基于虚拟仪器的小型柴油发电机组测控系统研究

龚立雄 程双胜 杨明忠 文淑容

（1. 武汉理工大学机电学院，武汉 430070； 2. 中国船舶重工集团公司第712研究所，武汉 430064； 3. 湖北省产品质量监督检验研究院，武汉 430061）

1 引言

小型柴油发电机组主要应用在无市电供应及需要不间断供电的地方，如电信、电力和广播电视系统的机站和机房。当市网停电时，机组必须立即启动，为企业提供所需电力。另外，舰船上的船舶电力系统也主要由柴油发电机供电。这些电力系统的机房多位于高山、深林和海洋，地处偏僻、环境恶劣。因此，对这类发电机组实现计算机自动监控和管理显得十分必要。小型柴油机组电力系统一般由发电系统、输配电系统和负载系统等组成。柴油发电机组作为电力系统的核心部件和关键设备，其状态监测系统用于向整个电力系统提供实时数据，供决策部门参考，并可以提高电力系统的安全性和可靠性。对发电系统而言，不仅在设计和制造阶段要以提高产品质量和可靠性作为首要任务，而且对其进行实时在线监测和故障诊断也具有十分重要的意义[1,2]。

柴油发电机主要由柴油机、发电机和监控系统组成。其中，柴油机是柴油发电机的动力部分，发电机则是以三相交流同步发电机为主，主要由定子、转子和端盖三部分组成。通常三相交流同步发电机的电枢绕组与三相电网连接，励磁绕组与直流电源连接。其发电机组的测试系统主要负责机组运行指标参数的状态监测、控制和自动保护等[3]。由继电器、晶体管分立或集成元件和普通仪表所组成的传统的测试系统因缺乏灵活性和稳定性，测控速度慢，难以对故障或不正常运行状态进行正确的判断，故而很难适应现代化发展的要求[4]。

随着现代传感技术和信息技术的发展，计算机在自动化领域的应用越来越广泛，监控系统正向综合化、集散式多微机测控系统的方向发展。虚拟仪器的出现，改变了传统的测量模式，使得测试系统由松散的、不兼容的测量模式变为功能强、测试精度高、速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强的自动测试系统[5]。本文基于虚拟仪器技术设计和开发了小型柴油发电机组的测控系统，利用图形化和可视化的测试软件LabVIEW作为开发平台，来监测船舶柴油发电机组的运行状态，采集数据并进行处理、存储、显示。实验证明了该系统具有很好的灵活性和准确性。

2 小型柴油发电机组测控系统的结构

2.1 虚拟仪器硬件平台的构建和选择

目前主流的虚拟仪器硬件平台主要包括PC-DAQ系统、GPIB系统、串口系统、VXI系统和PXI系统[6]。其中PXI是以标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件组成的虚拟仪器测试系统，是 PCI在仪器领域的扩展（PCI Extension for Instrumentation）。它将 CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台[7,8]。从总体的性价比、易用性和测量要求方面综合考虑，该虚拟仪器测试平台采用了PXI系统作为虚拟仪器的硬件平台。

在虚拟仪器测试平台的设计中，采用PXI-1000B机箱、PXI-8174嵌入式零槽控制器作为系统的基础硬件平台，在机箱插槽中安装多功能数据采集卡 PXI-6025E，另外加上信号调理机箱 SCXI-1000，构成了完整的虚拟仪器测试系统工作平台。其主要组成部分的配置参数如下：

（1）PXI-1000B机箱：高性能8槽机箱，有可拆卸交流与直流电源选项，工作温度为 0～50°C；

（2）PXI-8174嵌入式零槽控制器：Intel Celeron 566 MHz处理器，64 MB SDRAM内存，带串口1个、配有并口、USB接口2个、PS/2鼠标键掀连接、PXI触发总线输入及输出、20 GB硬盘驱动器，可以安装Windows 2000系统或XP系统；

（3）数据采集卡 PXI-6025E：最大采样率200 kS/s。12位精度，16路单端模拟输入，2路模拟输出，输入范围为±0.05～±10 V，输出范围为±10 V；

（4）信号调理器机箱 SCXI-1000：四槽，SCXI-机箱为SCXI模块提供电源，并负责SCXI系统和 DAQ设备之间的信号连接。SCXI-1100信号调理模块，32路多路复用，信号范围为±10 V电压信号，4～20 MA电流信号。

2.2 小型柴油发电机组测控系统组成

该小型柴油发电机组测控系统由测试和监控两个部分组成。其测试部分基于虚拟仪器硬件平台，用于信号采集和处理。其底层控制部分采用凌阳16位单片机SPEC061A ，它的CPU内核采用凌阳推出的16位微处理器芯片。它与柴油发电机组一起组成直接数字控制系统，完成对柴油发电机的启动、停机、怠速运行、报警、参数监测等多种控制。该柴油发电机组测控系统总体结构如图1所示。

该测控系统底层控制级和工作站（上位机）之间通过 RS-485通讯网络连接。软件协议采用支持 RS-485网络的 Modbus工业通讯通信协议[9,10]。整个测控平台通过前端传感器将各种测量信号转化成4～20 mA的标准电信号，经通信网络传至PXI-6025E数据采集卡，然后经采样、保持、放大、单位匹配标定后由 PXI174控制器进行分析和测试，在工作站计算机上实时显示和处理。如出现异常则会自动报警，通过既定程序和底层单片机控制系统实现自动保护。采用 Datasocket技术把采集测得的数据和信号传送给局域网中的其它计算机，实现网络和异地实时监控功能。

图1 柴油发电机组测试系统结构

3 基于LabVIEW的柴油发电机组测控系统软件设计

3.1 软件设计的总体方案

柴油发电机组测控系统的软件采用美国National Instruments（NI）公司推出的基于图形化编程语言的开发环境 LabVIEW 软件，它采用面向对象的方法和概念，其对象、框图及其构成的虚拟仪器在Windows、Windows NT、UNIX等平台之间和各种 PC机及工作站间兼容，便于移植，而且具有丰富的库函数和例子，便于快速开发。

整个测控系统应用程序采用模块化的编程思想，根据功能可划分为若干个子模块，可根据需要创建自行设置预报警参数、状态保存、打印、帮组系统、数据采集和调用等模块。 在设计中遵循由上至下的设计方法，根据系统的总体需求，将系统划分若干功能模块，在设计过程中将各功能模块聚集在一起，最后用一个主界面实现各个子模块间的调用。根据设计，该测控系统软件主要由实时测试系统、实时控制系统、网络功能模块、数据模块、参数设置等模块组成，如图2所示。

3.2 软件设计

3.2.1 柴油发电机组测控系统主界面设计

图2 柴油发电机组测控系统功能模块

根据总体设计方案，系统采用 LabVIEW8.6软件设计，在整个程序的设计中，首先完成各个子功能的设计，然后将所有子功能模块集成。主界面的程序框图如图3所示。柴油发电机组工作后，该系统能在运行状态下监控柴油机组的转速、油压、油温、水温和发电机组的相电流、相电压、线电压、频率等参数。系统可以设置系统报警参数，当遇到异常时自动报警，并根据实际情况采取进一步的保护措施。

3.2.2 小型柴油发电机组实例验证

基于虚拟仪器的小型柴油发电机组测控系统在实验室进行了实机调试和实时监控，成功地实现了对三台柴油发电机组的现场和远程监控以及测试。柴油发电机组的型号为TFX-180S4-H，额定转速：1500 r/min，额定功率：12 kW，频率：50 Hz，相数：三相。图4为测控系统实测运行界面。

图3 小型柴油发电机组主界面程序框图

图4 测控系统实测运行界面

运用传统仪器对该柴油发电机组的参数进行测试，通过对比，发现基于虚拟仪器的测控系统监控所得的机组运行参数和传统仪器测量数据一致，误差在 1%以内。实例验证表明基于虚拟仪器的测控系统稳定、可靠，其界面友好、可视化程度高。这种基于虚拟仪器技术和网络手段以及底层单片机控制有机结合起来的方法，是开发智能化测控系统的有效手段，具有很强的理论价值和工程实用价值。

4 结束语

虚拟仪器技术和 LabVIEW 软件广泛地应用于测控领域。本文系统地阐述了柴油发电机组的结构，并构建了一个基于虚拟仪器的小型柴油发电机组测控系统。该系统能够实时监控和在线检测柴油发电机组的运行参数。同时，该系统采用模块化的设计思想，与传统仪器构建系统相比，具有很大的灵活性和可扩展性。通过实际测试和验证，证明该系统具有较高的准确性和可靠性，为设备运行状态的监测提供了一个新的方向。

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