馬 沖

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，昆明 650051）

某交流發(fā)電機(jī)作為先進(jìn)動(dòng)力裝置的主要供電來源，為裝置內(nèi)部各系統(tǒng)或裝置附件供電。發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承等部件構(gòu)成，由動(dòng)力裝置直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，通過定子上獨(dú)立的4套3相電樞繞組引出至回路，實(shí)現(xiàn)電能供給。

目前，此類發(fā)電機(jī)的性能測(cè)試臺(tái)，普遍采用基于PCI/CPCI/PXI/VXI總線測(cè)控系統(tǒng)+試驗(yàn)臺(tái)架+傳感/變送器+其它輔助設(shè)備的方式進(jìn)行專門研制[1-2]，存在成本高、通用性低、擴(kuò)展性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。本文采用DCS完成對(duì)測(cè)試平臺(tái)及被測(cè)發(fā)電機(jī)的測(cè)量與控制，基于Modbus和CAN混合通信總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了星型測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了以數(shù)據(jù)信息交換為核心的傳輸控制模式。

1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)由拖動(dòng)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與負(fù)載單元、潤(rùn)滑油輸控單元、油氣潤(rùn)滑單元、數(shù)據(jù)采集及測(cè)試單元、環(huán)境模擬單元、操作控制單元及接口單元8個(gè)部分組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）拖動(dòng)單元：由試驗(yàn)臺(tái)架、拖動(dòng)電機(jī)、拖動(dòng)軸、轉(zhuǎn)接座等組成，通過控制拖動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。

圖1 測(cè)試平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Toplogy of test bench

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)與負(fù)載單元：對(duì)拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，提供發(fā)電機(jī)工作負(fù)載。

（3）潤(rùn)滑油輸控單元：控制潤(rùn)滑油的溫度、壓力及流量，完成潤(rùn)滑油的輸送和回收。

（4）油氣潤(rùn)滑單元：完成拖動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)接座的冷卻及油氣潤(rùn)滑。

（5）數(shù)據(jù)采集及測(cè)試單元：完成測(cè)試平臺(tái)和被測(cè)電機(jī)工作參數(shù)的數(shù)據(jù)采集處理；控制電氣設(shè)備為發(fā)電機(jī)缺相、短路等測(cè)試提供條件。

（6）環(huán)境模擬單元：模擬被測(cè)電機(jī)單項(xiàng)或聯(lián)合測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度和氣壓。

（7）操作控制單元：測(cè)試平臺(tái)的人機(jī)交互接口。

（8）公共測(cè)試接口：可變規(guī)模的智能適配接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)各測(cè)控單元間的強(qiáng)/弱電連接，信號(hào)調(diào)理、集中及轉(zhuǎn)接。

2 DCS設(shè)計(jì)

DCS對(duì)測(cè)試平臺(tái)及發(fā)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量、控制和監(jiān)視，完成發(fā)電機(jī)各種單項(xiàng)或聯(lián)合試驗(yàn)時(shí)的流程控制，測(cè)試平臺(tái)各組成單元在測(cè)試程序集TPS（test programming set）的統(tǒng)一調(diào)度下協(xié)調(diào)工作。

如圖1所示，DCS自上而下由監(jiān)控級(jí)、控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)組成[3]，監(jiān)控級(jí)與控制級(jí)之間通過Lan連接，主要實(shí)現(xiàn)廠級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)端回放；控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通過混合通信網(wǎng)絡(luò)把相應(yīng)的設(shè)備連接在一起，控制級(jí)提供人機(jī)接口，承擔(dān)圖形化顯示、試驗(yàn)流程編制、過程控制、系統(tǒng)配置和參數(shù)在線調(diào)整等任務(wù)；現(xiàn)場(chǎng)級(jí)根據(jù)控制級(jí)的數(shù)據(jù)流和命令，完成試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、傳感監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)環(huán)境（拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、滑油流量/壓力、環(huán)境溫度/氣壓等）的實(shí)時(shí)控制及轉(zhuǎn)階段控制。

2.1 控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

DCS主要的控制節(jié)點(diǎn)及硬件配置如下。

（1） 工控機(jī)： 研華 IPPC-6192A，19＂SXGA TFT LCD觸摸屏；Intel Core2 Q9400處理器；4 G內(nèi)存，500 G硬盤；雙口10/100/1000M以太網(wǎng)卡；2×PCI插槽，安裝研華PCI-1622C多功能串口卡（8個(gè)RS422/RS485端口，128 Byte FIFO）和凌華PCI-7841雙口CAN通信卡；DCS主控制節(jié)點(diǎn)，位于操作控制單元。

（2）數(shù)碼顯示陣列：捷通CMD4A2型3位半顯示儀表，通信控制，位于操作控制單元。

（3）控制陣列：研華 ADAM-4056SO，12 通道隔離數(shù)字輸出，隔離電壓 5000VDC，輸出電壓（10～35）VDC，負(fù)載電流1A/每通道；主要進(jìn)行繼電器控制，位于操作控制單元、數(shù)據(jù)采集及測(cè)試單元。

（4）DI監(jiān)測(cè)陣列：研華 ADAM-4051，16 通道隔離數(shù)字量輸入，隔離電壓2500VDC，支持干節(jié)點(diǎn)或濕節(jié)點(diǎn)輸入，輸入電壓（10～50）VDC，位于操作控制單元、數(shù)據(jù)采集及測(cè)試單元。

（5）數(shù)據(jù)采集組件：基于DSP+FPGA設(shè)計(jì)，由4塊數(shù)字信號(hào)處理及通信板，4塊模擬信號(hào)調(diào)理板，母版和電源組成，數(shù)據(jù)采集速率4 MSa/s，14位分辨率，完成被測(cè)電機(jī)各繞組相電壓、線電壓、相電流、各相頻率、溫度等參數(shù)和拖動(dòng)單元振動(dòng)、扭矩等參數(shù)的測(cè)量，位于數(shù)據(jù)采集及測(cè)試單元。

（6）潤(rùn)滑油控制組件：基于西門子S7-200小型PLC設(shè)計(jì)，完成潤(rùn)滑油溫度、壓力控制，位于潤(rùn)滑油輸控單元。

（7）電機(jī)控制組件：驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟停控制、速度控制及應(yīng)急控制，位于電機(jī)驅(qū)動(dòng)與負(fù)載單元。

（8）環(huán)境控制組件：控制試驗(yàn)溫度、升/降溫梯度和氣壓，位于環(huán)境模擬單元。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

DCS各單元的正常工作，依賴綜控軟件的控制來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)試驗(yàn)單項(xiàng)或聯(lián)合試驗(yàn)內(nèi)容的任務(wù)分解及抽象，編制測(cè)試流程，并在此基礎(chǔ)上完成DCS各單元在試驗(yàn)各階段的功能配置和調(diào)度，進(jìn)行過程控制、數(shù)據(jù)分析顯示、應(yīng)急處理和報(bào)表生成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)測(cè)試。

綜控軟件采用層次結(jié)構(gòu)+模塊化+系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)軟件柔性、通用性和擴(kuò)展性[4]。軟件功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 綜控軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Software function structure

遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件是綜控軟件的簡(jiǎn)化版，與綜控軟件建立通信連接后，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)管理及調(diào)取回放、報(bào)表查看等功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

試驗(yàn)流程分為格式流程和自定義流程，試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。具體內(nèi)容：

（1）試驗(yàn)內(nèi)容固定，每個(gè)試驗(yàn)階段的轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度/氣壓、滑油溫度/壓力、繞組狀態(tài)（缺相/短路/正常）、試驗(yàn)時(shí)間等試驗(yàn)條件已知，則將該試驗(yàn)流程固化為格式流程，且用戶不可更改。格式流程與某一單項(xiàng)試驗(yàn)相關(guān)，經(jīng)用戶選擇后，軟件自動(dòng)運(yùn)行，格式流程設(shè)計(jì)充分考慮了操作的方便性，降低用戶使用難度。

（2）兼顧可能新增的測(cè)試需求，將試驗(yàn)要素與單項(xiàng)試驗(yàn)分離，抽象為若干試驗(yàn)段，用戶以試驗(yàn)段為單位，設(shè)置每個(gè)試驗(yàn)段的試驗(yàn)要素，自定義流程與具體的單項(xiàng)試驗(yàn)無關(guān)。顯然，用戶可以使用自定義流程編制與格式流程一致的單項(xiàng)試驗(yàn)，也可以略作微調(diào)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)任務(wù)的靈活配置。自定義流程以數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；試驗(yàn)時(shí)，軟件自動(dòng)依次讀取試驗(yàn)段數(shù)據(jù)，逐項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Block diagram of test process

3.2 測(cè)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

Modbus是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它在連接不同總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供主/從節(jié)點(diǎn)控制或客戶機(jī)/服務(wù)器通信，細(xì)分為在串行鏈路上的Modubus/RTU和在以太網(wǎng)上的Modbus/TCP[5]。

本文基于Modbus和CAN總線技術(shù)，進(jìn)行DCS的星型測(cè)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 測(cè)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Fig.4 Design of measurement and control network

（1）在串行鏈路上，均使用Modbus/RTU傳輸協(xié)議，物理接口為RS485兩線制接口，波特率9600b/s，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無校驗(yàn)，同時(shí)為降低信號(hào)的反射和回波，通信兩端配置120 Ω終端電阻。工控機(jī)作為主節(jié)點(diǎn)，其它設(shè)備、儀器或組件作為從節(jié)點(diǎn)。

由于部分混凝土結(jié)構(gòu)是根據(jù)規(guī)范規(guī)定的配筋率要求來確定鋼筋，如果這些配筋都使用高強(qiáng)鋼筋，將造成極大的浪費(fèi)。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)所需要的強(qiáng)度，合理選用相應(yīng)規(guī)格、型號(hào)的鋼筋，做到物盡其用。

（2）在局域網(wǎng)（LAN）中，網(wǎng)口 1 使用 Modbus/TCP報(bào)文傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與環(huán)境控制組件的客戶機(jī)/服務(wù)器通信，其中工控機(jī)作為客戶機(jī)，環(huán)境控制組件作為服務(wù)器響應(yīng)工控機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求；網(wǎng)口2使用UDP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與監(jiān)控終端的客戶機(jī)/服務(wù)器通信，其中監(jiān)控終端作為客戶機(jī)，工控機(jī)作為服務(wù)器響應(yīng)監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和歷史數(shù)據(jù)的在線共享。

（3）工控機(jī)與數(shù)據(jù)采集組件之間采用CAN2.0B協(xié)議進(jìn)行通信，波特率為1 Mb/s，29位擴(kuò)展幀格式，數(shù)據(jù)采集組件根據(jù)工控機(jī)的控制/查詢指令，完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理和分析計(jì)算后，向工控機(jī)實(shí)時(shí)循環(huán)發(fā)送各參數(shù)數(shù)據(jù)。

（4）考慮系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展，串口及CAN均有備用端口。

3.3 信息傳輸控制

DCS以通信協(xié)議為核心，以測(cè)控網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)流為橋梁，進(jìn)行信息傳輸控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以信息操控代替信號(hào)操控。

Modbus協(xié)議已詳細(xì)規(guī)范了讀/寫線圈、讀/寫寄存器等各類操作，無需制定通信協(xié)議，但由于本文使用RS485作為Modbus/RTU傳輸協(xié)議的硬件接口，受限于RS485半雙工差分傳輸?shù)奶匦裕锌赡軐?dǎo)致通信不暢，因此有必要進(jìn)行信息傳輸策略設(shè)計(jì)，保證信道暢通。

（1）針對(duì)數(shù)碼表顯示陣列，12塊數(shù)碼表均分為兩組由串口1和串口2進(jìn)行控制。以串口1為例，在9600 b/s的波特率下，單塊數(shù)碼表接收指令、完成顯示并應(yīng)答的時(shí)間約55 ms，8塊數(shù)碼表完成數(shù)據(jù)寫入的時(shí)間約440 ms，滿足數(shù)據(jù)刷新速率不大于500 ms的要求。因此設(shè)定500 ms節(jié)拍器，采用單表應(yīng)答后按表地址順序操作的方法進(jìn)行控制，若某塊數(shù)碼表未應(yīng)答寫入操作，則本次循環(huán)結(jié)束，等待下一個(gè)節(jié)拍周期觸發(fā)時(shí)，重新從數(shù)碼表地址1順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，若在多個(gè)周期內(nèi)，均不能完成所有數(shù)碼表的數(shù)據(jù)更新，則報(bào)警，以此提高偶發(fā)通信故障的容忍度，保證試驗(yàn)流暢。串口2與之類似。

（2）針對(duì)DIO陣列，時(shí)序控制則相對(duì)嚴(yán)格，如圖5所示?，F(xiàn)有5個(gè)DO模塊和2個(gè)DI模塊共7個(gè)從節(jié)點(diǎn)串聯(lián)接入串口4，模塊地址根據(jù)物理位置順序設(shè)定。正常工作時(shí)，設(shè)定500 ms節(jié)拍器，順序讀取模塊DIO狀態(tài)，并判斷是否符合試驗(yàn)條件；試驗(yàn)轉(zhuǎn)階段時(shí)，中斷讀取操作并延時(shí)，控制DO模塊輸出后恢復(fù)讀取，保證信道暢通，串口3與之類似。

圖5 DIO陣列信息傳輸Fig.5 Information transmission of DIO array

本文參考Modbus協(xié)議，設(shè)計(jì)工控機(jī)與數(shù)據(jù)采集組件之間的通信協(xié)議，以ID號(hào)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)采集組件內(nèi)部的4塊數(shù)據(jù)信號(hào)處理及通信板，以擴(kuò)展幀作為傳輸載體，每幀8個(gè)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)標(biāo)明幀類型（查詢、命令等），后6個(gè)字節(jié)包含具體數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3.4 公共測(cè)試接口設(shè)計(jì)

某型發(fā)電機(jī)及其衍生型號(hào)產(chǎn)品除繞組數(shù)量和轉(zhuǎn)子內(nèi)徑不同外，工作原理和測(cè)試需求一致，因此，測(cè)試平臺(tái)通過公共測(cè)試接口實(shí)現(xiàn)對(duì)多型發(fā)電機(jī)試驗(yàn)測(cè)試[6]。

公共測(cè)試接口采用模塊化、組合化設(shè)計(jì)，主要模塊包括平臺(tái)測(cè)試參數(shù)模塊、繞組測(cè)試參數(shù)模塊、負(fù)載模塊、DIO模塊等。各模塊采用統(tǒng)一的機(jī)械、電氣和邏輯接口，實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)接、集中和互聯(lián)，與模塊連接的通信、動(dòng)力和信號(hào)電纜同芯同定義，以滿足通用性要求。

4 結(jié)語

本文提出的測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，既能滿足對(duì)某型發(fā)電機(jī)的功能調(diào)試和性能驗(yàn)證需求，又能通過更換轉(zhuǎn)接座或組合公共測(cè)試接口，兼顧其衍生型號(hào)分裝式發(fā)電機(jī)的測(cè)試需求，避免了重復(fù)投資?，F(xiàn)已對(duì)3個(gè)型號(hào)，70余臺(tái)發(fā)電機(jī)，開展了約40余項(xiàng)專項(xiàng)試驗(yàn)工作。實(shí)際工程應(yīng)用證明，測(cè)試平臺(tái)可對(duì)轉(zhuǎn)速小于40000 r/min，繞組數(shù)量小于4套，輸出線電壓/相電壓小于500VAC，直流電壓小于1000VDC，頻率小于5 kHz的分裝式發(fā)電機(jī)進(jìn)行多功能可靠測(cè)試。

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