：焦開洲（1989—），男，湖北大冶人，碩士研究生，工程師，研究方向：專用電源研制。

高恒（1989—），男，河北昌黎人，工程師，研究方向：專用電源研制。