基于Labview的電功率加載試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)

萬鸞飛，程克林，吳健，陳秀琴，陳光

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣系，安徽 蕪湖 241000；2.河北鋼鐵集團(tuán)承德分公司 自動(dòng)化管控中心，河北 承德 067002；3.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

1 引言

Labview是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司推出的圖形化開發(fā)環(huán)境。依托豐富的硬件資源，其在數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器領(lǐng)域有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。近年來，NI公司不斷推出Labview的升級(jí)版本，使Labview越來越具備通用編程語言的特點(diǎn)，與C＋＋，VB，Delphi語言并駕齊驅(qū)。

電功率加載試驗(yàn)臺(tái)是電氣傳動(dòng)自動(dòng)化的典型應(yīng)用，其可靠、高效、節(jié)能的特點(diǎn)使其成為當(dāng)今加載試驗(yàn)臺(tái)方案的主流。近年來，用戶對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)提出了越來越高的要求，也逐漸凸顯了常用工控組態(tài)軟件的局限性。

由于Labview是一種編程語言，相對(duì)于工控領(lǐng)域應(yīng)用較廣的 WinCC，iFix、組態(tài)王等組態(tài)軟件，具有更大的靈活性，更強(qiáng)的軟硬件操控能力，同時(shí)也更易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。在編寫自動(dòng)測(cè)試程序、實(shí)時(shí)曲線顯示、波形存儲(chǔ)回放、報(bào)表生成、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)置等方面，用Labview開發(fā)的測(cè)控程序明顯優(yōu)于工業(yè)組態(tài)軟件。

2 系統(tǒng)方案

驅(qū)動(dòng)和加載控制采用內(nèi)回饋式電功率封閉系統(tǒng)，逆變器都連接到公共直流母線。自動(dòng)化控制系統(tǒng)以西門子公司可編程控制器S7－300為核心，實(shí)現(xiàn)整流逆變裝置的控制和各類邏輯控制與聯(lián)鎖。以NI公司的PXI系列DAQ板卡進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集。以Labview為平臺(tái)開發(fā)可視化測(cè)控程序。

系統(tǒng)單線圖和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)單線圖Fig.1 System line diagram

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 System network diagram

3 Profibus DP通訊

作為整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)交互接口和控制中心，PXI系統(tǒng)控制器不僅要控制本身的信號(hào)調(diào)理和采集，還需要監(jiān)視與控制現(xiàn)場(chǎng)的PLC、遠(yuǎn)程站、傳動(dòng)裝置及其他設(shè)備，這就需要PXI系統(tǒng)具備可靠和高速的工業(yè)通訊能力。

Profibus作為被已廣泛應(yīng)用的工業(yè)通訊協(xié)議，具有方便、可靠并且有較高傳輸速度的特點(diǎn)。通過NI的PXI Profibus通訊接口模塊，PXI系統(tǒng)控制器可以作為主站或從站，連接到DP網(wǎng)絡(luò)。

4 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)為L(zhǎng)abview 2009以及NI專業(yè)開發(fā)工具包。

該程序主要分為以下幾個(gè)基本模塊（如圖3所示）：

1）主控制模塊；

2）數(shù)據(jù)采集處理和邏輯通道設(shè)置模塊；

3）手動(dòng)試驗(yàn)?zāi)K；

4）自動(dòng)試驗(yàn)編輯和控制模塊；

5）動(dòng)態(tài)曲線模塊；

6）數(shù)據(jù)分析模塊；

7）數(shù)據(jù)庫歸檔管理模塊；

8）報(bào)表生成模塊；

9）其他功能模塊。

圖3 程序結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Programme structure

由主控制模塊調(diào)用各個(gè)模塊，每個(gè)模塊的具體功能如下。

4.1 主控制模塊

當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，首先出現(xiàn)的是主控制模塊界面，主界面是一個(gè)總的控制模塊，它運(yùn)行時(shí)一直在循環(huán)等待用戶的操作。界面上設(shè)計(jì)了菜單功能，用戶可以通過菜單選擇需要調(diào)用的子模塊，打開相應(yīng)的應(yīng)用界面。主控制模塊的功能如下。

1）啟動(dòng)時(shí)檢查通訊狀態(tài)，通訊不正常時(shí)提示用戶；2）通過菜單調(diào)用其他程序模塊；3）記錄其他模塊窗口的運(yùn)行位置，下次打開時(shí)在該位置運(yùn)行；4）進(jìn)行系統(tǒng)故障、報(bào)警的判斷，以報(bào)警燈的形式在畫面上顯示，以文字的形式在畫面上記錄每次故障、報(bào)警的時(shí)間、內(nèi)容，并將這些記錄以文件的形式保存在計(jì)算機(jī)中；5）記錄每次試驗(yàn)開始、結(jié)束的時(shí)間，顯示試驗(yàn)已運(yùn)行的時(shí)間；6）急停操作和系統(tǒng)故障復(fù)位。

4.2 數(shù)據(jù)采集處理和邏輯通道設(shè)置模塊

該模塊包括數(shù)據(jù)集中處理和邏輯通道設(shè)置兩個(gè)功能。

系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)以及通過通訊接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)需要和傳感器的情況，要進(jìn)行比例系數(shù)、偏移量等的修正，再在人機(jī)交互界面上顯示和操作。同時(shí)，試驗(yàn)過程中還需要對(duì)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行故障和報(bào)警的判斷。這些工作均在數(shù)據(jù)處理模塊中完成。該模塊在進(jìn)入主程序之后始終運(yùn)行。

各通道正常情況下執(zhí)行缺省設(shè)置的參數(shù)，但為了方便，在邏輯通道設(shè)置模塊中，用戶可以查看或修改比例系數(shù)、偏移量、故障條件和上下限、報(bào)警條件和上下限等參數(shù)，程序自動(dòng)把用戶的修改保存在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)處理模塊將根據(jù)用戶的最新設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.3 手動(dòng)試驗(yàn)?zāi)K

該模塊的主要功能如下：

1）監(jiān)視輔機(jī)狀態(tài)、進(jìn)行輔機(jī)操作、合閘聯(lián)鎖、啟動(dòng)聯(lián)鎖，顯示未滿足的啟動(dòng)條件；

2）作為手動(dòng)試驗(yàn)的主畫面，顯示試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)，如正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、加載轉(zhuǎn)矩、油壓、溫度、流量、故障報(bào)警等；

3）試驗(yàn)啟動(dòng)停止的控制、轉(zhuǎn)向操作、給定值設(shè)定、限制值設(shè)定等；

4）對(duì)于一些關(guān)鍵性的設(shè)定值，用戶可設(shè)定權(quán)限。如果不能輸入正確的密碼，則不能進(jìn)行操作。

4.4 自動(dòng)試驗(yàn)編輯和控制模塊

對(duì)于一些長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、重復(fù)性、循環(huán)性的測(cè)試項(xiàng)目，用戶需要測(cè)控系統(tǒng)具備無人看守試驗(yàn)的功能。通過本程序的自動(dòng)試驗(yàn)編輯和控制模塊，用戶可以靈活地配置試驗(yàn)的過程，程序?qū)⒆詣?dòng)完成針對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等任意控制變量的試驗(yàn)。

自動(dòng)試驗(yàn)編輯模塊為用戶提供了一個(gè)友好的編輯界面，用戶可以打開、新建、保存一個(gè)特定格式的文件，這個(gè)文件中保存了自動(dòng)試驗(yàn)的所有信息。在畫面中，用戶可以設(shè)置需要進(jìn)行自動(dòng)控制的過程變量、給定值、誤差限、過渡時(shí)間、穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，可以給自動(dòng)試驗(yàn)設(shè)定任意形式的循環(huán)嵌套，并給每一個(gè)試驗(yàn)具體過程命名。

編輯好自動(dòng)試驗(yàn)后，即可在自動(dòng)試驗(yàn)?zāi)K中運(yùn)行（見圖4）。對(duì)于每個(gè)自動(dòng)試驗(yàn)程序，系統(tǒng)將按如下規(guī)則進(jìn)行試驗(yàn)。

1）按照用戶的設(shè)置進(jìn)行循環(huán)嵌套試驗(yàn)；2）在每個(gè)具體過程中，先把每個(gè)變量的值和過渡時(shí)間發(fā)送給控制器，當(dāng)達(dá)到過渡時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)開始把每個(gè)變量的反饋值與給定值做比較，如果其差的絕對(duì)值大于相應(yīng)的“誤差限”，則繼續(xù)比較；如果其差的絕對(duì)值小于等于相應(yīng)的“誤差限”，則系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，直到達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間的設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入下一過程（見圖5）。

圖4 自動(dòng)試驗(yàn)界面Fig.4 Front panel of auto－test

圖5 自動(dòng)試驗(yàn)?zāi)KFig.5 Auto－test module

當(dāng)前過程持續(xù)時(shí)間完成的百分比、全部試驗(yàn)預(yù)計(jì)時(shí)間完成的百分比，都以進(jìn)度條的形式顯示在畫面中。

4.5 動(dòng)態(tài)曲線模塊

動(dòng)態(tài)曲線模塊是測(cè)控程序的重要組成部分（見圖6），其主要特點(diǎn)如下。

1）用戶可自由設(shè)置數(shù)據(jù)采樣周期、屏幕數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、曲線數(shù)量、曲線顏色、曲線連接的過程變量、曲線的顯示比例等信息。程序?qū)⒂脩舻脑O(shè)置以文件的形式保存在計(jì)算機(jī)中，并在曲線顯示畫面中按設(shè)置更新。

2）可在同一個(gè)坐標(biāo)系中最多同時(shí)顯示16條曲線，并可根據(jù)用戶需要，無限擴(kuò)展。

3）可進(jìn)行屏幕背景顏色和橫縱向網(wǎng)格的設(shè)置。

4）曲線顯示時(shí)，可通過游標(biāo)讀取所有曲線任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值。

5）可以隨時(shí)保存所有曲線信息到文件，以便日后查看。

6）已保存的曲線文件，可以進(jìn)行回放。回放時(shí)，按照已保存的設(shè)置，可以完全重現(xiàn)動(dòng)態(tài)曲線當(dāng)時(shí)的狀況。

7）用戶可以將回放出來的曲線導(dǎo)出為Excel格式的文件。

圖6 實(shí)時(shí)曲線界面Fig.6 Front panel of real－time chart

4.6 數(shù)據(jù)分析模塊

在測(cè)試進(jìn)行中或者完成數(shù)據(jù)采集后，可以利用Labview功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

測(cè)控軟件的數(shù)據(jù)分析模塊具有多種分析功能：如數(shù)字濾波、統(tǒng)計(jì)分析、曲線擬合、頻譜分析等，以及常用參數(shù)的計(jì)算，如功率、功率因數(shù)等的計(jì)算。

4.7 數(shù)據(jù)庫歸檔管理模塊

測(cè)試過程中，用戶可把采集到的以及經(jīng)過通訊得到的任意數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。既可以選擇手動(dòng)啟動(dòng)、停止歸檔，也可以選擇在試驗(yàn)開始、停止時(shí)，自動(dòng)啟停歸檔。可以設(shè)置數(shù)據(jù)歸檔的采樣周期，也可以手動(dòng)觸發(fā)，采集某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

軟件提供對(duì)已完成的試驗(yàn)進(jìn)行查詢的功能。如查詢?cè)囼?yàn)人員，試驗(yàn)日期，試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的查詢、修改應(yīng)提供保護(hù)，原始數(shù)據(jù)不允許修改，試驗(yàn)報(bào)告僅限有權(quán)限的人員進(jìn)行修改。

4.8 報(bào)表生成模塊

常規(guī)試驗(yàn)各項(xiàng)測(cè)試完成后，可在短時(shí)間范圍內(nèi)完成分析計(jì)算，并生成打印出標(biāo)準(zhǔn)格式的Excel報(bào)表。報(bào)表生成格式可以由試驗(yàn)人員修改定制，以適應(yīng)各種不同的試驗(yàn)和各種報(bào)表格式。

對(duì)于較早期進(jìn)行的試驗(yàn)，只要數(shù)據(jù)庫中存在歸檔，用戶均可隨時(shí)調(diào)用、查看歷史數(shù)據(jù)，并按指定格式生成報(bào)表。

4.9 其他功能模塊

除上述主要模塊外，監(jiān)控系統(tǒng)中還包括其他功能模塊，主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）系統(tǒng)設(shè)置。用戶權(quán)限設(shè)置，用戶登錄密碼的設(shè)置，及其它對(duì)測(cè)控軟件本身的設(shè)置。

2）對(duì)電氣系統(tǒng)的監(jiān)視。以主回路原理圖為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)顯示電網(wǎng)狀態(tài)、配電系統(tǒng)狀態(tài)、斷路器接觸器分合狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行情況、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)等信息。

3）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的監(jiān)視。以圖形的形式完全模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，用戶可以直觀地了解到試驗(yàn)件、電機(jī)、變速箱、泵站、管路等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生異常時(shí)及時(shí)采取相應(yīng)措施。

4）針對(duì)不同測(cè)試項(xiàng)目的控制。在一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，通常要進(jìn)行不同的測(cè)試項(xiàng)目。開發(fā)測(cè)控程序時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)不同的測(cè)試畫面，用戶可以打開某一個(gè)測(cè)試畫面，進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。

5 實(shí)際應(yīng)用及結(jié)論

目前，該測(cè)控系統(tǒng)方案已經(jīng)在軍工領(lǐng)域的某試驗(yàn)臺(tái)中得以應(yīng)用，整流單元只提供試驗(yàn)臺(tái)消耗的能量，約為試驗(yàn)功率的25%（由機(jī)械傳遞效率和試驗(yàn)件效率決定），大大減小了交流側(cè)線電流，降低了整流變壓器的裝機(jī)容量，節(jié)約了投資，同時(shí)達(dá)到了良好的節(jié)能效果。

該測(cè)控軟件運(yùn)行穩(wěn)定，方便靈活，自動(dòng)試驗(yàn)和實(shí)時(shí)曲線均可由用戶自由設(shè)置，突破了普通組態(tài)軟件的局限性，為試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)提供了新思路。

［1］ Rich Bitter，Taqi Mohiuddin，Matt Nawrocki.Labview：Advanced Programming Techniques［M］.2nd Edition.Boca Raton：CRC Press，2006.

［2］ Jeffrey Travis，Jim Kring.LabVIEW for Everyone：Graphical Programming Made Easy and Fun［M］.3rd Edition.Crawfordsville：Prentice Hall，2006.

［3］ 天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

修改稿日期：2011－12－18