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

0 引言

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。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成

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

1.2 系統(tǒng)的工作原理

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］。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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

2.1 采集界面

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 查詢界面

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］。

3 系統(tǒng)的抗干擾處理

3.1 硬件處理

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 軟件處理

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。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時共享

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

5 結(jié)束語

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。