（机械制造及其自动化专业论文）船舶配电设备安全监测系统的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 船舶配电设备是船舶电力系统的重要组成部分，它主要是用来分配船舶电能，并对 用电设备进行监测、控制和保护。船舶配电设备工作环境较差，一旦发生故障，若不及 时排除，将对人身安全和设各安全产生极大的威胁。本文研究的课题就是为了尽早发现 故障并及时排除故障这一目的而设立的，本文主要对船舶配电设备安全监测系统进行研 究和设计，同时对配电设备接地进行了研究。本课题来源于国家经贸委立项的“2 0 万 吨级浮式生产储油船( e l s o ) ”项目的子专题“船舶电气模块一m 叫设计”，该子专题已 列为“十五”国家重大技术装各研制项目。 本文设计的配电设备监测系统由硬件和软件两部分组成。硬件是监测系统的基础， 本文利用霍尔元件的霍尔效应，开发了集成式霍尔电参量测量传感器，能够褪4 量电流、 电压和电功率的变化，同时设计了传感器的信号调理电路，并采用计算机和数据采集卡 组建了数据采集系统。软件是监测系统的关键，本文采用目前测控领域比较先进的虚拟 仪器软件平台l a b v i e w 设计了监钡9 系统的软件，包括配电监测系统的数据采集模块、 数据处理模块、数据显示模块、故障检测模块、数据记录模块、声音报警模块和参数设 定模块等，设计了配电监测软件的数据库系统，用于存储和管理实时数据和故障报警信 息，同时对监测系统的网络通讯进行了研究。通过该监测系统可以实时监测配电设备的 运行状态及运行参数，当配电设备发生故障后，系统自动发出声光报警，并进行报警信 息存储和打印。 本文对集成式霍尔电参量测量传感器进行了传感器标定实验，对配电监测系统进行 了模拟实验。传感器标定实验标定结果为：电流传感器和电功率传感器的线性度均小于 为1 ，满足设计要求；配电监测系统模拟实验结果为：电参量测量误差小于1 ，误差 满足设计要求。标定实验和模拟实验结果说明，本文设计的配电监测系统工作正确，精 度较高，达到了预期的目标。 关键词：配电设备；监测系统；接地；霍尔传感器；l a b v i e w 船舶配电设备安全监测系统的研究 t h er e s e a r c ho fm a r i n ed i s t r i b u t i o ne q u i p m e n t s e c u r i t y m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t n l em a r i n ed i s t r i b u t i o ne q u i p m e n ti sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f t h em a r i n ep o w e r s y s t e m , w h i c hm a i n l yd i s t r i b u t e se l e c t r i ce n e r g y , a n dm o n i t o r , c o n 仃0 1a n dp r o t e c te l e c t r i ce q u i p m e n t t h ew o r kc o n d i t i o no f t h ed i s t r i b u t i o ne q u i p m e n ti sw o r s e i f t h ed i s t r i b u t i o ne q m p m e m b r e a k s d o w na n dt h ef a u l td o e sn o tb e e nr e s o l v e di nt i m e ，t h ef a u l tw i l lt h r e a t e nt op e r s o n a la n d e q m p m e u ts e c u r i t y t h ep a p e r j u s t s o l v e st h i sp r o b l e ma n dc o n c e r n e da b o u t m o n i t o r i n gs y s t e m a n dg r o u n d n 硷t h e s i si sf o r m m a r i n ee l e c t r i c a lm o d l l l er e s e a r c h w h i c hi sas u b - p m j e c t 2 0 0 0 0 0t o n so ff p s o ”m a d eb yt h es t a t ee c o n o m ya n dt r a d ec o m m i s i o na n ds u p p o r t e db y t h et e n t h f i v e - y e a r n a t i o n a lp r o j e c tf o rd e v e l o p i n gg r e a tt e c h n i c a la n d e q u i p m e n t 卫1 em o n i t o r i n gs y s t e mi sm a d eu po f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e n l eh a r d w a r ei sf o u n d a t i o n o fm em o n i t o r i n gs y s t e m b a s eo nh a l le f f e c to fh a l lc o m p o n e n t t h ep a p e rd e v e l o p sa n i n t e g r a t e dh a l ls e n s o rw h i c h c a nm e a s u l 七c u r r e n t , v o l t a g ea n de l e c t r i cp o w e r , d e s i g n ss i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n ds e tu pt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu s i n gp ca n dd a q c a r d 1 1 1 e s o f t w a r ei sa k e yt ot h em o u i t o r i n l n gs y s t e m t h i sp a p e rd e v e l o pt h em o n i t o r i n gs o l w a r eo n l a b v i e w i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t ad i s p l a ym o d u l e ， f a u l t j u d g em o d u l e ，d a t as t o r em o d d e ，s o u n da l a r m m o d u l ea n d p a r a m e t e rc o n f i g u r em o d u l e ， e t c ，d e s i g nt h ed a t a b a s es y s t e m f o r s t o r i n ga n dm a n a g i n g d a t aa n df a u l ta l a r mi n f o r m a t i o n , a n d r e s e a r c ht h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 1 1 1 em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n e di nt h ep a p e rm o n i t o r s t h eo p e r a t i o ns t a t e sa n dp a r a m e t e r so ft h ed i 【s t r i b u t i o n e q u i p m e mi nr e a l t i m e w h e nt h e d i s t r i b u t i o ne q u i p m e n tb r e a k sd o w n , t h em o m t o r i n gs y s t e mg i wa na l a r mb yt h ew a y o f - s o u n d a n dl i g h ta u t o m a t i c a l l y , p r i n ta l a r mi n f o r m a t i o na n dw r i t ei ti n t od a t a b a s e t h ep a p e rh a sc a r r i e do ne x p e r i m e n to fs e n s o rc a l i b r a t ea n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e m n l ec a l i b r a t er e s u l ti st h el i n e a rd e g r e eo f b o t hs e n s o ri sl e s st h a n1 a n d m e e t d e s i g n i n gr e q u i r e m e n t ；1 ks i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l r e s u l ti st h a tt h em e a s u r ee r r o ri sl e s s t h a n1 a n dm e e td e s i g n i n gr e q u i r e m e n t n l er e s u i t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tm o n i t o r i n g s y s t e m w o r k c o 盯e c y ，t h e p r e c i s i o n t h e p r e c i s i o n i s r e l a f i v e l y k g h ，m e t h e a n t i c i p a t e d g o a l k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o n e q u i p m e n t ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；g r o u n d ；h a l l s e n s o r ； l a b v i e w ； 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源及意义 本课题来源于国家经贸委立项的“2 0 万吨级浮式生产储油船( f p s o ) ”项目的子专 题“船舶电气模块一m e m 设计”，该子专题已列为“十五”国家重大技术装备研制项 目，由大连理工大学机械工程学院传感测控所与大连新船重工组成的课题组完成。本课 题的工程依托，是大连新船重工为美国c o n o c o 石油公司设计建造的b e l a n a kf p s o ，是 用于印尼n a t u n a 海底的b e l a n a k 油田的重要设施。这是一艘代表当今世冕最先进水平 的浮式生产储油船 1 。 f p s o ( f l o a f i n g p r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f i o a d i n g 浮式生产储油卸油船) 是海上油田开 发中的重要工程设备，用于对开采的石油进行油水气处理、储存和外输 2 。大型f p s o 系统是诸多高新技术的集合，具有很高的技术含量 3 。船舶配电设备是船舶电力系统 的重要组成部分，它主要是用来分配船舶电能，并对用电设备进行监测、控制和保护。 船舶配电设备运行的可靠性，对保证船舶安全、经济航行具有重要意义。由于船舶配电 设备工作环境较差，一旦发生故障，若不及时排除，将对人身安全和设备安全产生极大 的威胁 4 3 。 本课题船舶配电设备安全监测系统的研究就是为了尽早发现船舶配电设备的故 障，并及时排除故障这一目的而设立的。本课题的研究，对于提高我国在大型船舶配电 设备安全监测系统的研究水平，提高我国在大型船舶领域的设计水平，增强国际竞争 力，具有重要的现实意义和应用价值。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 1 船舶电力系统的发展概况 2 0 世纪初，电开始应用于商船上，最初只是由一台几千瓦的直流发电机供电给照明 负载，直到4 0 年代，因船舶甲板机械大部分由蒸汽作动力，负载功率不大，船舶电站的 功率大多在5 0 0 千瓦以下，电制大多采用直流。随着船舶电力负载的增多以及电力工业 的发展，n 5 0 年代，世界各国商船陆续普及交流电制，将陆上交流技术所获得的经验成 功地应用到船上，船舶电站的功率己达数千千瓦，个别船舶超过一万千瓦，于是中压电 也开始得到应用。 随着船舶向大型化、高速化和自动化方向发展，船舶电站的功率不断增加，为了提 高供电可靠性，自6 0 年代以来，对船舶电站提出了自动化要求。船舶电站自动化的好处 船舶配电设备安全监测系统的研究 有：维持电站供电连续性并提高可靠性，增强船舶运行的生命力。提高船舶电站供电质 量，使所有用电设备处子良好的工作状态；便于及时发现和排除故障，改善船员劳动条 件，减轻值班强度，使船员能有更多的时问和精力从事设备维修工作；减少船员，提高 劳动主产率，提高船舶运行的经济指标。 船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，是实现机舱自动化，进丽实现全船 自动化的必要条件之一。船舶电站自动化通常包括以下功能 5 ； 发电机组在接到起动指令后，实现自动起动； 起动成功后，自动投入电网； 电网电压的自动调节和频率的自动调节； 同步发电机的自动准同步并车及井联运行发电机组间有功功率和无功功率的自 动分配； 按电站负荷惰况实现对部分负载的自动切除或自动投入； 重载询问： 负载转移和过剩机组( 或故障机组) 自动解列，自动停机： 运行参数的控制、显示以及故障的监视处理。 上述全部和部分功能按一定逻辑关系组合起来，称为船舶电站综合自动化。 1 2 2 船舶监测报警系统概述 当前，无人机舱逐渐成为新造船舶的一项要求。世界上一些船级社在所登记的大吨 位的新船中，5 0 以上的船舶具有无人机舱船级。无人机舱就是把控制仪表、警报系统 以及微机巡回检测装置等集中在一起，从驾驶室遥控主机并对全船进行监测与控制。在 正常航行及工作中，机舱可以周期无人值班 6 。 船舶监测报警系统是机舱自动化的重要组成部分。它实时监测主机、辅机等的重要 机电参数，当被监测量越限时，在船上指定的各个部位发出声光报警。按照中国船级社 钢质海船入级与建造规范的定义，报警是指当受监控的机电设备或系统超出预定参 数范围时所发出的听觉和视觉信号 7 。 目前，国外己有多个厂商开发出机舱监测报警系统，例如b w 公司的柴油工况监控 系统、s a a b 公司的油舱液位监控系统、s c a n a 公司的货油舱在线监测系统、i p h 公司的货 油监控系统、u z u s h i o 公司的电力综合管理系统、s t e i ns o h n 公司的报警监测与控制系 统、日本m u s a s i n 0 公司船舱监视装置及系统。 国内也有多家单位开发过机舱监测报警系统，但一般都是适应i b 船改造或单一船型 的单套生产，产品在技术含量和扩展能力上明显落后于国外。例如，上海海运学院于 2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 9 9 8 年采用西门子公司s i m a t i cs 7p l c 为一大型船舶改造了机舱小型巡回监测报警系 统。青岛北洋电气厂开发了s b y l 监测报警系统，系统采用了模块化结构 8 。大连海 事大学开发了机舱网络系统，主站设在机舱值班室，各从站( 监测与控制站) 设在机舱各 部位。机舱网络系统包括机舱报警、柴油机工况监测、主机遥控以及锅炉控制、电站控 制、冷却水温度控制、燃油温度控制等 9 。 机舱监控系统的发展共经历了四个发展阶段： i ) 单项自动调节监控； 2 ) 电、气动及中小规模集成电子模块组合逻辑监控和中小型计算机集中监控； 3 ) 以微机为基础的主从式分布结构监控； 4 ) 以微机为基础的局部网络监控和机舱监控系统与全船自动化系统联网。 船舶机舱分布式总线监控系统的概念是8 0 年代中后期由国外提出的。它以总线为核 心，将所有控制台中的微机连接成网，共享数据。系统具有对资源的动态重构能力，易 于向接入总线系统的更多控制台提供冗余措施，在系统结构上采用总线挂接方式。这些 技术特点实现的前提就是系统构成的模块化。随着这种网络型监控系统技术的发展，其 应用的高效率、多功能，研制开发的低成本，维护、保障的低消耗等要求；使得机舱监 控系统的系列化、标准化成为一种必然的发展趋势。 其中，基于t c p i p 协议的因特网船舶监控系统，实现了网络技术与船舶自动化技 术的结合，是当代最新的船舶监控系统。最新的船舶因特网平台监控系统可以用船内因 特网将船内电脑及机电等设备单元连成一片，这不仅实现了高性能，而且所有的监控单 元只有一种标准，实现了标准化、高可靠、易维护。由于网络速度的极大提高，可以方 便传送图像和声音，使船舶自动化系统不仅实现传统的数据式监控，而且可实现图像式 和声音式监控报警的新模式，产生了新一代的数据图形图像声音混合式船舶监控系统， 这就是2 1 世纪新型船舶自动化系统 1 0 】。 1 2 3 电参量测量的传感器概述 船舶配电设备电参量测量一般包括电流、电压和电功率的测量。电流和电压一般采 用互感器来测量，而电功率的测量方法有：热电式功率测量方法、采样计算式测量方法 以及时分割乘法器功率测量方法。 i 、热电式功率测量方法 交流功率的测量通常是将其转化为等效的直流量来测量。热电式功率测量的方法中 较常用的是由两有效值的平方差得到，公式结果如下 1 1 ： 一3 一 船舶配电设备安全监测系统的研究 i l + i 2 = ( f l + i 2 ) 2 一( 一f 2 ) 2 ( 1 1 ) “ 式中：f 与输入电压成比例的电流， i ，输入电流。 因为热电变换器的魏转误差需要对两种极性信号测量等效直流，又因为热电变换器 的变量特征( 漂移) 需要中间检查和对最后结果的校正，使得测量过程非常复杂。 2 、采样计算式测量方法 采用计算机离散采样方法测量非正弦周期电压、电流有效值以及有功功率是七十年 代末发展起来的一种新的测量技术 1 2 。大致可分为：同步采样法和准同步采样法。同 步采样法测量精度高、算法简便，但硬件电路调试困难。在实际应用中，同步采样技术 存在着不同的方法。准同步采样从同步采样演变而来，是同步采样的改进和发展。准同 步采样最显著的特点是采样周期不要求与信号周期严格同步，这在严重畸变信号下实际 同步采样难以实现真正的同步时具有很大的优越性。准同步采样方法省去了同步采样法 中较难实现的高性能同步环节，硬件电路容易实现，但是它需要较长的测量时间和数据 处理时间，算法相当复杂，并要求被测信号在测量时间内绝对稳定。采样法电参量测量 的特点如下 1 3 ： ( 1 ) 实现了以计算机为中心的电参量测量，充分利用了计算机高效、快速的特 点。 ( 2 ) 同步采样方法测量精度高，算法简便，但实现起来很困难。换句话来讲，同 步是相对的，不同步是绝对的。 ( 3 ) 准同步采样硬件电路容易实现。但算法相当复杂，并要求被测信号周期在测 量时间内绝对稳定。 ( 4 ) 不适合作功率标准与高频测量。 2 、时分割乘法器功率测量方法 根据功率表达式p ( t ) = t l ( t ) i ( t ) ，将u ( t ) 和i ( t ) 输入到乘法器中相乘，得到一个 与功率p 成正比的模拟电压鼠，再将此电压经v - f 转换器变为频率，由频率计在一段 时间f 内计数n ，便可得到这段时间内的平均功率。这就是时分割乘法器式功率数 字化测量的基本原理 1 4 。 时分割乘法器当前主要是用于电功率和电能量的测量，而且主要是作工频范围 的交流测量。由于时分割乘法器在所有模拟乘法器中准确度为最高，因此多用在电 能计量仪器中，成为各种电子式电能表的关键部分。过去的时分割乘法器以电压输 4 大连理工大学硕士学位论文 入型的较多，例如日本2 8 8 5 功率变换器和国产p s 4 、p e 3 - 1 等功率电能表中的乘法器 都属于这种类型。 在该类仪器中，模拟乘法器是关键电路之一，通过它实现了两个输入信号( 电压 及电流信号) 相乘的目的。目前国内外不同型号产品的乘法器电路虽然大多采用脉冲 宽度调制的时分割原理，但却又有完全不同的电路形式，因此也就具有各自的优缺 点 1 5 。 时分割乘法器其特点如下： ( 1 ) 响应时间好，采用i c 电路乘法器可使仪表结构大为简化。 ( 2 ) 时分割乘法器型功率表其成本较低。 ( 3 ) 与热电式功率表相比，不需要直流功率标准，是目前作为工频功率标准而应 用较多的一种。 ( 4 ) 采用时分割乘法器其测量范围宽，容易实现高精度测量，且技术成熟，这也 是其被用作工频功率标准的主要原因。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题的主要任务是对船舶配电设备安全监测系统进行研究。监测系统通过采 集由传感器输出的并经过信号调理电路的状态信号，实时监测配电设备的工况和状 态；当配电设备发生故障时，监测系统发出声光报警，并将报警信息记录到数据库 中，提供故障诊断和分析，从而实现配电设备的自动监测与报警。主要研究内容包 括： 1 监测系统总体方案设计； 2 传感器及信号调理电路设计； 3 数据采集系统设计； 4 配电设备的接地与监测研究； 5 监测系统软件设计： 6 数据库系统设计i 7 网络通讯技术研究； 8 传感器标定和监测系统模拟实验。 。5 船舶配电设备安全监测系统的研究 2 监测系统总体方案设计 本课题的主要目的开发大型船舶配电设备安全监测系统，主要研究对象是船舶配电 设备，主要研究内容是：新型集成式霍尔电参量传感器及其信号调理电路的的设计与开 发，数据采集系统的设计，配电设备接地及监测的研究，监测系统软件的设计，包括数 据库系统设计与网络通讯研究，以及传感器标定实验与监测系统模拟实验研究。 2 1 监测系统的工作原理及总体结构 本文设计的监测系统的测量对象是大型船舶的配电设备。测量对象的被测量( 电 流、电压信号) ，通过电流传感器、电压传感器和电功率传感器转换为电信号( 电压) ，经 过信号调理电路对微弱的电信号进行放大、滤波、整流，然后送入数据采集卡进行a d 转换，最后由计算机进行监测和处理。计算机系统将处理后的监测数据，以多形态方式 在显示器显示出来，并存储在数据库中，供操作人员现场监视和分析。当监测数据异常 时，计算机启动报警器报警，并打印出报警信息。监测系统还可通过网络与中心控制室 的主服务器进行通讯。 配电监测系统总体结构如图2 1 所示。从图2 1 可以看出，配电监测系统包括传感 器模块、信号调理电路模块、数据采集卡、p c 机及其常用外设、软件系统以及数据 库。 澳0 侍 信 数 试弋 感 号 据 对 器 弋 调土 采 3 p c 机 模 理 7 ，7 象 电 集 卡 块 路 图2 1 监测系统总体结构 f i g 2 1m a i n f r a m e w o r k o f m o n i t o r i n gs y s t e m 在熬个监测系统中，计算机不仅对监测数据进行数据采集和必要的分析处理，而且 还对整个监测的全过程进行有效的程序控制。因此，计算机是整个监测系统的中心。 6 大连理工大学硕士学位论文 2 2 传感器的设计 传感器是监测系统信号输入通道的第一道环节，也是决定整个监测系绕陛能的关键 环节之一。传感器是一种能把特定的被测信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器 件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。 本文采用霍尔元件开发了霍尔电流传感器、霍尔电压传感器和霍尔电功率传感器， 并将它们有机的组合在一起，形成集成式霍尔电参量测量传感器，能够测量船舶配电设 备的电流、电压和电功率的变化。 2 2 1 霍尔电流传感器 当电流通过长直导线时，在导线周围即有磁场产生，磁场的大小与流过导线的电流 成正比，这一磁场可以通过高导磁磁材料聚集，然后用霍尔元件来检测，由于磁场与霍 尔元件输出有很好的线形关系，因此利用霍尔元件测得的信号大小可以直接反映电流的 大小。 霍尔电流传感器最直观的一种形式是直接检测式，其原理如图2 2 所示，还有种 零磁通或磁场平衡式霍尔电流传感器 1 6 。本文采用的是直接检测式霍尔电流传感器。 3 图2 2 直接检测式霍尔电流传感器 1 聚磁环2 被测电流导线卜电源4 霍尔元件 f i g 2 2d i r e c td e t e c t i n g h a uc u r r e n ts e n s o r 2 2 2 霍尔电压传感器 霍尔电压传感器的工作原理与电流传感器相似，只是在外接信号上有所差别。如图 2 3 所示，电压传感器的一次线圈上串接一只限流电阻r x ，然后再并联到被测电压上。 所以从原理上讲，电压传感器就是一个小电流的电流传感器。 。7 船舶配电设备安全监测系统的研究 图2 3 霍尔电压传感器原理图 f i g 2 3s c h e m ao f h a l l v o l t a g e s e n s o r 2 2 - 3 电功率传感器 由电功率的基本表达式p ( t ) = u ( t ) i ( t ) 可知，测量电功率需要求出电压和电流的乘 积。霍尔电功率传感器是利用霍尔元件的乘法器的原理而制成的。将所测电压变换成电 流加在霍尔元件上，同时载流导体在其周围的高磁导率磁性材料中产生磁场，磁感应强 度与电流成正比，而磁力线垂直穿过霍尔元件使其在霍尔元件上产生电压，该电压与导 体电流及电压的乘积成正比。而电功率就是电压和电流的乘积，因而霍尔元件实际起着 乘法器的作用。它的电压大小即表示电功率的大小。霍尔电功率传感器原理图见第三章 图3 4 所示。 2 3 信号调理电路的设计 来自传感器的电信号一般不能用数据采集设备来测量，最主要的问题是它们大多数 输出电压非常小，且极易受噪声影响。因此在将它们转换为数字量之前需要先进行放 大、滤波或整流等处理，这项工作叫信号调理，其电路叫做信号调理电路。 2 3 1 放大电路 放大电路是一种最常用的信号调理电路。对电信号进行放大的两个好处是它可以改 进信号数模转换的精度并可以减少噪声。为了得到尽可能高的精度，应该将信号放大到 它的幅度等于模数转换器的最大输入范围。虽然对低电平信号进行放大可以在数据采集 设备中进行，也可以在信号源附近的信号调理模块中进行。但是在数据采集模块中对信 号进行放大，信号就带着进入导线的噪声一起放大，然后进行模数转换和测量。而在信 号源附近用信号调理模块放大信号，噪声的破坏作用将减低，数字化后能更好的反应低 电平的原始信号。本文采用的放大电路是仪用放大器电路。仪用放大器电路又称测量放 大器，具有很高的共模抑制比和很高的输入阻抗。 8 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 整流电路 本文所研究的监测对象为交流电信号，为了能够采用常规仪器测量这一信号，需要 将放大后的交流信号转换为直流信号，即需要整流电路。我们已知，利用半导体二极管 的单向导电性可以组成整流电路，将交流信号变为直流信号。但二极管的特性是非线性 的，特别是当信号幅度较小时这种非线性尤为严重，使得输出电压不能正比于输入电压 而变化；当信号幅度小于死区电压时( 如硅管为0 5 v 左右) ，二极管不再导通。电路将失 去整流作用。因此，单纯由二极管构成的整流电路误差较大、精度较低。为克服这一缺 点，本文将二极管与集成运放结合起来，可得到近乎理想的整流特性。这种电路能在输 入信号幅度相当宽广的范围内实现线性整流并获得相当高的精度，即使在非常小的信号 作用下，输出与输入之间也仍可保持良好的线性关系。这种电路就称为线性整流电路或 精密整流电路。 线性整流电路有两种：半波线性整流电路和全波线性整流电路。全波线性整流电路 是在半波整流的基础上再加一级加法器构成的，又称绝对值电路。本文采用全波线性整 流电路。 2 3 _ 3 滤波电路 经传感器转换成的电信号或其它被测电信号，一般都混有不同频率成分的干扰，在 严重情况下，这种干扰信号会淹没待提取的有用信号。因此，需要有一种电路能选出有 用的频率信号，抑制掉无用的频率与信号不同的干扰。具有这种功能的电路就称为频率 滤波电路，简称滤波电路。本文研究对象为工频5 0 h z 的电信号，信号缓慢变化，因此 需要使用低通滤波器，减少信号的高频成分，提高模数转换的精度。本文采用的是压控 电压源型二阶r c 有源低通滤波器电路。 传感器及信号调理电路的设计在第三章将详细讲述。 2 4 数据采集系统的设计 2 4 - l 数据采集卡的选择 从传感器经过调理电路出来的信号是模拟信号，而计算机只能处理数字信号，因此 必须将模拟信号转化为数字信号，以便计算机进行处理。数据采集卡就是实现模拟信号 数字化的设备，主要完成信号的采样、量化和编码。 在选择数据采集卡构成系统时，必须对数据采集卡的性能指标有所了解。数据采集 卡的主要性能指标如下： 9 船舶配电设备安全监测系统的研究 ( 1 ) 采样率：对于数据采集卡来说，采样率就是进行a d 转换的速率。不同的设 备具有不同的采样率，进行监测系统设计时，应该根据监测信号的类型选择适当的采样 率，盲目的提高采样率，会增加监测系统的成本。 ( 2 ) 分辨率：分辨率是数据采集卡的精度指标，用a d 转换器的位数来表示。数 据采集卡a d 转换的位数越多，把模拟信号划分的就越细，可以检测的信号变化量也 就越小。目前工程上常用的数据采集卡分辨率最低为1 2 位，可以满足一般应用的要 求。对于较高要求的场合，可以使用1 6 位或2 4 位的数据采集卡。 ( 3 ) 量程：量程指所能转换的电压范围，如5 v ，1 0 v 。 ( 4 ) 通道：目前数据采集卡一般有1 6 通道或6 4 通道。可以根据被监钡4 信号的数 量选择，如果有更多的信号需要监测可以采用多个数据采集卡，或使用多路复用。 ( 5 ) 同步采样：如果要分析多个被监测信号的相位关系，则要求多通道同步采样 的功能。 ( 6 ) 模拟输出：需要产生模拟信号时，数据采集卡应有模拟输出功能。 ( 7 ) 数字输入输出：需要对监测系统进行控制或采集数字信号时，要求数据采集 卡有数字输入输出功能。 ( 8 ) 触发：分模拟触发和数字触发，即在一定条件下采样的功能。 以上为数据采集卡的主要性能指标。对一些功能丰富的数据采集卡，还有定时计 数等其它功能，相应地还有其它相关指标，这里不再叙述。 根据现在实验室的条件，有两种数据采集卡可供选择：a c l - 8 1 1 1 和p c i - 6 0 1 4 a c l 一8 1 1 1 是a d l i n k 公司生产的一种多功能、高性能、用于i b mp c 及其兼容机 上的通用数据采集卡。它提供了a d 、d a 、d 0 及d i 四种功能，适用面很广。 p c i 一6 0 1 4 数据采集卡是美国国家仪器公司( n i ) 生产的1 6 位多功能数据采集卡，有 1 0 0 g q 的输入阻抗，保证干扰电流不会影响流入的信号，从而大大提高数据精确度。 这一高输入阻抗性能还简化了许多问题，而这些是在设计外部电路时普遍存在的典型问 题。p c i 一6 0 1 4 采集卡能探测到模拟输入信号4 “v 范围内的变化，可提供高质量的测量 精确度。为了更大程度减少数字化误差，p c i - 6 0 1 4 数据采集卡加入了许多技术，如防 止温度漂移电路，以减少元部件升温而引起的误差。它提供多种连接信号的方法，包括 8 个模拟输入通道有不同的模式、最大程度的噪声消除以及1 6 路模拟输入通道的非接 地单端模式。 考虑到将采用美国国家仪器公司( n i ) 的l a b v i e w 作为开发平台，因此本文选用 p c i 6 0 1 4 数据采集卡。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 2 4 2 狈4 试信号的连接方式 接入数据采集卡的信号根据参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号。接地信号 是信号的一端直接接地的电压信号。它的参考点是系统地( 例如大地或建筑物的地) 。 浮动信号是不连接到建筑物地等绝对参考点的电压信号。 对于大多数模拟输入设备，可以有三种不同的信号连接方式：差分 d i f f ( d i f f e r e n t i a l ) 、参考单端r s e ( r e f e r e n e e ds i n g l e - e n d e d ) 和非参考单端 n r s e ( n o n r e f e r e n e e ds i n g l e - e n d e d ) 1 7 。 在差分测试系统中信号的正负极分别接入两个通道，所有输入信号各自有自己的参 考点。通常差分测试系统是一种比较理想的测试系统，因为它不仅抑制接地回路感应误 差，而且在一定程度上抑制拾取的环境噪声。 尽管差分澳5 试系统是一种比较理想的选择，但是单端测试系统可以有两倍的测试通 道。单端测试系统所有信号都参考一个公共参考点即仪器放大器的负极。 单端测试系统分为参考单端测试系统和非参考单端测试系统。参考单端测试系统用 于测试浮动信号，它把信号参考点与模拟输入地连接起来。非参考单端测试系统用手测 试接地信号。与参考单端测试系统不同的是因为所有输入信号都已经接地了，所以信号 参考点不需要再接地。 本文采用的非参考单端测试系统，如图2 4 所示。 多路复用 模拟输入参考点模拟输入地 图2 4 非参考单端测试系统 f 远2 4n o n r e f e r e n c e ds i n g l e - e n d e dm o n i t o r i n gs y s t e m 数据采集系统的设计将在第四章中详细讲述。 船舶配电设备安全监测系统的研究 2 5 配电设备接地及监测的研究 船舶配电设备的接地是指发电机和变压器的中性点与大地相连接。由于船舶飘浮于 水面，船壳与大面积的水相接触，所以可以把船壳本身看作是“地”。船舶配电设备的 接地也就是船舶发电机和交压器的中性点与船壳相连接【1 8 】。配电设备的接地是防止系 统事故的一项重要应用技术。 在船舶电力系统的发展初期，由于船舶电力系统容量较小，工作电压低，通常不接 地。随着大型船舶的发展，电力系统容量变大，工作电压升高，对地电容也变大，在这 种情况下发生单相接地故障时，接地电容电流在故障点形成的电弧不能自行熄灭，同 时，间歇电弧产生的过电压往往又使事故扩大，显著地降低了电力系统的运行可靠性。 因此，大型船舶的电力系统中性点一般需接地。 本文在第五章中，对配电设备中性点接地运行特点与单相接地故障检测原理进行了 归纳与概述，提出了经消弧线圈接地故障的检测判据，并采用傅氏算法对单相接地故障 数据进行了处理，导出了计算公式，设计了故障判别流程图。第五章同时对配电设备监 测进行了研究，确定了监测界面和监测内容。 2 6 监测系统软件设计 监测系统的硬件电路确定之后，监测系统的主要功能将依赖于软件来实现。 2 6 1 软件设计主要目标 ( 1 ) 易用性：本软件面向的是工程技术人员，系统操作应简单方便，符合工程 应用的一般习惯。因而，在设计时应注意界面的简洁、清晰，功能操作上的一目了 然。 ( 2 ) 易维护性：在系统设计时，采用模块化的设计方法，注意保持一致、良好 的程序设计风格，尽可能采用模块独立、模块间联系的低耦合、高内聚的设计原 则，系统易于维护。 ( 3 ) 可靠性：系统在发生故障或数据输入不合理时，应有较强的抗干扰能力和 容错能力，避免系统的崩溃。 ( 4 ) 安全性：系统在设置时，通过严密的数据检验，保证某些关键参数的安全 性。 2 6 2 软件开发平台的选择 w i n d o w s2 0 0 0 性能稳定，操作简单，可以方便的实现人机交互，它将信息以图形 化的方式全面、形象、直观地呈现在用户面前，并且为应用程序开发提供了丰富的接 1 2 大连理工大学硕士学位论文 口，并支持多种可视化开发工具，例如，v i s u a lc + + ，兰津d r v i ，n il a b y i e w 等， 因而w i n d o w s2 0 0 0 是比较理想的系统平台。 应用软件开发环境的选择，可因开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给 用户一个界面友好、功能强大的应用程序。目前，较流行的虚拟仪器软件开发环境大致 有两类：一类是文本式的编程语言，如c ，l a b w i n d o w s c v i ，v i s u a lc + + 等；另一类是 图形化的编程语言，代表性的有h p v e e ，l a b v i e w 等。图形化编程语言和文本式编程语 言相比，具有编程简单、直观、开发效率高的特点；而文本式编程语言灵活性较好，用 户可以灵活的添加功能，而且图形化的编程软件一般价格较昂贵，开发成本高。各种编 译软件的特点比较见表2 1 。通过比较，本系统采用n i l a b v i e w 作为开发平台。 耙1 各类编程软件的特点 软件特点 m i c r o s o f tv i s u a lc + +易学、使用简单：面向对象可视化编程软件；它的图形控件工具能 b o r l a n dc 十+ b u l i d e r 生成复杂的多窗口用户界面，不必编写复杂的代码；可创建自己a c t i v e x w b o r l a n dd e l p h i 控件或组件，以及多线程和安全的a c t i v e x 控件。 o d a t at r a n s l a t i o n 用于w i n d o s 操作系统的数据采集和产品开发的可视化编程语言：灵 h pv e ew i t hd tv p活。便于应用编程，以及和用户程序接口；a c t i v e x 控件系列，v b 和 d t x e z t mv c 什下，可以设计和配置d a t at r a n s l a t i o n 数据采集板：可以和其他 a c t i v e x 控件组合创建测试应用程序。 h e w l e t t p a c k e di 诤汜不必编写代码就可以进行数据采集与分析；提供数据处理控制：提 供测量过程和测试报告。 n a t i o n a li n s t r u m e n t s具有用于数据采集、仪器、网络和分析的完全集成化的库的图形化 l a b v i e w 环境；可编译性能强：w i n ) 盯、m a co s 、s u n 、h p u x s d 并行p o w e rm a x l a b w i n d o w s c v i中应用，具有交叉平台兼容性；自动化的测试对接软件；s q l 数据库连接 性s p c 分析工具。 用于仪器控制、数据采集和分析的交互式基编译软件包；用于g u i 的 拖拉用户界而编程器；用于快速样桃开发的代码产生工具和内部编译 器；用于g p i b 、v x i 、串行、d a q 、分析、t c p 和用户控制界厩的集成库； 可用于w i n x n t 、s u ns o l a r i s1 x 2 x 和呻一u x 。 兰津d r v i深圳蓝津信息技术有限公司的可重构虚拟仪器实验平台d r v i 是基于软件 总线和芯片结构的快速可重组虚拟仪器开发平台。d r v i 采用软件总线开 放结构和c c u d 0 0 m 组件的即插即用特性设计的具有计算机硬件模块化组 装特点的面向用户的可在线编程、调试和重组的新型虚拟仪器技术，广 泛适用于工业测控、科学实验、远程教育和实验教学等诸多领域。 1 3 船舶配电设备安全监测系统的研究 2 6 3 软件的总体设计 根据监测系统的特点和要求，本文采用模块化、通用化的设计思想，在目前测控领 域比较先进的虚拟仪器软件平台l a b v i e w 上，开发了一种基于数据库的监测软件，通过 数据库实现监测点的配置和监测参数的管理，实现软件的高效开发、使用和维护。 本文设计的监测系统软件的主要功能是对数据采集卡采集的数据进行处理、存储、 显示与传输。由此可以划分出软件的主要模块有数据采集模块、数据处理模块、数据显 示模块、接地故障判别模块、数据记录模块、声音报警模块、参数设置模块、数据库模 块和网络通讯模块。各个模块间相互独立，只留出接口供其他部分调用。监测系统软件 总体结构如图2 5 所示。 图2 5 监测系统软件总体结构 f i g 2 5m a i n s o f t w a r ef r a m e w o r k o f m o n i t o r i n gs y s t e m 系统对监测数据的管理和操作，贯穿于系统各个功能模块中。监测系统数据流程图 如图2 6 所示。监测软件主程序启动时，系统根据测点配置数据库建立系统全局数组， 把监测点的配置情况( 模块号、通道号、测点名称等) 及设置参数( 量程、报警极限、延 迟时阿等) 保存在数组中，为后续数据处理作准备。数据采集模块根据配置情况采集数 据。数据处理模块对采集的数据进行数字滤波等处理操作。 标度转换模块完成两部分工作，一是根据各测点的量程把读入数据转换成真实数据 并保存到相应的显示数组中，二是把转换后的数据，连同测点配置参数一起组成一组数 据库记录，写入实时数据库中。 多形态实时显示模块直接把显示数据的内容，传递给虚拟仪表、实时曲线等显示模 块，实现多种形式数据显示。根据报警极限设置比较目前监测数