電機綜合測試系統采集分析軟件設計*

童陟嵩,李懷珍,2

(1.上海電科電機科技有限公司，上海 200063；2.上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

電機試驗是利用儀器、儀表及相關設備，按照相關的規定，對電機制造過程中的半成品和成品，或以電機為主體的配套產品的電氣性能、力學性能、安全性能及可靠性等技術指標進行測試的檢驗[1]。通過這些檢驗，可以全部或部分的反映被試電機的相關性能數據，通過這些數據，可以判斷被試電機是否符合設計要求、品質的優劣以及預測改進的目標和方向[2]。

傳統的檢測設備和試驗方法，采用人工操作和觀測的方式進行電機試驗。由于操作時間長，需觀測的儀器多，人工讀取測試數據并手工進行數據分析、計算，該方式自動化程度低，工作強度大，耗費大量的人力、物力和時間，在很大程度地影響了電機總體性能的判斷。

目前，國內針對電機測試系統的試驗軟件多為非標設計開發，且大都停留在數據采集階段，缺少相應的數據分析處理能力，支持或兼容的國際通用標準和國家標準比較單一。

本文以Microsoft Visual Studio 2019作為開發環境，采用C#高級語言開發了一套電機綜合測試系統采集分析軟件，實現了電機測試的自動化和數據處理的智能化，提高了電機測試效率，降低了試驗人員的作業強度。

1 試驗系統組成

電機綜合測試系統通常由采集單元、電源單元、控制單元以及數據中心組成，電機綜合測試系統總體結構如圖1所示。

圖1 電機綜合測試系統總體結構

采集單元由機械參量測量轉矩轉速傳感器、電參量測量電流傳感器和功率分析儀、輔助測量用電阻儀等儀器儀表組成，主要功能是完成試驗電機的電參量和非電參量的測量[3]；電源單元由變頻電源、變壓器等構成，用于為試驗電機提供供電電源；控制單元通常采用可編程控制器(PLC)完成系統的自動控制；數據中心則是由以工業控制計算機為中心的電機試驗軟件組成，試驗軟件通過數據總線和服務器及測量儀表(主要有：電參數測量儀、轉矩轉速測量儀、直流電阻儀、溫度巡檢儀等)通信，根據測試需求自動采集試驗數據，如：電壓、電流、功率、功率因數、轉矩、轉速、溫度等，根據試驗項目及相關設置存儲和處理數據，繪制曲線并自動生成試驗報告。采集單元和電源單元是系統最為核心的組成部分，關系著系統的測量精度和試驗效果，而控制單元和數據中心則是系統的靈魂，決定著系統的自動化程度和智能化水平[4]。

2 軟件功能及架構設計

2.1 軟件功能

電機綜合測試系統采集分析軟件功能要求主要包括以下方面。

(1) 系統控制。與PLC及其他可控設備通信，控制系統運行并實時反饋系統運行狀態。

(2) 實時數據顯示。通過通信接口顯示、采集和保存測試儀器的實時數據。

(3) 標準數據庫管理。建立、修改判定記錄，并對測試結果進行自動判定。

(4) 試驗數據管理。可按照電機型號、編號、測試日期、功率范圍、電壓范圍查詢歷史數據，載入數據后，可查看完整的原始記錄、試驗計算報告。

(5) 銘牌信息管理。直接導入數據庫中同型號電機銘牌信息。

(6) 數據圖表。部分試驗項目中需要試驗數據的曲線擬合圖表，數據采集后，曲線會自動調整到最佳的顯示位置。

(7) 硬件故障集中顯示處理。對硬件故障做集中收集和處理，在檢測到故障后，根據故障的程度閃爍不同顏色的警告標志，顯示詳細的故障信息和處理方式。

(8) 報告生成。測試數據新建或載入后，輸出生成Excel報告便于用戶打印、分發。

(9) 運行日志。軟件系統運行過程中會將調試、故障等信息記錄在日志系統中，當系統發生故障時，可通過日志系統遠程協助用戶。

(10) 自動控制。根據設定完成測試流程并根據選擇的判定標準判定測試結果并形成報告。

2.2 軟件架構

根據系統軟件功能要求，設計電機綜合測試系統采集分析軟件架構，如圖2所示。

圖2 電機綜合測試系統采集分析軟件架構

在軟件架構上，電機綜合測試系統采集分析軟件由四部分組成，如下所述。

(1) 數據庫系統。由試驗數據庫和標準數據庫組成，用于完成試驗數據的記錄、存儲以及標準判定。

(2) 通信模塊系統。通過約定協議與試驗系統中儀器儀表以及其他設備通信(如PLC、變頻電源等)，完成數據的交互傳輸。

(3) 業務處理系統。由數據處理、設備控制、報告輸出、系統配置等部分組成，完成系統的數據采集、分析、系統控制、結果輸出等。

(4) 數據呈現系統。由數據報表、數據曲線、設備控制面板等部分組成，完成系統的人機交互。

3 軟件設計與開發

3.1 開發及運行環境

本文利用Visual Studio 2019開發環境中的C#編程語言進行電機綜合測試系統采集分析軟件的開發。系統軟件運行環境如下。

CPU：酷睿i3 2.9 GHz或以上。

RAM：2 GB以上。

操作系統：Microsoft Windows 10及以上版本。

支撐環境：Net Framework 4.8及以上版本;Office 2007及以上版本。

數據庫：Access 2007。

3.2 軟件界面設計

電機綜合測試系統采集分析軟件主界面如圖3所示，主要由四個部分組成。

圖3 電機綜合測試系統采集分析軟件主界面

(1) 主菜單。該按鈕功能為顯示軟件各個功能的菜單，包括用戶登錄、新建測試、查詢記錄、標準數據庫、控制臺、通訊(通信)端口設置、溫度通道設置、儀表選擇、儀器管理等12個菜單項，菜單項如圖4所示。簡要說明如下。

圖4 菜單項

用戶登錄：打開用戶登錄窗口。

最近測試：顯示最近的測試記錄，點擊可打開記錄。

新建測試：打開新建測試窗口。

標準數據庫：打開標準管理頁面。

關閉所有測試：關閉所有打開的試驗。

控制臺：打開設備控制臺窗口。

通訊(通信)端口設置：打開儀表通信端口設置頁面。

儀表選擇：在多儀表情況下，選擇實際采集所使用的儀表。

儀表管理：用于記錄和管理儀器的相關信息，并可以根據需要導出至測試報告。

溫度通道設置：用于配置使用的溫度通道。

關于我們：顯示本軟件的版本信息。

控制臺是試驗系統操作的中樞，典型控制臺設計示例如圖5所示，包括系統和電源的控制、電壓和頻率的設置調節等功能。

圖5 典型控制臺設計示例

(2) 標題欄。顯示當前應用程序名，也包含程序圖標、“最小化”和“最大化”以及“關閉”按鈕，可以簡單地對窗口進行操作，也可選擇修改界面主題顏色。

(3) 實時數據欄。實時數據欄主要為電機測試提供實時的數據，實時數據欄界面如圖6所示，主要包括加載狀態、電參量、機械量、溫度通道。

圖6 實時數據欄

(4) 狀態欄。狀態欄用于顯示系統的登錄用戶信息、報警狀態和系統軟件的版本。

報警狀態通過故障指示器搜集、顯示和處理所有硬件相關的故障信息，如圖7所示。當系統存在故障時，故障指示器會顯示為一個橙色或紅色閃動的感嘆號圖標。橙色表示當前所有故障中最高故障級別為警告級別；紅色則表示為故障級別。

圖7 故障指示器

當將鼠標指針移動到指示器圖標內時，會彈出故障詳細信息窗口，窗口中包含所有未清空的故障信息，如故障時間和詳細故障原因，如果可以通過軟件復位處理的故障，還會顯示對應的處理按鈕。

4 主要功能實現及測試實例

4.1 新建測試

打開軟件測試的主菜單以后，點擊新建測試，會彈出新建測試界面，如圖8所示。測試的電機類型分為三相異步電機、變頻電機、永磁同步電機和船檢測試。點擊主界面的菜單按鈕，選擇“新建測試”單擊鼠標左鍵，跳出新的界面供客戶選擇電機類型，如選擇三相異步電機，點擊“新建”按鈕便成功新建測試界面，直接跳轉進入銘牌信息。

圖8 新建測試界面

4.2 數據查詢

打開軟件測試的主菜單以后，點擊數據查詢，會彈出數據查詢界面，如圖9所示。在此之前創建的所有電機型號中能夠快速找到自己想要查詢的電機型號。點擊界面左上角設置按鈕為菜單，點擊查詢記錄，會彈出查詢記錄的界面包含查詢和載入按鈕，查詢記錄是為了能夠更快地在所有新建測試的電機型號中找到想要查詢的電機型號。

圖9 數據查詢界面

查詢。直接點擊查詢按鈕會出現自己所有的修改記錄，條件查詢包含：試品類型、試品型號、產品編號、設計單號、訂單號、環境溫度、試驗日期、功率范圍和電壓范圍。出現的記錄中可以調動頁面，可以調整每個頁面的記錄條數和想要翻到的頁碼數。可以通過模糊查詢：勾選想要查詢的條件，按照想要查詢的條件查詢修改記錄并且可以設置每頁的記錄條數和想要查看的頁碼數。

載入。主要功能為點擊查詢到的電機型號，載入出現該電機的所有數據。點擊界面左上角設置按鈕，點擊查詢記錄，會彈出查詢記錄的界面，包含查詢和載入按鈕，點擊載入之后直接進入該型號電機的基本信息界面并且銘牌信息界面也可以點擊。

4.3 標準數據

打開軟件測試的主菜單以后，點擊標準數據，會彈出標準數據界面，如圖10所示。點擊型號和標準名稱，以標準數據參數為參考，不在此標準范圍內的即為不合格，在此標準范圍的即為合格。點擊主界面菜單，選中標準數據庫創建，在跳出的新界面中選擇電機類型、型號及標準名稱，點擊“創建”按鈕，標準數據創建成功，且一個型號可以對應一個或多個標準名稱。

圖10 標準數據界面

標準參數。在創建的相應的電機標準中，含有該電機的標準參數，即在各種標準參數設定下，測試電機的合格性。標準參數界面包含有冷態直流端電阻、冷態工頻耐壓試驗和溫升試驗等。

菜單中選中標準數據庫創建，創建標準的電機類型選擇三相異步電機，填入型號和標準名稱，創建標準管理，在對應的標準參數中，有冷態直流端電阻、冷態工頻耐壓試驗及熱態工頻耐壓試驗等，每一項均可以通過點擊“下拉鍵”顯示其詳細信息，如不平衡度、平均電阻等。上下限是其標準的條件，如果超出此范圍，則為不合格；冷態工頻耐壓試驗的標準值和保證值與上下限是一個意思，標準值是下限，保證值是上限，不能超出此范圍。

4.4 銘牌信息

打開軟件測試的主菜單以后，點擊銘牌信息，會彈出銘牌信息界面，如圖11所示。銘牌信息是在點擊新建測試、查詢記錄中的載入或者最近測試以后所彈出的界面，包含了電機所有可顯示的信息。可修改型號、產品名稱、設計單號等數據，輸出報告按鈕是將采集的信息匯總在一起，之后在excel表格報告中生成。在報告列表中修改報告名稱，可在銘牌信息下的“型式試驗”中顯示。

圖11 銘牌信息界面

銘牌信息。測試電機的主要信息都在此顯示，且信息數據都可手動修改。注意：輸入格式錯誤時會有錯誤提示。

報告列表。改變報告名稱和測試類型，與之對應的左側狀態欄銘牌信息下的信息也會隨之更改。

歷史銘牌信息。可查詢保存之后的歷史銘牌信息。

按鈕。左側按鈕是將保存過的歷史數據填充到銘牌信息中。右側按鈕是為了保存銘牌信息，要先點擊此按鈕，成功創建一條歷史銘牌信息后，點擊查詢按鈕才會有數據顯示。

4.5 測試實例

三相異步電機為常用測試電機，本例以三相異步電機綜合性能測試為實例，詳述試驗軟件的功能設計及實現。

4.5.1 型式試驗

在點擊新建測試、選擇最近測試或者選擇查詢記錄中的載入以后所彈出的界面。在新建測試時，會選擇測試的電機類型。

4.5.2 試驗項目

三相異步電機試驗項目包含了17個項目試驗，如堵轉試驗、溫升試驗、負載試驗等，如圖12所示，本文僅以三相異步電機常用典型試驗為例予以介紹系統功能的實現。

圖12 三相異步電機試驗項目

(1) 堵轉試驗。堵轉試驗在電機接近實際冷狀態下進行。試驗時，應將轉子堵住不轉動。對繞線轉子電機應將轉子繞組在集電環上短路[5]，堵轉試驗界面如圖13所示。

圖13 堵轉試驗界面

在堵轉的情況下，將所測電機進行測試。堵轉試驗的過程包括測試數據的輸入和測試結果、試驗曲線的輸出。測試數據可從外部導入，點擊導入數據，便會提示導入成功。測試數據中的電壓、電流、桿長、功率都可以手動輸入。點擊“數據采集”按鈕可以進行采集，點擊一次，測試數據便多一組，重新計算后，坐標系函數曲線會相應地做出改變。

不實測轉矩和試驗后測量電阻均可進行勾選操作：若勾選不實測轉矩，則無論桿長有多長均不影響試驗結果；若不勾選，則試驗結果隨著桿長的變化而變化。若勾選試驗后測量電阻，并點擊重新計算，R(Ω)列會出現設定好的數值；若不勾選，則是采集試驗中的數據。

(2) 溫升試驗。溫升試驗目的是確定電機在額定負載條件下運行時定子繞組的工作溫度和電機某些部分溫度高于冷卻介質溫度的溫升[6]，溫升試驗界面如圖14所示。

圖14 溫升試驗界面

底部顏色。在測試數據中溫度通道為綠色則表明合格，顏色可分為三種包括綠色、黃色和紅色。在1 h內溫度差異小于1 K時為綠色；溫度差異大于1 K小于2 K時為黃色；溫度差異大于2 K時為紅色。

溫升通道設置。可以選擇想要測量的溫度名稱，添加至測試數據中。測試數據中的自動采集，這里的自動采集是對應的菜單欄中的溫度曲線。

(3) 負載試驗。負載試驗的目的是確定電機的效率、功率因數、轉速、定子電流、輸入功率等與輸出功率的關系[7]。試驗采用直接負載法，用合適的設備給電動機加負載，負載試驗界面如圖15所示。

在負載試驗界面里增加了一個轉矩折算窗口，轉矩折算包括帶測功機和不帶測功機，在這兩種情況下，進行測試電機的負載試驗，有測試的結果和試驗曲線。

5 軟件特點

電機綜合測試系統采集分析軟件具有如下特點。

(1) 可組合性。根據選擇的不同型號的儀器設備，可靈活加載不同的模塊實現上位機的遠程控制和數據采集。

(2) 擴展性。在用戶業務擴展或測試標準升級后，可通過替換相關業務邏輯模塊實現快速升級，并且提供第三方接口，用戶可以根據自己業務的需要實現二次開發。

(3) 可配置性。針對不同的應用場景，用戶可通過設置相關配置實現應用場景的切換。

(4) 可靠性。日志子系統可以記錄軟件運行過程中的各種狀態，當系統故障時便于工程師遠程協助并處理故障。

(5) 數據可視化。對于采集后的數據，通過可視化的分析曲線和圖形等方式呈現，方便用戶以更直觀的視角理解、分析數據。

6 結 語

該電機綜合測試系統采集分析軟件主要功能為采集電機試驗的測試數據，并對測試數據進行分析計算，通過相應分析處理能夠更加直觀地判定測試電機是否符合國家標準，系統軟件具有操作簡便、配置靈活、顯示直觀的優點。

目前，本電機綜合測試系統采集分析軟件已成功應用于百余個電機試驗工程項目中，具有組合性高、擴展性強、配置靈活、運行穩定的特點，能夠滿足電機測試的需求，取得了較為滿意的試驗結果。