俞希學(xué),關(guān)磊,陳曉波,戴志偉
(中船重工第703所無錫分部,江蘇 無錫 214151)
基于PCI-6624的船用發(fā)電機(jī)組動態(tài)轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)設(shè)計
俞希學(xué),關(guān)磊,陳曉波,戴志偉
(中船重工第703所無錫分部,江蘇 無錫 214151)
介紹了數(shù)據(jù)采集卡PCI-6624和圖形化編程語言LabVIEW的船用發(fā)電機(jī)組動態(tài)轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的設(shè)計思路,詳細(xì)講述了動態(tài)轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的設(shè)計原理、硬件組成與相應(yīng)的軟件程序。系統(tǒng)可對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行多通道、連續(xù)的采集,具有響應(yīng)時間更快、測量誤差更小、抗干擾能力更強(qiáng)的突出特點(diǎn);同時還具有良好的用戶界面,能夠更方便的對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行顯示、分析和存儲。經(jīng)過反復(fù)的實際使用,具有操作簡單,可靠性高,顯示準(zhǔn)確的特點(diǎn),具有很好的應(yīng)用價值。
PCI-6624;LabVIEW;采集;轉(zhuǎn)速;TDMS
新建或落成的船用(柴油機(jī)、汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī))發(fā)電機(jī)組均需進(jìn)行機(jī)組的性能測試,尤其是需要對機(jī)組輸出的電能進(jìn)行質(zhì)量和安全方面的檢測。從本質(zhì)上來說,船用發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速決定著三相交流電的基波頻率,在船用發(fā)電機(jī)組的性能測試(如系統(tǒng)的突加、突卸負(fù)載試驗等)中,船用發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速特性測試被列為一項重要的考核項目。因此,如何能將船用發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的測量、顯示、分析、存儲,就顯得尤為重要。
目前,國內(nèi)外的轉(zhuǎn)速測量設(shè)備有很多,如種類繁多的轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)速測量儀等。但所述這些設(shè)備均是作為通用型的測試設(shè)備,無法滿足船用發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測試的特殊要求,如轉(zhuǎn)速曲線的實時記錄、轉(zhuǎn)速曲線的實時分析、轉(zhuǎn)速曲線的數(shù)據(jù)共享等。而本文所提供的船用發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng),經(jīng)過試驗驗證,能夠很好的滿足這些測試需求,具有很好的應(yīng)用前景。
整個測試系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速傳感器、PCI-6624、PC機(jī)和編程語言LabVIEW構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)的硬件主要由轉(zhuǎn)速傳感器、PCI-6624和PC機(jī)組成。其中,PCI-6624是用于PCI系統(tǒng)的數(shù)字I/O模塊,具有8個32位計數(shù)器/定時器,可同時對8臺發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(傳感器輸出的高低電平)進(jìn)行測量;同時,PCI-6624的PCI接口能夠與PC機(jī)的PCI插槽完全兼容,在使用過程中,只需將PCI-6624插入PC機(jī)的PCI插槽中,即可完成PCI-6624與PC機(jī)的硬件組裝。
圖1 發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
轉(zhuǎn)速測量的方法主要有兩種:M法(測頻法)和T法(測周法)。M法是在一定的時間內(nèi)檢測轉(zhuǎn)速脈沖的個數(shù),用以計算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速;T法是通過讀取相鄰轉(zhuǎn)速脈沖間的時間間隔,并由此來計算轉(zhuǎn)速[1]。在實際應(yīng)用中,需要根據(jù)待測轉(zhuǎn)速的范圍、采集系統(tǒng)的時間周期等選擇合適的測量方法。一般情況下,低速測量采用T法,高速測量采用M法。在特殊情況下(如轉(zhuǎn)速信號波動較大時),可以考慮使用M/T法??紤]到目前絕大多數(shù)船用發(fā)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速均在1 500 r/min左右,屬于低速范圍,故本系統(tǒng)采用的是T法測量發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速。
本系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速傳感器選用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為脈沖電信號;再由數(shù)據(jù)采集卡PCI-6624通過T法,采集得到脈沖的頻率信號;最后經(jīng)PC機(jī)的LabVIEW用戶界面處理得到最終的轉(zhuǎn)速信號,完成發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速測試任務(wù)[2]。
系統(tǒng)的軟件設(shè)計框圖如圖2所示。
LabVIEW界面主要由兩個部分構(gòu)成:采集界面和查詢界面。這兩個界面是利用程序框圖中的事件結(jié)構(gòu),通過用戶的選擇進(jìn)行兩個界面之間的切換顯示。在采集界面中,主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號的顯示、存儲和在線分析等功能;在查詢界面中,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號的回放、數(shù)據(jù)的導(dǎo)出及打印等功能[3-5]。
圖2 發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖
在本系統(tǒng)中,對PCI-6624進(jìn)行轉(zhuǎn)速采集的通道配置,并采用T法進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量(轉(zhuǎn)速傳感器每輸出一個脈沖信號,即計算一次轉(zhuǎn)速)。然后,在LabVIEW界面上進(jìn)行轉(zhuǎn)速的實時顯示,同時將采集得到的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行實時存儲。
2.1.1 轉(zhuǎn)速信號的顯示
由于轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖信號在時間上是離散、不等間隔的,故采樣得到的轉(zhuǎn)速曲線在時間軸上也是離散、不等間隔的。因此,直接計算得到的轉(zhuǎn)速曲線無法在波形圖上進(jìn)行等時間間隔的直接顯示。
為解決這個問題,本系統(tǒng)采用了線性插值的方法,即在相鄰的兩個實時轉(zhuǎn)速值之間按照一定時間間隔插入一定數(shù)量的擬合轉(zhuǎn)速值,使得整個時間軸上所對應(yīng)的值(轉(zhuǎn)速值以及擬合轉(zhuǎn)速值)為等間距的。結(jié)合本系統(tǒng)所測試的轉(zhuǎn)速特性及轉(zhuǎn)速范圍,則計算擬合轉(zhuǎn)速值的公式為:
其中nN,nN-1為第N次,第N-1次采集到的轉(zhuǎn)速值;
TN,TN-1為第N次,第N-1次采集轉(zhuǎn)速時對應(yīng)的時間值,精確到毫秒級;
nNx為在 nN,nN-1間插入的擬合轉(zhuǎn)速值;
TNx為nNx所對應(yīng)的時間值,精確到毫秒級;
x∈(0,TN-TN-1),x取整數(shù)。
2.1.2 轉(zhuǎn)速信號的存儲
在采集界面的后臺程序中,采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)的設(shè)計模式。生產(chǎn)者,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速信號的采集、顯示;消費(fèi)者,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速信號的存儲。兩者之間,通過隊列的方式進(jìn)行通信,生產(chǎn)者往隊列里寫入數(shù)據(jù),消費(fèi)者從隊列里讀出數(shù)據(jù)。在這種模式下,兩者的循環(huán)速度均不受對方的影響,從而,有效防止了數(shù)據(jù)的丟失或重復(fù)利用等問題[6]。
同時,本系統(tǒng)采用NI公司最新推出的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(TDMS)文件格式,對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行存儲。該文件格式具備二進(jìn)制文件優(yōu)點(diǎn)的同時,又具備關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的一些優(yōu)點(diǎn),使得其文件更小,讀寫速度更快[7]。TDMS文件格式,具有三層結(jié)構(gòu):文件、組和通道,每個文件下可以設(shè)置多個組,每個組可以設(shè)置多個通道。在文件、組和通道上,都可以定義相應(yīng)屬性以及添加若干附加信息,極大的方便了數(shù)據(jù)的查詢和管理,很好的滿足了本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的存儲和查詢等功能[8]。
2.1.3 轉(zhuǎn)速信號的在線分析
為滿足船用發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測試的特殊需求,系統(tǒng)提供了轉(zhuǎn)速信號的在線分析功能。
1)在發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,實時計算轉(zhuǎn)速信號在一定時間內(nèi)的實時值、最大值、最小值、平均值等穩(wěn)態(tài)參數(shù)。運(yùn)用LabVIEW程序框圖中數(shù)組及循環(huán)計算的方法,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算。
2)在發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)運(yùn)行(突加、突卸負(fù)載運(yùn)行)時,還需計算轉(zhuǎn)速的瞬態(tài)變化率、穩(wěn)定時間(由瞬態(tài)運(yùn)行到恢復(fù)穩(wěn)定的時間)等瞬態(tài)參數(shù)。此時,按照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)對船用發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的要求,本系統(tǒng)除了運(yùn)用計算穩(wěn)態(tài)參數(shù)的方法外,還利用了迭代計算的設(shè)計思想,準(zhǔn)確實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的瞬態(tài)參數(shù)計算。
經(jīng)過試驗證明,本系統(tǒng)很好的滿足了船用發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速信號的在線計算功能。
2.2.1 轉(zhuǎn)速信號的回放
在本系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速信號的回放查詢基于LabVIEW中文件I/O庫里的TDMS文件格式的子VI,通過自動索引轉(zhuǎn)速值所對應(yīng)的時間值,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號的順序回放,程序框圖如圖3所示。同時為了使信號的查詢更加的方便,程序提供了信號回放的拖拽功能,即可以在回放界面上查詢?nèi)我鈺r間點(diǎn)上的轉(zhuǎn)速信號,如圖3中的虛線框所示。
圖3 發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號回放的程序框圖
2.2.2 轉(zhuǎn)速信號的導(dǎo)出
由于本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速文件為LabVIEW所獨(dú)具的TDMS文件格式,使得文件查詢、處理等操作的通用性具有一定的局限性。為了解決這個問題,本系統(tǒng)提供了轉(zhuǎn)速信號的導(dǎo)出功能,在軟件中,專門編寫了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子VI。根據(jù)需要,將TDMS文件中任意時間段的轉(zhuǎn)速信號,由TDMS文件格式轉(zhuǎn)變成為常用的txt或excel文件格式[9]。
考慮到轉(zhuǎn)速傳感器安裝在試驗現(xiàn)場,轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號總會受到外界一些干擾信號的影響,導(dǎo)致測量得到的正常的轉(zhuǎn)速信號總會伴隨著一些類似于尖峰的干擾信號,影響測量效果。故,在轉(zhuǎn)速傳感器的輸出端接入一個低通濾波器,轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電路如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電路結(jié)構(gòu)圖
3.2.1 最值濾波
在實際應(yīng)用中,船用發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化范圍幾乎都是可以預(yù)見的,都有一個明確的波動范圍。故,在本系統(tǒng)中,根據(jù)不同船用發(fā)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定一個閾值,根據(jù)“超出閾值的轉(zhuǎn)速信號即為干擾信號”的原則,對采樣得到的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行篩選,濾除明顯的尖峰,達(dá)到濾波的效果。
3.2.2 平滑濾波
由于在檢測得到的轉(zhuǎn)速信號中,不可避免的混入一些小的干擾信號,本系統(tǒng)中采用了平滑濾波的方法,對得到的轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行濾波處理,濾波原理如公式(3)所示[10]:
其中nN,nN+1-k為第N次,第N+1-k次采集到的轉(zhuǎn)速值;x>0,x的取值可根據(jù)實際轉(zhuǎn)速而定。
目前常規(guī)的轉(zhuǎn)速測量儀均為獨(dú)立的測試儀器,在測試過程中,無法實時的與其他測試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與分析。為解決這一問題,本系統(tǒng)采用通用的TCP/IP協(xié)議,提供了數(shù)據(jù)共享的通信接口。本系統(tǒng)作為TCP/IP協(xié)議中的服務(wù)器端,不斷偵聽網(wǎng)絡(luò),一旦有某一個或多個客戶端發(fā)出了數(shù)據(jù)共享的請求,系統(tǒng)隨即將采集到的實時轉(zhuǎn)速信號以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給客戶端,很好的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡(luò)示意圖可如圖5所示。
圖5 發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡(luò)示意圖
本文所設(shè)計的基于NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6624和編程語言LabVIEW的船用發(fā)電機(jī)組動態(tài)轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng),系統(tǒng)的硬件能夠?qū)D(zhuǎn)速信號進(jìn)行多通道、連續(xù)的采集,系統(tǒng)的軟件能夠很方便的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號顯示、分析和存儲等功能。整個測試系統(tǒng)使得轉(zhuǎn)速信號的測試結(jié)果更加的精確,測試過程及數(shù)據(jù)處理更加的方便、高效。
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Design of a Dynam ic Speed Test System for Marine Generator Sets Based on PCI-6624
YU Xi-xue,GUAN Lei,CHEN Xiao-bo,DAIZhi-wei
(Wuxi Division of No.703Research Institute of CSIC,Wuxi Jiangsu214151,China)
This paper presents the design of a dynamic speed test system formarine generator sets based on data acquisition card PCI-6624 and graphical programming language LabVIEW,and describes details on the design principle,hardware structure and software of the dynamic speed test system.The system can complete continuousmulti-channel acquisition of the rotational speed signal and has such characteristics as fast response,small measurement error and strong anti-interference capability.Furthermore,it has a good user interface to enable convenient display,analysis and storage of the rotational speed signal.After repeated in-service use,the system is proved to have such advantages as simple operation,high reliability and accurate display as well as a good application value.
PCI-6624;LabVIEW;acquisition;rotational speed;TDMS
10.3969/j.issn.1000 -3886.2015.06.007
TP272
A
1000-3886(2015)06-0021-03
定稿日期:2015-04-11
俞希學(xué)(1986-),男,安徽蕪湖人,工程師,中船重工第703所無錫分部試驗測試部。