应用领域：

远程监测/控制

挑战：

如何在短时间内，以LabVIEW作为开发平台，通过CompacRIO数据采集系统，实时采集发电机的输出的电压、电流、状态等信号，计算有功功率、无功功率和功率因数等数据指标，分析发电机输出电能的质量，对输出的信号做高速数据采集与记录；控制PLC实现外部负载的变化，测试船舶发电机的输出性能。

应用方案：

船舶用发电机在出厂前和正式使用前，要测试其在不同输出功率下的性能表现，还要测试其负载突加、突减时的功率输出能力，由于输出功率较大（如我们测试的是单台560kW，最大要求3台同时并联发电)，这就需要专用负载箱来测试其性能，我们所做的设备，就是测试发电机性能的负载箱，通过控制PLC，实现负载的可控增减，监视其输出有功、无功的输出情况，分析发电机的性能表现。原方案对数据采集与分析这一块做的不是很好，客户要求采集突加、突减过程中的电压、电流变化情况，实现数据的高速数据采集与记录，并希望能采集到发电机在不同功率下的振动信息，以实现更多参数的功能评价。

使用的产品：

软件部分：

LabVIEW 2011：图形化开发平台

主要的软件开发平台，用它可以快速实现用户界面设计和逻辑功能控制，节省开发时间，提高工作效率。

附加工具包：

Report Generation Toolkit：报表生成工具包

把采集到的数据，根据用户要求，设计成报表，这样就可以自动打印测试报告。

Database Connectivity Toolkit数据连接工具包

采集到的实时数据，经过数据处理后，存入历史数据库，数据库连接工具包可以实现LabVIEW数据采集和MySQL数据库之间的连接，实现数据的保存功能。

数据库：

MySQL 5.5

免费开源的数据库管理系统，占用空间小，执行效率高，满足系统对数据库的功能需求。

硬件部分：

采用NI 9225作为电压采集模块，由于发电机输出的额定相电压是220V，所以±300V的量程可以满足测量的需要；电流采集模块采用NI 9227，系统输出的电流，经过电流互感器，变成0~5A的标准输出电流，NI 9227可以满足其测量的要求，另外，在测试过程中，需要测试发电机的振动情况，采用NI 9234可以实现加速度测试的要求。

正文：

(一)  概述

船舶发电机在正式发电使用前，要经过带负载的测试后才能正式投入使用，实验的类型分为两类：稳态实验和瞬态实验。稳态实验就是在规定的时间内，发电机完成连续的功率输出。瞬态实验是事先设定几个功率输出点，当外部负载发生瞬间变化时，发电机输出功率的变化情况。

(二)  系统目标

1、实时系统控制

1)        实时数据采集；

采集系统实时的电流、电压等信号，计算有功、无功、功率因数、频率等指标参数，为系统的实时控制提供参考依据。

2)        有功、无功输出控制；

根据实验方案，设定目标值，根据实时采集到的数据信息，控制PLC的输出节点，来调节负载的增加和减少，控制负载的输出功率。

3)        数据存储；

测试过程中，按照设定的保存条件，记录实验数据，用于报表的生成和历史数据的查询。

4)        故障报警；

当系统出现运行故障时，如电压异常，过温时，可以发出告警信号。

5)        稳态、瞬态实验。

实现稳态和瞬态实验的功能，按设定的运行数据，达到实验的要求。

2、历史数据分析

1)        历史测试曲线查询；

查以查询测试过程保存的历史数据，以曲线和报表的方式显示给用户。

2)        测试报告生成；

对各种实验数据，生成测试报告，具备打印输出功能。

(三)  系统结构

图1系统结构图

整个系统分为三大部分，待测发电机，负载箱（含PLC控制器、电阻、电抗器、数据采集模块），远程监控系统。待测发电机每台额定功率是560kW，可以单台进行测试，最多可三台并联，同进进行检测。负载箱的电阻和电抗器，通过PLC和接触器，控制负载的增减，采集模块实时采集系统运行的数据，使用户及时了解发电机的功率输出情况。

(四)  系统的设计与软件实现

1、                                     人机界面   

系统监控主界面总体上分为二部分，左边为显示区域，实时显示发电机输出的有功、无功和目标值，了解发电机的功率输出情况，右边部分为系统控制和运行状态显示部分，在这儿可以设置发电面的额定功率，系统依据发电机的额定功率、功率因数和设定的百分比，计算需加载的有功、无功值，根据事先做好的算法，计算需控制PLC哪些输出点，把生成的指令发送给PLC，控制负载的投入和切除，因为负载不是线性负载，并且随着负载温度的变化，阻抗也会发生变化，所以还需根据采集模块采集到的实际值，和目标值进行对比，实时调节负载的输出。

图2系统控制主界面

2、数据采集

图3有功、无功、电流、功率因数，输出电压、电流

通过采集系统电压、电流信息，计算有功、无功、功率因数、频率等信息量，经专用的算法，生成控制指令，下发给PLC，控制负载的增减，达到系统所需要的目标值。因为负载的特性，不是一次下发指令一次就可以达到系统要求的目标值，要根据采集模块采集到的实时值，来不段调整系统负载的输出，所以数据采集模块是实现系统控制的重要组成部分。

3、控制和调节

发电机的测试，一般分为二种方式：稳态测试和瞬态测试，稳态测试是测试发电机平稳输出功率的情况，每次加载的负载一般都是连续的、递增或是递减的功率输出，在很多情况下，还要做过载测试，也就是超出发电机额定功率的测试，一般不会大于其额定功率的10%；瞬态测试是测试发电机在外部负载发生急剧变化时，发电机功率输出的情况，负载不象稳态那样连续的递增或递减，而是做急剧的变化，变化的方向也是不固定的，这样可有效的测试发电机在外部负载突变是功率输出的性能。

图4系统操作流程图

图5稳态与瞬态用户控制界面

稳态测试时，只调节右边的有功功率百分比和功率因数，根据设定的额定功率，计算出实际的功率值，当系统达到一个稳定的状态时，就可以对这个节进行锁存，记录下当前系统的运行状态：有功功率值，无功功率值和功率因数，然后进行下一个稳态测试，当系统达到另一个稳定状态时，再对该点的运行状态进行锁存，这样记录一系列运行状态的目的就是为下一步的瞬态测试做好第一步的数据准备，当做完一系统的稳态测试以后，就记录了一些关键测试数据点，瞬态测试时，并不是按照序号顺序来进行测试，而是根据测试的需要，乱序的来执行锁存的测试点。

4、报警处理

图6系统告警

因为在测试时，而要按步骤执行一些必要的动作，如打开顶门，预热等，当有电阻出现问题后，也可以屏蔽掉一些坏的电阻，而不影响整个系统的使用，所以才设置了这些报警指示，这样使操作人员可以及时了解系统的运行情况，当发生紧急情况时，可以及时处理。

5、历史数据和报表处理

图7历史曲线查询

历史数据查询，可以对测试的过程进行重现，分析测试过程中发生的问题，是系统测试的重要的分析查询工具。图中绿色曲线为设定的目标值，红色为发电机输出的实际值。

图8测试报表生成

每次测试的结果，需要生成测试报告，导入到Excel内进行打印和存档，这样的功能需求，报表工具就发挥了重要的作用，使开发人员不再把过多的精力用于报表功能的开发，而是更多的用于报表格式的设计上。

(五)  现场测试使用情况

1、硬件设备的集成安装

图9集装箱式的一体化设计方案

图10集装箱式的一体化设计方案

为了方便运输和适合在码头上测试使用，对整个系统的一体化设计提出了较高的要求，所以我们选择了集装箱式的系统集成方案，这样在运输的时候非常方便，多数船厂和码头上有集装箱吊车，可以很方便的放置在卡车上，另外，集装箱式的设计也利于防水，这样在潮湿和下雨的时候，可以有效的保护内部的电子原器件不受腐蚀，延长了系统的使用寿命。

2、系统测试、运行界面

图11系统实际运行时的界面

(六)  结论

通过使用LabVIEW开发平台和模块化的数据采集单元，可以帮助系统开发人员快速搭建一套数据采集、处理、分析、显示、存储系统，这样可以把主要的精力用于功能和算法分析设计上，为系统开发节省了宝贵的时间，数据库工具包，可以使系统具备较好的扩展能力，实现与第三方数据库的互通，完成数据存储与查询的功能，报表生成工具包，可以快速设计测试报表，实现与Office办公软件的兼容。模块化的数据采集单元，与LabVIEW配合使用，可以简单方便的实现数据采集、分析、显示功能，其高速和高精度的数据采集功能为系统的精确控制提供了硬件保证。