綜合PC機與LabVIEW技術的智能電機保護系統(tǒng)設計

薛曄，李晶，薛世潤，劉亞亮

(西安工程大學機電工程學院，陜西 西安 710048)

Intelligence Motor Protection System Scheme Based on Integrated PC andLabVIEW Technology

XUE Ye，LI Jing，XUE Shirun，LIU Yaliang

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China)

摘要：設計且實現(xiàn)了一種基于PC機與LabVIEW技術的電機保護系統(tǒng)，其具有智能控制、高速實時和數(shù)據(jù)測試、儲存和多通道采集等功能。該系統(tǒng)通過NI采集卡采集電機信號狀態(tài)(電流和電壓值)，對電機運行進行控制，基于計算機的硬件平臺，充分利用LabVIEW虛擬儀器的強大數(shù)學算法，實現(xiàn)新型的智能控制，為電機保護提供科學依據(jù)。實驗結果表明，智能控制系統(tǒng)具有高速、實時的數(shù)學計算能力，測試精度高、工作穩(wěn)定可靠。

關鍵詞：PC機；LabVIEW技術；電機保護；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TM307.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)04-0026-04

收稿日期：2014-12-18

作者簡介：薛曄(1990-)，女，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設計；李晶(1962-)，女，陜西西安人，教授，碩士研究生導師，研究方向為機械CAD/CAE/CAM 技術的應用、制造業(yè)信息化何計算機輔助創(chuàng)新CAI等。

Abstract：The paper design and implementation a motor protection system based on PC and LabVIEW technology，it has functions of data survey，intelligent control，real-time and high-speed test and multi-channel data acquisition. The motor protection system can be made on the NI data acquisition card，the voltage and current has been control that PC platform and LabVIEW virtual software with mathematical arithmetic and intelligent control.The experiment results showed that the control system has calculated mathematical complicated and excellent performance.

Key words：PC； LabVIEW technology；motor protection；control system

0引言

長期以來，電機控制系統(tǒng)技術發(fā)展迅速，電機保護裝置從原始的單一熔斷器過流保護方式，發(fā)展到使用熔斷器和熱繼電器組合保護的方式，直至今日，電機保護采用電子保護方式和微機以及智能控制系統(tǒng)技術，無論是技術還是理論，都取得進步和跨越。微機智能控制保護方式有著較高的可靠性、較強的靈活性和外部擴展性強等優(yōu)勢，這是傳統(tǒng)保護方式不具備的。缺點是微機保護技術發(fā)展成本較高，系統(tǒng)算法極其復雜，需要具備計算機能力的微機或者專用高速運算的芯片。目前，芯片技術相當成熟，加之計算機技術的良好運用，可以將過程控制與測控有機結合，實現(xiàn)智能控制和信息化管理。

在以計算機為中心的智能控制系統(tǒng)中，LabVIEW虛擬儀器技術在測控以及測量等多方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)處理、信息存儲和狀態(tài)監(jiān)測等性能上其他手段無可比擬。直接聯(lián)網(wǎng)的高壓電機在GIS局部放電情況下，其電氣控制瞬間會產(chǎn)生強電流、強磁等，對電機極為不利，沖擊電流達到額定電流的3～6倍，而LabVIEW虛擬儀器技術控制測控系統(tǒng)就會很靈活、精確地保護電機，從電機啟動方式上保護電機不被損壞。

1數(shù)據(jù)采集與儀器控制

數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的核心技術之一，使用LabVIEW的DAQ技術，可以實現(xiàn)強大的DAQ應用功能。為解決高速采樣的實時控制與數(shù)據(jù)存儲等問題，分別從硬件和軟件2個方面來設計。硬件部分包括LabVIEW數(shù)據(jù)采集卡、以嵌入式系統(tǒng)為核心的傳感器等重要部分。軟件由LabVIEW 2013，NI應用軟件，以及支持嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)等幾個重要部分組成。此二者均是在PC機Windows環(huán)境下，實現(xiàn)開發(fā)、設計、程序編寫和自動控制等功能。

1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

電機保護裝置完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由原始信號、信號調理設備、數(shù)據(jù)采集設備和計算機4個部分組成。原始信號通過霍爾電流電壓傳感器轉換為可識別的電壓或電流信號，并經(jīng)過放大、濾波和隔直等信號處理。數(shù)據(jù)采集設備采用USB數(shù)據(jù)采集模塊，將模擬的電信號轉換為數(shù)字信號，送給計算機處理。電機保護裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1　電機保護裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成

霍爾電流電壓傳感器的工作原理是基于霍爾效應的，霍爾效應原理如圖2所示。

圖2　霍爾效應原理

在Y軸方向上(垂直于導體或半導體薄片)通磁感應強度為B的磁場，同時在X軸方向上通電流IH，則半導體薄片在Z軸上產(chǎn)生一個微小電壓UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。UH稱為霍爾電勢，其大小可以表示為：

(1)

RH為霍爾系數(shù)，由半導體材料性質決定；d為半導體材料的厚度。

(2)

可見霍爾電壓與控制電流及磁感應強度的乘積成正比，k稱為乘積靈敏度。k值越大，靈敏度就越高；原件厚度越小，輸出電壓越大。

式(2)中，若控制電流IH為常數(shù)，磁感應強度B與被測電流成正比，則為霍爾電流傳感器；另外，若固定IH為常數(shù)，B與被測電壓成正比，則為霍爾電壓傳感器。

1.2數(shù)據(jù)采集軟件架構

對于電機保護數(shù)據(jù)采集應用來說，采用的軟件架構如圖3所示。NI數(shù)據(jù)采集硬件設備的驅動軟件是DAQmx，具有一系列的數(shù)據(jù)采集程序調用。配置管理軟件Measurement and Automation Explorer，方便與硬件進行交互，配置出數(shù)據(jù)采集的任務導入LabVIEW，且自動生成LabVIEW代碼。數(shù)據(jù)采集硬件，主要有PXI、Compact DAQ以及Compact RIO平臺。

圖3　數(shù)據(jù)采集軟件架構

1.3儀器控制

整個電機智能保護系統(tǒng)是基于PC機以及LabVIEW軟件控制完成的，它比單純的數(shù)據(jù)采集要復雜。因此，設計了一套以嵌入式系統(tǒng)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理的控制設備單元，采用ARM系列芯片為主控芯片，可以控制霍爾電流電壓傳感器、串口通信模塊等，配合LabVIEW虛擬儀器技術實現(xiàn)自動保護。

虛擬儀器和各種設備同計算機連接協(xié)同工作，同時還可以根據(jù)需要延伸和拓展測試系統(tǒng)的功能，對被監(jiān)測的電流、電壓信號進行控制，并由計算機中的LabVIEW應用軟件對其進行控制。充分借助于計算機強大的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲能力，極大地擴充電機保護系統(tǒng)的實時性、可靠性。

此電機智能保護系統(tǒng)除了計算機和儀器外，還需要建立儀器和計算機的通路以及上層應用程序。通路包括總線和針對USB數(shù)據(jù)采集卡的驅動程序；上層應用程序用于發(fā)送控制指令，數(shù)據(jù)顯示、采集、處理、分析和存儲等功能，并以Windows為工作平臺，結合LabVIEW控制軟件實現(xiàn)保護。

2軟件設計

2.1控制保護硬件驅動程序軟件

硬件單元以嵌入式系統(tǒng)為核心，包含霍爾電流電壓傳感器、嵌入式處理系統(tǒng)。要使這些硬件正常工作，必須有與之對應的驅動程序。驅動程序均采用模塊化的方式，主要模塊包括主程序模塊、測量模塊，具體包括采樣、數(shù)據(jù)處理和故障處理等。

嵌入式系統(tǒng)單元控制芯片選用 ARM系列LPC2138，對應的程序是基于ARM平臺的μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。μC/OS-Ⅱ包含了實時內(nèi)核、任務管理、時間管理、任務間通信同步(信號量、消息隊列)和內(nèi)存管理等功能。應用軟件基于μC/OS-Ⅱ設計，軟件設計使保護裝置的功能任務化，使各個任務相互獨立工作，隨主程序調用，互不干涉，容易實現(xiàn)各個功能，使得在應用中，模塊化的程序設計和保護功能擴展變得容易。

采用ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境進行軟件開發(fā)，ADS集成開發(fā)環(huán)境是ARM核微控制器集成開發(fā)工具，適合保護微處理單元，主要完成信號采樣、信號處理、控制輸出、故障錄波和超級終端人機交互模塊等功能。程序開始執(zhí)行，完成堆棧初始化、中斷向量入口初始化和CPU初始化之后，即跳轉到main()函數(shù)開始軟件的執(zhí)行。在main()函數(shù)中，首先調用OSInit()函數(shù)初始化μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)；然后調用OSTaskCreate()應用軟件的啟動任務TaskStart，TaskStart是應用軟件的主任務，在該任務中完成模板硬件的初始化、創(chuàng)建其他應用軟件需要實現(xiàn)的任務；最后調用OSStart()函數(shù)，啟動應用軟件任務的執(zhí)行，如果軟件各任務模塊都已設計好，則軟件開始正式運行。

軟件設計，離不開軟件的調試，在此使用FlashMagic調試工具進行程序下載，可實現(xiàn)異步串行口和用戶個人計算機上的串口連接。LabVIEW有良好的人機界面，可實時顯示并控制電機的正常運轉。電機的故障判斷、電機保護判定及保護算法、短路判定及算法、電機工作狀態(tài)等功能都是通過軟件實現(xiàn)，具有良好的移植性，同時軟件抗干擾效果良好。電機控制軟件流程如圖4所示。

圖4　電機控制軟件流程

2.2LabVIEW控制系統(tǒng)軟件設計

在LabVIEW環(huán)境下，開發(fā)VISA軟件架構，調用NI-VISA Write.vi(VISA寫入)向儀器發(fā)送命令，同時用NI-VISA Read.vi(VISA讀取)從下端儀器讀取數(shù)據(jù)即可。它們都是通過調用NI-VISA的標準方法，實現(xiàn)與USB設備的通信在VISA函數(shù)子面板下，有很多高級函數(shù)，可以精確控制GPIB、串口和USB等接口。同時LabVIEW還有基于VISA的高級控制函數(shù)，這些函數(shù)位于“儀器I/O”子面板，便于串口配置進行數(shù)據(jù)采集和自動控制。

按照電機測試項目和測試流程，分別設計了三相電流、三相電壓、電壓電流頻率和功率因數(shù)等標準指標。另外設計了空載、負載和轉矩等電機的工作特性，可以實時動態(tài)地顯示當前電機的工作情況。設計了實時電流電壓的動態(tài)顯示數(shù)值，多窗口的信息可供操作人員查看。程序框圖利用LabVIEW中的DAQmx和配置管理軟件Measurement and Automation Explorer，寫入命令、讀取設備的采集信息，通過用戶界面命令，在進行配置后自動生成相應的VI函數(shù)，供LabVIEW程序調用。

LabVIEW開始采集之前，先需要設置通道參數(shù)。程序可以對采集到的信號進行處理，用戶通過“通道”選擇要測試的通道信息，同時可以實時動態(tài)地進行文件保存。數(shù)據(jù)保存在基于LabVIEW與Microsoft Access數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，二者良好的交互，使得數(shù)據(jù)存儲更加方便。

3測試過程與結果分析

功能測試主要包括模板加電、運行狀態(tài)、電機啟動判斷、信號采樣、保護出口以及與主機的通信等。具體測試方法以及步驟：

a.硬件上電之前，先用萬用表等儀器檢測，確保硬件系統(tǒng)的正常工作。

b.把裝置插接到機箱中，外接AC 220 V電源給供電，同時結合交流標準源提供交流信號源，將硬件系統(tǒng)與測量設備進行物理連接并查看其工作情況。

c.通過LabVIEW軟件監(jiān)控系統(tǒng)，實時動態(tài)地顯示數(shù)據(jù)處理畫面，觀察數(shù)據(jù)采集是否正確。

d.通過對輸入量的改變，觀察硬件動作是否正常。

e.數(shù)學方法驗證，計算采樣值引用誤差，檢測其是否滿足相關標準的精度要求。

在測試過程中，PC機作為主控計算機，Windows系統(tǒng)正常顯示啟動信息，同時借助PC機平臺對實現(xiàn)的功能進行編程與檢測。LabVIEW檢測系統(tǒng)界面實時顯示電機的運行情況以及電壓、電流等參數(shù)。結合RS232串口通信電纜，將模板與PC機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞。將裝置與測量設備進行物理連接。

現(xiàn)對測試的1組數(shù)據(jù)進行分析，驗證系統(tǒng)的精度與可靠性。在輸入U=220 V，I=5 A，φ=0°情況下，測量結果如表1所示。

表1檢測結果

輸入U/V引用誤差/%I/A引用誤差/%220V/5A219.30.324.9980.04220V/5A220.30.144.9920.16220V/5A220.30.144.9940.12

表1引用誤差的計算公式為：引用誤差(%F)= 絕對誤差/滿刻度值。從測試結果來分析，此數(shù)據(jù)的引用誤差均小于0.5%，滿足相關標準的要求，能正常采集信號，起到一定的故障保護作用，實現(xiàn)保護功能。

4結束語

運用計算機和LabVIEW虛擬儀器技術，應用嵌入式系統(tǒng)和USB數(shù)據(jù)采集卡等硬件，在LabVIEW虛擬儀器技術的驅動下，實現(xiàn)了電機保護的實時動態(tài)控制系統(tǒng)，符合電機保護技術的多信息融合，解決了復雜數(shù)學算法的編寫，實現(xiàn)計算機自動處理信息、計算機動態(tài)控制等功能。隨著技術的發(fā)展，可移植和良好的拓展性是LabVIEW具有的獨特優(yōu)勢，便于后續(xù)需要，具有較好的應用價值。

參考文獻：

[1]隋宏進.關于電機保護問題的探究.電氣工程應用，2012(1)：34-36.

[2]連新建.電機保護控制節(jié)能裝置現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.技術與市場，2012，19(4)：100-102.

[3]謝寶昌，任永德.電機的DSP控制技術及其應用.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4]閆亮.GIS智能監(jiān)測系統(tǒng)研究.成都：西南交通大學，2011.

[5]陳西發(fā).智能型電動機保護裝置的研制.西安：西安理工大學，2007.

[6]章佳榮，王璨，趙國宇，等.精通虛擬儀器程序設計與案例實現(xiàn).北京：人民郵電出版社，2014.

[7]劉飛，吳茂.嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的移植分析.教育技術導刊，2008，7(4)：130-131.

[8]熊柯，陳立定，楊兆華.電能質量監(jiān)測系統(tǒng)中的SPI串行通信.佛山科學技術學院學報：自然科學版，2010，28(2)：34-38.

[9]Chow M Y，Sharpe R N，Hung J C. On the application and design of ANN for motor fault detection.Part1 and Part2，IEEE Trans IE，1993(2)：101-107.

[10]楊云飛，徐惠鋼，謝啟.基于虛擬儀器的控制保護開關電氣檢測技術研究.計算機測量與控制，2014，22(1)：25-27.

[11]馮輝.電機保護控制器的設計.物聯(lián)網(wǎng)技術，2011(8)：56-57.

[12]姚年春，徐濤.電機保護裝置的抗干擾措施設計.信息技術與信息化，2014(4)：254-256.

[13]薛世潤，高曉丁.基于LabVIEW的直流微電阻測量儀.工業(yè)儀表與自動化裝置，2014(4)：105-107.