（电气工程专业论文）基于labview的电机测试智能调压系统及其数据存储.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o t o r , a sak i n do fe n e r g yc o n v e r t o r ，a p p l i e si na l lk i n d so fp r o d u c t i o na n d n o r m a ll i v i n ga r e a ，e s p e c i a l l yi ni n d u s t r i a lp l a c e s m o t o rt e s t i n gs y s t e mi san o r m a l w a yt ov e r i f yt h ec o n d i t i o no fm o t o r s ，h o w e v e r , t r a d i t i o n a lt e s t i n gw a y sa r ea l w a y s n o tg o o de n o u g hf o rl o wa u t o m a t i o n ，c o m p l i c a t i o na n dl o we f f i c i e n c yt h e m s e l v e s a c c o m p a n yw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et i m ea n dt h ee n h a n c e dt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n ，c o m p u t e r sa r eu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o l l i n ga b r o a d ，t h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g i e sw i l la c c e l e r a t et h es p e e do fn e wm o t o rt e s t i n gs y s t e m ，h e a d i n gf o r i n t e l l i g e n c e ，n u m e r i c ，a n dn e t w o r ks y s t e m v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sb a s e do nt h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e r “s o f t w a r ei si n s t r u m e n t ”，a sab a s i ci d e a , i sb r o u g h tf o r w a r db yt h e c o m p a n yn i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) ，i ts a v eal o to fc o s tb yr e p l a c et r a d i t i o n a l h a r d w a r ef o rs o f t w a r e l a b v i e wi sak i n do fs o f t w a r ed e v e l o p e db yn if o rv i r t u a l i n s t r u m e n tw h i c hu s eg r a p hp r o g r a ml a n g u a g e ，i t sv e r ys i m p l ea n de a s yt ol e a r nb y e n g i n e e r s ，a n dl i b e r a t et h e s ee n g i n e e r sf r o mc o m p l i c a t e dp r o g r a mw o r k ，i tc a na l s o r e d u c et h ed e v e l o p i n gp e r i o da n di m p r o v ee f f i c i e n c y t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi n t o m o t o rt e s t i n gs y s t e m ，s oa st oa c h i e v ei n t e l l i g e n c e ，n u m e r i c ，a n dn e t w o r ks y s t e m f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h em o t o rt e s t i n gs y s t e m ，c l a r i f i e dt h a tt h ei n t e l l i g e n c e ， n u m e r i c ，a n dn e t w o r km o t o rt e s t i n gs y s t e mi st h ed e v e l o p i n gt e n d e n c y ，t h e n i n t r o d u c e dt h es e a r c h i n gd i r e c t i o na n dt e c h n o l o g ym e t h o do f i n t e l l i g e n c ea n d n u m e r i cm o t o rt e s t i n gs y s t e m ”f r o mt h ew h o l e ，i n c l u d i n gd e s i g nm e t h o d ，h a r d w a r e f r a m e ，s o f t w a r ef r a m e ，a n dd i f f e r e n tm o t o rt e s t i n gp r o j e c t s ，e t c s e c o n d l y ，c h o s ea r e p r e s e n t a t i v es u b s y s t e mc a l l e d i n t e l l i g e n tv o l t a g ea d j u s t m e n ts y s t e mf o rm o t o r t e s t i n g ”f o rd e t a i l e di n t r o d u c t i o n ，w h i c hi n c l u d e da l lk e yd e t a i l so ft h em a i ns y s t e m ， s u c ha sc u s t o m e rt e r m i n a li n t e r f a c ep r o g r a m ，c o m m u n i c a t i o ns e r v e rp r o g r a m ，p l c c o n n e c t i o nb a s e do no p ct e c h n o l o g y , e l e c t r i c a lp r i n c i p l ec h a r t s ，e t c f i n a l l y , d i d s o m er e s e a r c hi nd a t a s t o r a g e ，a c t u a l i z e dd a t a b a s e c o n t r o lb a s e do nv i r t u a l i i i 浙江大学硕士学位论文 i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，a c h i e v e db r o w s ea n dp r i n t i n go ft h er e p o r tf o r m s a f t e ra p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nae q u i p m e n tt e s t i n gi n s t i t u t eo fan a t i o n a l c o m p a n yf o rm o r et h a no n ey e a r , t h i ss y s t e mw o r k ss t a b l y , i ti m p r o v e dt h et e s t i n g e f f i c i e n c y ，d e d u c i n gl o a dw o r k i n g ，e n h a n c e dt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dt e s t i n g l e v e l ，f o ra l lt h ee x c e l l e n tb e h a v i o r s ，a l lt h ec o m p a n ym e m b e r sa s s u r ea n da p p r e c i a t e t h i sm o t o r t e s t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：m o t o rt e s t i n g ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；v o l t a g ea d j u s t m e n t ；l a b v i e w i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：链咩维 签字日期： z 口l o年。弓月。6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：簦蟹擎 导师签名： p 束逄莲 签字日期：钿o 年0 3 月o6 日 签字日期：力，p 年3 月扩日 浙江大学硕士学位论文 致谢 本论文是在导师陈隆道教授和周箭老师，樊伟敏老师，蔡忠法老师等多位 课题组老师的关心下完成的，在做课题期间和论文写作期间多位老师给予了学 习和生活上的关怀和照顾，并给予了热情无私的指导。特别感谢我的导师陈隆 道教授，不仅治学严谨使我受益颇深，而且身上散发的一种人格魅力让学生们 深感敬佩：同时，在我遇到生活困难和遇到挫折时陈老师给予无私的帮助和教 导，在此表示诚挚的敬意与感谢。 另外，感谢与我一起做完此课题的林高翔和沈凯明同学，在此课题期间合 作总是挺愉快的，谢谢与我一起渡过了繁琐而又充实的这段项目攻关时间；感 谢实验室陈国志师兄，在学习生活和为人等诸多方面师兄都给与了很多关心和 教导；谢谢师弟文昊翔、李伟国、杨绍拉、乐彦杰，师妹周俐、陈亚军，大家 一起创造的和谐的实验室氛围让我度过了美好的研究生生活；感谢室友周东和 吴小康，大家有着很多共同的兴趣，在一起非常开心；感谢缥缈水云间d a n c e 版和g u i t a r 版这么多共同兴趣的朋友，和你们在一起的时光特别快乐和满足； 真诚地感谢德育导师潘丽萍老师，谢谢您在学习和生活上给予的热情的关怀和 照顾。同时谢谢那些在生活和学习上给予了我关心和支持的老师、同学和朋友。 最后，要感谢我的父母，是你们二十余年来含辛茹苦的培养，谢谢你们的 养育之恩。 熊华维 2 0 1 0 年1 月于浙大玉泉 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景与意义 1 1 1 国内外电机测试系统发展背景与现状 从1 8 2 0 年一直到整个1 9 世纪末叶，发现了电磁现象以及相关的各种法则， 诞生了交流电机的原型，并确立了电机的工业运用，电机测试系统也应运而生， 但早期的电机测试系统非常简单，主要靠依赖技师的水平。从2 0 世纪开始一直 到1 9 7 0 年代，是电动机的成长和成熟期，此时随着大规模集成电路的发展，计 算机开始进入微型化阶段，出现了以微处理器为核心的微型计算机和单片计算 机【2 】，微型计算机也慢慢应用于生产和生活。在微型处理技术的带动下，数字 化自动化仪器仪表渐渐应用于测量领域，以此应用为目标的数字技术、传感技 术、自动控制技术、编码技术、接口技术、a d 和d a 转换技术得到了很大的 发展【3 4 1 ，为电机的微机化自动测试系统的产生提供了理论支持和技术支撑。 德国西门子公司是应用微型计算机进行电机测试的先驱，在上世纪7 0 年代 制造的3 0 0 型过程控制计算机在电机试验中大大简化了各种参数的测量，通过 实现自动测试和数据处理大大提高了测试效率。日本国际检测器公司生产的电 机性能综合测试仪，可以自动测试电压、电流、转速、转矩、功率、效率、功 率因数等十多个项目。国内也在7 0 年代开始了电机智能测试系统的研制工作， 如早期上海电器科学研究所研制，湖南仪表总厂生产的d z w - 1 型电机自动测 试仪，应用于0 5 5 k w - 1 3 0 k w 三相异步电动机的空载特性、短路特性、温升特 性、工作特性等的测试，但由于价格昂贵，软硬件开发周期长，普适性不是特 别好，不利于推广与应用。 上个世纪八十、九十年代以来，由于计算机技术的飞速发展和普遍应用， 电机的智能化数字化测试系统也得到了极大的发展，可以根据用户要求来实现 个性化的需求，从而提高了电机智能化数字化测试系统的应用范围。普遍采用 的方法是上位机采用p c 机，下位机采用工控机，利用上位机给工控机发指令， 工控机通过协议与各个测量设备进行通讯，数据传递和控制，从而实现整个电 机测试系统的智能化数字化功能。由此可以利用p c 机丰富的软硬件资源，友 好的人机界面和强大的数据处理能力以及容错性，使系统在功能上、操作方便 浙江大学硕士学位论文 程度上都超过了国内以往的同类测试设备。但是它们也存在一些局限性和缺陷， 诸如存在系统结构复杂，上位机用户接口软件不够友好，容错性还有待提高， 尤其是测试试验数据的数据管理功能不够完善等缺点。 近年来，随着虚拟仪器技术的快速发展和广泛应用，国内外的许多公司和 科研机构开始研制基于虚拟仪器技术的电机智能化数字化测试系统，其中尤以 美国国家仪器公司( n i ，n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 最为著名，它的核心理念和思想 就是“软件即是仪器 ，基于此思想，n i 公司开发出一系列虚拟仪器产品，其 中最优秀和应用范围最广的属于l a b v i e w 软件，它采用g ( g r a p h ) 图形化语 言，使开发者把精力集中于测试硬件和软件的设计和开发上，能使开发周期缩 短，另一个方面是充分利用了工控机的软硬件资源，将测控与管理结合在一起， 减少开发的人力和费用【5 卅。由此可见，研制以工控机为核心的智能电机智能化 数字化测试系统具有现实意义和广阔前景，是电机试验工业发展的必然趋势。 1 1 2 智能调压系统与数据存储概述 在电机测试系统中，比较重要的环节是通电测试，此目的是让电机在带电 条件下运转从而检测电机的各个性能，而这一环节最重要的又是如何比较高速， 安全有效地将被试电机的电压调到指定的电压值，并且维持稳定。此智能调压 系统是电机智能化数字化测试系统的很关键的一部分，包含p c ( 上位机) 机的 指令，p c 机与工控机( 下位机) 的协议及指令传输，工控机与各电参数仪的协 议与数据传送，工控机与p l c 的通信，工控机通过变频器控制异步电机带动的 变压器的电压调节等等，虽然只是电机测试的一部分，但浓缩了整个电机测试 系统的技术精华。 在得到各个电参数之后，数据的存储以及数据库的查询也是一个非常重要 的方面，如何快速有效的对数据进行存储，浏览和修改，如何实现报表的浏览 与打印，在此方面，l a b v i e w 也提供了强大的功能，使得对数据库的操作更 加简便，提高了研发人员的工作效率。 1 1 3 本文研究的意义 本课题利用l a b v i e w 这一编译型图形编程环境，把复杂、烦琐、费时的 语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能( 图形) ，大大提高了工作效 率。利用虚拟仪器与变频器d p 通信控制变频器的输出频率，从而实现对变压 2 浙江大学硕士学位论文 器输出电压的精确控制；利用串口通信来获取电参数仪的各个电参数，比选用 板卡节省了成本，使得应用面更加广泛，更适合工厂实际应用的对多样性的要 求；同时利用l a b v i e w 编写数据存储程序与数据库查询程序，内嵌于上位机 子程序中，使得整个系统程序都为无缝连接，更方便系统的调试与维持系统的 稳定性。 在整个电机智能化数字化测试系统中，本文先宏观从总的测试系统着手， 系统地阐述了电机测试系统的框架结构，各部分工作机理与方式，给读者一种 整体的把握；然后从比较核心的技术层面智能调压系统和数据库存储来写，从 一个应用型的角度比较详尽具体地讲解一个子系统，但包含所有的核心技术， 从而使读者能更好的利用此方法应用于实际工程。 1 2 本文研究的目的，方法与内容 1 2 1 本文研究的目的 本文设计应用的一套利用虚拟仪器技术的电机数字化智能化测试系统，实 现自动的数据采集，处理，显示，以及对异常情况下的处理措施，提高了电机 测试系统的效率，从而达到被测电机较多时对生产效率的要求。 1 2 2 本文的主要研究方法与内容 本文运用虚拟仪器技术对电机测试系统进行软件编程，包含较为核心的智 能调压系统以及相应的数据存储。 主要内容如下： ( 1 ) 从理论角度出发，对基于虚拟仪器技术的智能化数字化测试系统的电参 量测量原理，硬件与软件构成，网络与数据通讯等方面加以研究，使系统在设 计原理和方案上具有完备与可行性 ( 2 ) 包含有代表性的电气原理图，基于虚拟仪器技术利用o p c 对p l c 进行 读写控制。 ( 3 ) 智能调压系统的通讯协议和指令，调压程序框图，各种调压过程中的安 全保护措施，以及异常报警。 ( 4 ) 数据库存储软件的选择，存储的方法，以及基于虚拟仪器技术的数据库 查询软件编写，报表浏览打印等。 浙江大学硕士学位论文 1 3 本章小结 本章首先论述了电机测试系统发展背景，通过分析得出虚拟仪器技术可以 使开发者把精力集中于测试硬件和软件的设计和开发上，缩短开发周期，还可 以充分利用了工控机的软硬件资源，将测控与管理结合在一起，减少开发的费 用，同时可以满足各电机测试的个性化要求，是电机智能化数字化测试系统的 趋势。然后阐述了此课题的研究的目的，内容和方法，使读者更有效地了解此 系统的技术精髓，为其以后做类似项目提供整体方法和指导。 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章基于l a b v i e w 开发环境的虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成 各种测试、测量和自动化的应用，它由美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 提出，自 1 9 8 6 年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都己将n i 公司的开发工具用 于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时 间，并提高了产品开发和生产效率 7 1 。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界 的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内 提高生产效率。 2 0 年来，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广 受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言 和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据， 使工程人员能够轻松地查看、修改数据或控制输入【8 1 。 2 1 1 虚拟仪器的产生 ( 1 ) 计算机技术的进步为新型仪器提供了基础 电子技术和计算机技术的进步改变了传统的设计思想，许多过去由硬件实 现的功能可以由软件实现；专业化的设计软件为高效、易用的仪器软件开发提 供了工具。 ( 2 ) 传统仪器满足不- j n 试需求 现代测控不仅仅要求单台仪器进行测量，要求多台仪器数据共享，测试结 果实时分析处理；仪器越来越复杂，仪器硬件存在冗余，使用率低，对使用者 的要求提高。 2 1 2 虚拟仪器的概念 ( 1 ) 英国国家物理实验室( n p l ) 的定义 虚拟仪器是在通用计算机( 如p c 机、工作站) 中加上软件或硬件，并使 用计算机屏幕提供仪器虚拟界面的可重用测量仪器。 ( 2 ) n i 公司的定义 浙江大学硕士学位论文 虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件或硬件，使用者在操作这台计 算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用电子仪器。 2 1 3 虚拟仪器的组成 按照虚拟仪器的组成划分，它可以分为计算机、应用软件和仪器硬件三个 部分【9 1 。 ( 1 ) 计算机：提供虚拟仪器通用平台，数据存储，显示等。 ( 2 ) 仪器硬件：获取被测信号，产生激励信号等。 ( 3 ) 应用软件：控制数据采集、控制、分析、处理和显示等。 按照虚拟仪器的功能划分，则其可以分为数据采集、数据分析与结果表达 三部分。 2 2 虚拟仪器的主要特点 同传统技术相比，虚拟仪器技术具有四大特点【1 0 】。 ( 1 ) 性能高 虚拟仪器技术在p c 技术的基础上发展而来，完全”继承”了以现成即用的 p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包含了功能超卓的处理器和文件i o ， 在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。 ( 2 ) 可扩展性强 n i 软件的灵活性，使得只需更新计算机或测量硬件，就可以以最少的硬件 投资和极少的软件升级改进整个系统。 ( 3 ) 产品开发时间少 在驱动和应用两个层面上，n i 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通 讯方面的最新技术结合在一起。方便了用户的操作，同时提供灵活性和强大的 功能，使工程人员可以轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本 的测量和控制解决方案。 ( 4 ) 无缝集成 从本质上说，虚拟仪器技术是一个集成的软硬件概念。随时代的发展，产 品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要同时集成多个测量设备来满足 测试需求，而连接和集成这些不同设备要耗费大量的时间和精力。n i 的虚拟仪 6 浙江大学硕士学位论文 器软件平台i o 设备提供了标准的接口，轻松地将多个测量设备集成到单个系 统，减少了任务的复杂性。 基于以上四大特点，虚拟仪器技术与传统技术的比较可以简明表示【1 ，如 下表2 1 。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 用户自定义生产厂家定义 开发和维护费用低开发和维护费用低 技术更新周期短( 0 5 1 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 软件是关键 硬件是关键 价格低廉价格昂贵 开放灵活，与计算机同步比较固定 可利用网络与各远程设备进行通讯只可连接有限设备 自动、智能化，远距离传播功能单一，操作不便 2 3l a b v i e w 开发系统 2 3 1l a b v i e w 概述 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是美国国 家仪器( n i ) 公司开发的应用于工业测试测量的集成开发环境，是虚拟仪器技术 实现的一个最具代表性和最广泛使用的开发环境，是工业上广泛使用的一种功 能强大的图形化编程软件【例。l a b v i e w 是一个具有革命性的图形化开发环境， 它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性， 提供强大功能的同时还保证了系统灵活性；它将广泛的数据采集、分析与显示 功能集中在了同一个环境中，让工程师可以在自己的平台上无缝地集成一套完 整的应用方案。 到2 l 世纪初，全球已有超过3 0 0 0 0 用户在使用虚拟仪器技术，在这些用户 里面不乏国际知名的大公司，像p h i l i p s ，n o k i a ，s i e m e n s ，t e k t r o n i x 等，可以说， 虚拟仪器技术和我们的日常生活息息相关。在世界财富5 0 0 强中的制造业厂商， 7 浙江大学碗学位论文 有9 5 以上都采用了虚拟仪器技术，特别是核心开发软件l a b v i e w 。据有关 专家推测，目前我国至少有4 0 的仪器为虚拟仪器。虚拟仪器技术特别是开发 软件l a b v i e w 将在航空、航天、通信、医疗、电力、石油、铁路等行业普及 与应用1 9 川l 。 2 32l a b v i e w 开发环境介绍 由于虚拟仪器技术的不断更新和发展l a b v i e w 也在不断更新，从1 9 8 6 年在m a c i n t o s h 平台下的l a b v i e w l0 到现在的最新版本l a b v l e w2 0 0 9v 90 已经有l o 多代了。“软件即是仪器”的思想一脉相承，功能越来越强大。本文 用的是2 0 0 6 年8 月n i 公司发布的l a b v i e w 82 0 ，它是l a b v i e w 诞生2 0 周年 的纪念版，同时也是第一个支持简体中文的l a b v i e w 版本。图21 为 l a b v i e w 82 0 启动的界面。 篇器 鞲l a w i e w 一 _ i _ _ _ 皿皿盈蕊强黑黑 图2 1l a b v i e w 82 0 启动界面 打开启动界面后，就了进入l a b v i e w 82 0 的导航窗i = 1 ，相对于8 0 以前的 版本有了较大改动，呈现更多的新特性。窗口的右边栏目给出了l a b v i e w 82 0 所有的新特性：包含与m a t h w o r k s 公司m a t l a b 软件的兼容性；用于构建工 业控制器的基于f p g a 的自定义硬件设计向导；用于设计和维护大型测试系统 使用的面向对象工具；创建高级用户界面的全新向导工具；以及为n e t 、w e b 和d l l 自动生成界面等新功能旧。可以说，l a b v i e w 8 2 0 是一次很大的改进， 导航窗口如图2 2 所示。 浙江大学顿学位论文 囤22 l a b v i e w 82 0 的导航窗口 233l a b v i e w 编程原理简介 l a b v i e w 程序被称为v i ( v m u a l i n s m m a e n t ) 并以v i 作为扩展名。l a b v i e w 通常由前面板和背面板组成：前面板为程序界面放置控制控件和显示控件，背 面板用来编写程序。控制控件为程序提供输入端口，包括数值型、布尔型。文 本、枚举等控制控件。显示控件对应于各种控制控件，完成各类数据的输出和 显示。相比于文本编程语言，l a b v i e w 提供了基于图形的开发环境，此开发环 境基于数据流程序中一个模块运行与否取决于数据是否到达该模块，及模块 所有的接口都得到数据时数据才运行，运行结束时输入端口发送数据，传递给 其他模块。基于数据流方式的程序运行模式决定了程序本身需要并行运行，而 普通的文本开发环境代码运行取决于代码的先后，实现并行运行的程序非常复 杂。 程序的输入称作控制控件，如按钮、刻度盘、旋钮等，输出则称为显示控 件，如图形显示器、仪表和l e d 显示等。当程序运行时，前面板提供所有的输 入输出控件，背面板提供运行控制代码，包含端口、节点、连线、结构等等， 因此也称为程序框图。前面板与背板之间的接口称作端口，前面板的控件必然 在背面板对应一个端口，连线是用于建立起两个端口的数据流向。 浙江大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章开始介绍了虚拟仪器的产生，对虚拟仪器的概念进行简单阐述，简要 说明了虚拟仪器系统的软硬件构成；接着，叙述了虚拟仪器的四大优点，并且 通过虚拟仪器与传统仪器的比较，直观地看出其优点；然后通过例举，说明了 虚拟仪器在当今科学工程的各个领域的广泛应用；最后引出虚拟仪器技术的最 有代表性应用最广泛的l a b v i e w 开发环境，对其开发原理简介，有助于读者 对以下几章电机测试系统说用到的开发环境的理解。 l o 浙江大学硕士学位论文 3 1 系统概述 第3 章电机智能化数字化测试系统组成 “电机智能化数字化测试系统”是某设备检修有限公司根据目前国内外电 机行业的现状、发展趋势及其公司需求提出的，将原有的各参数以手工测试为 主改造成全自动测试，在原有电源和主控系统的基础上，改造和增加适量的电 源及其主控设备，新增试验局域网，新增自动化测试设备和l e d 大屏幕显示等。 系统充分利用了不断发展中的网络资源，并采用常规仪表、数字化处理技 术与计算机管理技术相结合的模式，是新一代网络型、智能型、数字型的电机 试验系统。 系统可实现一对多的试验操作( 即任试验操作计算机能对试验平台上的 任一套试验设备进行测控) ，以及自动、手动并存的高效试验方式。系统在遵循 相关国家标准、行业标准和企业标准的基础上，保障试验安全性、可靠性、准 确性、实用性和先进性，并预留了对后续工程的兼容性、共享性和可扩展性。 3 1 1 系统设计原则 根据“电机智能化数字化测试系统 技术开发项目的现代化、数字化、信 息化的总体目标要求，在遵循相关国家标准、行业标准和企业标准的基础上， 以实现系统的安全性、可靠性、先进性、可扩展性、实用性、及其灵活性等系 统设计原则。 ( 1 ) 安全性：保证人身安全、设备安全和数据安全是“电机智能化数字化测 试系统 技术开发项目的首要任务； ( 2 ) 可靠性：唯有系统能可靠运行的前提下，才具有系统先进性及其它总体 目标的意义。包括网络运行、数据传输、仪器设备、及其开关夹具等的选用都 须遵循可靠运行的设计原则； ( 3 ) 先进性：在局域网、测试系统、仪器设备等的设计和选购时，要采用当 今世界的先进技术，既要兼顾技术上的成熟性，也要保证系统的先进性； ( 4 ) 可扩展性：系统采用的组网设计，应考虑对后续工程具备良好的兼容性、 共享性和可扩展性； 浙江大学硕士学位论文 ( 5 ) 实用性：由于该系统直接面对试验人员，对电源系统、开关夹具、软件 界面等的设计，都须遵循实用原则，避免劳神费时低效的花架子工程； ( 6 ) 灵活性：包括试验客户终端的增减、仪器设备的检修互换、试验客户终 端与试验操作平台的对应关系都须满足灵活性的系统设计原则。 3 1 2 总体方案 根据“电机智能化数字化测试系统 任务书的要求，为实现一对多的试验 操作( 即任一试验操作计算机能对试验平台上的任一套试验设备进行测控) ，以 及自动、手动并存的高效试验方式，本方案还充分考虑到后续工程的兼容性、 共享性和可扩展性等因素。本系统的组成不仅应该具备系统的可靠性和试验的 准确性，而且应该能够适应信息化、网络化发展的时代要求，并力求达到区域 乃至国际的先进水平。 为实现灵活的测试方式和信息的共享，并使本系统具有可扩展性，拟组建 电机与变压器试验局域网。本局域网包括主、从网络服务器、数据库、七个客 户终端、试验用通讯服务器、远程网络接口、l e d 大屏幕显示控制器，以及打 印绘图等设备。 设置主、从网络服务器的目的是有利于网络的运行、维护和检修，属网络 的可靠性冗余设计。由于目前的计算机存储容量和运行速度均具有足够的扩展 空间，本系统中的数据库拟设于主从网络服务器中。客户终端只需选用一般机 型，并配以十九英寸液晶显示屏、键盘和鼠标。试验用通讯服务器是电机与变 压器试验的关键性设备，所有试验过程的控制、试验线路的连接、试验数据的 采集、电路状态的检查、以及某些特殊任务( 如调压、调载等) 的实现，都将 由通讯服务器完成。由于该设备是现场测试仪器、p l c 等与局域网的连接中枢， 故对现场的强电磁干扰、负载冲击、电力电子设备的起停等异常扰动都应该具 有良好的隔离和缓冲作用。因此，试验用通讯服务器必须选用工业现场用的具 有强抗干扰性能的机型。 本方案还考虑到，通过远程网络接口，建立本试验局域网与企业内部信息 网络的联接，设置严密的网络许入等级权限，杜绝无关人员的访问，方便具有 高等级许入条件的内部和管理人员登入、查询和共享试验信息资源。 为了醒目地显示各种文字或现场试验状况( 如某试验平台正在进行的试验 1 2 浙江大学硕士学位论文 项目、试验进程、电气参数等) ，采用3 6 平方米的l e d 大屏幕显示器。l e d 大屏幕显示控制器与局域网相连。 3 2 硬件构架 3 2 1 系统硬件框图 系统的硬件框架如图3 1 所示。包括主服务器( 数据库) 、7 个工作终端、 试验用通讯服务器、远程网络接口、l e d 大屏幕显示器，各类仪表、p l c ，以 及打印绘图等设备。 图3 1 电机智能化数字化测试系统框架 系统软件由以下三部分构成：服务器、工作站、通讯服务器。系统数据库 设于主服务器。l e d 大屏幕显示器用于醒目显示各种文字或现场试验状况，可 使用无线遥控或计算机控制方式。 服务器是系统的数据核心。保存了系统公用数据、数据库软件等，其主要 功能是数据管理，实现对各种工作数据、故障报警记录的存取，数据查询和网 络管理。 工作站是系统的操作核心。通过友好、直观的人机界面，动态显示系统工 艺流程、设备工作状态等，并可实现对各设备的远程控制、数据采集、故障报 浙江大学硕士学位论文 警等功能。 通讯服务器是系统的硬件关联核心。通过网络接收各工作站指令，直接与 各类测试仪器、p l c 等进行数据和命令的交换，并将数据和状态返回。 通过远程网络接口，建立本试验局域网与企业内部信息网络的联接，设置 严密的网络许入等级权限，杜绝无关人员的访问，方便具有高等级许入条件的 内部和管理人员登录、查询和共享资源。 系统具有较强的灵活性、实时性和通用性，人机界面友好。只要是网内的 工作站，各类用户均可登录系统，即时进行相关操作，不受时间和空间的限制。 系统的使用改变了传统的电机与变压器试验模式，不仅提高了试验效率和试验 精度，而且进一步完善了对试验数据的管理与分析。 3 2 2 系统硬件列表 3 2 2 1 局域网系统硬件 测试系统采用计算机局域网的连接方式【1 3 1 4 1 ，各部件通过局域网进行数据 交换和传输，硬件包含有服务器、通信服务器、客户计算机、交换机、激光打 印机、机柜六部分。其配置如表3 1 所示。 表3 1 局域网系统硬件配置明细 序号货物名称品牌型号数量产地 d e l lp e l9 5 0 双核 至强处理器5 0 5 0 l 服务器 3 0 g 内存2 g b 硬盘2 美国 1 4 6 g b 1 9 ”液晶显示 器 d e l lg x 6 2 0 奔腾 ( r ) d 处理器9 4 0 3 2 0 g 内存1 g b 硬 2 通信服务器盘1 6 0 g b 1 9 ”液晶显 2 美国 示器m o x a 3 2 口多 串口卡s i e m e n s 5 6 13 卡 d e l lg x 6 2 0 奔腾 ( r ) d 处理器9 4 0 3客户计算机 3 2 0 g 内存1 g b 硬 7 美国 盘1 6 0 g b 1 9 ”液晶显 示器 1 4 浙江大学硕士学位论文 c i s c o 4 交换机 1 深圳 w s c 3 5 5 0 2 4 e m i 5 激光打印机 h pl a s e d e t5 2 0 01 美国 德国威图 6机柜 2 德国 2 0 0 0 x 8 0 0 x 8 0 0 3 2 2 2 电机测试系统硬件 本电机测试系统测试电机包含交流工频电机试验系统、交流变频电机试验 系统、变压器试验系统、直流电机的试验系统、交流伺服电机试验系统。其中 每个规格电机测试系统又分为若干个针对不同容量电机的子测试系统，由于篇 幅有限，仅取有代表性的工频交流电机测试系统中5 0 k v a 调压为例，如表3 2 所示，其余硬件配置详见附录l 。 表3 2 工频5 0 k v a 调压，电源输出( 2 0 0 a ) 序号货物名称品牌型号数量 产地 l电流传感器2 0 0 a 、5 0 al e m 6瑞士 2电流量程切换控制器s i e m e n s3 德国 3 可编程控制器s 7 3 0 0 系列 s i e m e n s1德国 4交流变频器s i e m e n s1 德国 5 数字式综合电参量表 y o k o g a w r a1日本 5 数字式绕组电阻仪 1 台湾 6 电气控制柜 r i t t a l1 德国 3 2 2 3l e d 大屏幕显示系统 大屏幕显示器置于试验区，显示所要求的各种文字或显示任意一台试验装 置的试验情况，显示信息包括试验装置号、试验项目、试验数据，以及试验相 关提示等说明文字。采用r s 2 3 2 口作为与外界进行数据交换的通道。可以预 先在上位计算机把显示内容编制，然后通过r s 2 3 2 口下载到显示屏控制器， 储存在e p r o m 里。随后，显示屏就可以在脱机状态下按新的播放表显示新的 内容。基本信息如表3 3 所示。 表3 3l e d 大屏幕显示配置明细 序号 货物名称 品牌型号 数量产地 上海三思，双基色 1l e d 显示屏 点间距：6 3 5 m m 1 上海 1 4 3 m ( 高) 1 8 3 m 浙江大学硕士学位论文 3 3 软件构架 3 3 1 设计思想与遵循原则 ( 1 ) 数字化 各种电量、非电量数据测量采用测量仪器进行数字化采集，并传输到计算 机系统做进一步数字化处理、储存和显示。 ( 2 ) 高效率 试验数据由计算机进行动态采集并处理，自动生成电机工作测试报告和特 性曲线，如出厂试验报告，输入电压、定子电流、效率、功率因素、转差率与 输出功率的关系曲线，损耗曲线、效率曲线等，并可打印、存储和显示相关报 告和曲线。 ( 3 ) 兼容性 数据的传输采用国际标准接口完成，试验软件采用国际流行的编程软件编 制，界面符合w i n d o w s 操作系统风格，各类试验数据实现数据库管理，并与 现有数据库兼容。 ( 4 ) 先进性 整个试验软件系统设计与技术发展潮流相吻合，保证系统整体的先进性、 技术寿命及后期投资的可延续性。 ( 5 ) 实用性 试验软件系统应着重解决试验操作的主要实际问题，力求实用，做到操作 尽量简单直观，维护方便。 ( 6 ) 可靠性 试验软件系统的设计，不能一味地追求技术的先进性，更重要的是考虑其 技术的成熟程度，同时还必须采取多种措施提高系统的可靠性，使其能长期连 续地发挥其功能。 ( 7 ) 安全性 试验软件系统除了要完成试验规定的操作以外，还应该具有系统保护的辅 助功能，不仅在试验进行过程中对试验条件进行判断，并显示相应的提示或警 告信息，而且在试验出现故障时能通过一系列动作对试验人员、试验装置和被 1 6 浙江大学硕士学位论文 试品进行保护【15 1 。 3 3 2 试验软件系统组成 根据系统硬件设备构成总体方案，系统软件的总体方案如图3 2 所示。 图3 2 系统软件的总体方案 ( 1 ) 大屏幕显示监控程序 大屏幕显示器的监控程序负责显示一台或几台试验装置的试验情况，显示 信息包括试验装置号、试验项目、试验数据，以及试验相关提示等说明文字。 ( 2 ) 主服务器数据库维护程序 主服务器是试验数据的存储地，也是试验数据的中转站。试验数据来自于 各用户终端，以数据库的形式存储于服务器。数据库维护程序负责对数据库进 行管理与维护，它可以允许大屏幕显示装置、用户终端、以及远程用户对数据 库中的数据进行读取操作，但禁止未授权的用户对数据库中的数据进行修改。 ( 3 ) 用户终端试验程序 用户终端是用户进行计算机控制自动试验的操作平台，用户终端试验程序 可以实现电机试验的过程( 阍，并从各试验仪器获得数据、进行分析、绘制图表， 并将数据以数据库形式存储于服务器。 试验程序l 至试验程序5 分别对应5 种不同的测试对象，即交流工频电机试 验系统、交流变频电机试验系统、变压器试验系统、直流电机的试验系统、交 1 7 浙江大学硕士学位论文 流伺服电机试验系统。 ( 4 ) 通讯服务器系统控制与数据采集程序 通讯服务器介于用户终端与仪器、p l c 之间，其主要功能有： 1 负责用户终端对仪器、p l c 的排他控制； 2 负责实现用户终端与仪器、p l c 之间命令与数据的转发； 3 负责实现诸如调压、调节负载等闭环控制过程。 ( 5 ) p l c 继电控制程序 p l c 用于控制柜的继电控制，出于成本考虑，由一套p l c 系统对所有继电 器控制触点进行控制，针对5 种测试对象分别命名为p l c 程序l 至p l c 程序5 。 3 3 3 用户终端试验程序功能 用户终端( 上位机) 试验程序用于实现电机和变压器的出厂试验、型式试 验试验程序应具有以下功能： ( 1 ) 电机或变压器的型号、参数设置； ( 2 ) 试验条件设置； ( 3 ) 试验功能和试验过程选择； ( 4 ) 试验过程控制与试验信息提示； ( 5 ) 试验数据显示、修改与保存； ( 6 ) 报表信息录入； ( 7 ) 试验报表或试验特性曲线生成； ( 8 ) 试验报表或试验特性曲线打印； ( 9 ) 试验数据文件存取管理。 3 3 4 用户终端操作晃面及说明 以交流工频电机试验系统为例，交流工频电机试验装置为5 套，容量分别 为：1 0 0 0 k v a ( 高压、低压) 、1 5 0 k v a ( 低压) 、5 0 k v a ( 低压) 2 套。 ( 1 ) l o 6 3 k v1 5 0 0 k w 以下交流高压电机