（电气工程专业论文）基于虚拟仪器技术的网络型电机测试系统软件设计.pdf

摘要 电机在工业领域有着举足轻重的地位 是工业生产正常进行的基本要素 电机在维修期间的各个阶段 都要进行一系列试验 以获取电机的各种物理参 数和性能指标 基于传统开发平台的电机测试系统 具有开发周期长 自动化 程度低 成本高 兼容性和扩展性差的不足 因此 建立一种便捷有效 满足 现代需求的电机测试方法变得十分重要 l a b v i e w 是n i 公司针对目前复杂的自动测试与控制所提出的一种功能强 大 成本低廉 系统灵活的新一代虚拟仪器软件 将其应用在电机测试领域具 有独特优势 本文简要介绍了电机测试系统的现状与发展趋势 及虚拟仪器技术的概念 与工程应用 提出了利用虚拟仪器技术与计算机网络技术相结合的方法构建电 机测试系统的思路 详细论述了系统的硬件构架与器件选型 给出了系统的p l c 控制单线图与p l c 输入输出点的设置 利用l a b v i e w 软件平台完成了主服务 器的软件编程 实现了本测试系统的数据库管理 包括各种工作数据 故障报 警记录的存取 数据查询和网络管理等 完成了通讯服务器的软件编程 实现 了对工作站下发命令的接收 翻译与下达 p l c 状态的监控以及各电参数仪器 数据的实时接收 分析处理与传输 完成了工作站的软件编程 实现了对各类 设备的远程控制 数据采集 故障报警 错误提示等功能 系统完成开发后 已在上海宝钢集团宝钢设备检修公司电仪设备修造厂稳 定运行一年有余 实际应用效果表明 该系统人机界面友好 操作简单 提高 了生产效率 并改善了检修中心试验人员的试验条件 关键词 电机 测试系统 虚拟仪器 通讯 l a b v i e w i i a b s t r a c t m o t o r af u n d a m e n t a lf a c t o ro fi n d u s t r y i sv e r yi m p o r t a n tt om a k et h eo p e r a t i o n o ff a c t o r i e sn o r m a l a te v e r ys t a g eo fm a i n t e n a n c e m o t o rm u s tb et e s t e df r o m v a r i o u sa s p e c t si no r d e rt og e tt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r s t h e r ea r el o t so fd e f e c t so f t h em o t o rt e s t i n gs y s t e mb a s e do nt h et r a d i t i o n a ld e v e l o p m e n tp l a t f o r m s u c ha sa l o n gd e v e l o p m e n tc y c l e al o wd e g r e eo fa u t o m a t i o n c o m p a t i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y a n dah i g hc o s t s o i ti sv e r yn e c e s s a r yt ob u i l dt h em o t o r t e s t i n gs y s t e mw h i c hi s c o n v e n i e n t e f f e c t i v e c o m p a t i b l ea n df r i e n d l y l a b v i e w av i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r e w h i c hi sp o w e r f u l l o w c o s ta n d f l e x i b l e i sd e v e l o p e db yn a t i o n a li n s t r u m e n t sc o l t d f o rc o m p l e xa u t o m a t e dt e s t a n dc o n t r 0 1 l a b v i e wh a su n i q u ea d v a n t a g e si nt h ef i e l do fm o t o r t e s t i n g i nt h i sp a p e r f i r s t t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h et r e n d so ft h em o t o rt e s t i n g s y s t e ma n dt h ec o n c e p ta n dt h ea p p l i c a t i o n so fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yw e r e i n t r o d u c e db r i e f l y s e c o n d an e wm e t h o d c o m b i n i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya n dt h en e t w o r kt e c h n o l o g y w a sp r o p o s e dt ob u i l dan e wm o t o rt e s t i n g s y s t e m t h i r d t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n dt h ed e v i c es e l e c t i o no ft h es y s t e mw e r e i n t r o d u c e d m e a n w h i l e t h es i n g l e l i n ed i a g r a m so fp l co ft h es y s t e mw e r ed r e w a n dt h ei n p u ta n do u t p u to fp l cw e r es e t f o r t h t h es o f t w a r eo nm a i ns e r v e rb a s e d o nl a b v i e ww a sd e v e l o p e d w h o s em a i nf u n c t i o n sw e r ed a t a b a s em a n a g e m e n tf o r t h i ss y s t e m i n c l u d i n gr e a d i n ga n dw r i t i n gv a r i o u sw o r kd a t aa n dr e c o r d so ff a u l ta n d a l a r m s e a r c h i n ga n dn e t w o r km a n a g i n g f i f t h t h es o f t w a r eo nc o m m u n i c a t i o n s e r v e rb a s e do nl a b v i e ww a sd e v e l o p e d w h o s em a i nf u n c t i o n sw e r er e c e i v i n g t r a n s l a t i n ga n di s s u i n gt h ec o m m a n d sf r o mw o r ks t a t i o n s m o n i t o r i n gt h es t a t u so f p l c r e c e i v i n g a n a l y z i n g p r o c e s s i n ga n dt r a n s p o r t i n gt h ed a t af r o me l e c t r i c a l d e v i c e s f i n a l l y t h es o f t w a r eo nw o r ks t a t i o n sb a s e do nl a b v i e ww a sd e v e l o p e d w h o s em a i nf u n c t i o n sw e r e r e m o t e l yc o n t r o l l i n g t h ev a r i o u sd e v i c e s d a t a a c q u i s i t i o na n df a u l t sa l a r m 一i i i u n t i ln o w t h es y s t e mh a sb e e no p e r a t i n gs t a b l ya l m o s to n ey e a ra n da nh a l fa t t h em o t o rt e s t i n ga n dr e p a i r i n gc e n t e ro fb a o s t e e lg r o u p p r a c t i c a la p p l i c a t i o n d e m o n s t r a t e st h a tt h es y s t e mm a k et h ep r o d u c t i v i t yi n c r e a s e d i n t e r f a c ef r i e n d l y t h e t e s te n v i r o n m e n to fw o r k e r st h e r eb e a e r k e y w o r d s m o t o r t e s ts y s t e m v i r t u a li n s t r u m e n t c o m m u n i c a t i o n l a b v i e w l 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 也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 彳牡二j 阳签字日期 年3 月汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学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 本人授权浙江大学可以将学位论文的 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 雅 碉翩签名 广隶彦毫 签字日期 沙年 月 形e l 签字日期 加 o 年弓月6e l 致谢 本学位论文是在导师陈隆道教授的悉心指导下完成的 倾注了导师极大的 心血 导师渊博的学识 严谨的治学态度 高度的责任心 始终激励着我不断 得探索与研究 本论文的每一个部分无不闪现着导师的教诲与心血 导师不仅 在学术上给予我重要的指点 在生活与思想上也给予我无私的帮助与教诲 使 我走过一个又一个挫折 在这里对陈隆道教授表示崇高的敬意与诚挚的感谢 同时还要感谢师母王老师 她一直关心和鼓励我的研究工作和生活 令我深受 鼓舞 特别感谢周箭老师 在整个项目的研发过程中 周老师认真学术 任劳任 怨的精神深深感染了我 并在学术上给予了我极大的帮助与指点 特别感谢樊 伟敏老师 在现场调试的两个月身先士卒 承担了很大的项目压力之余 还很 为我们整个团队的生活起居着想并细心指点学术问题 在这里对两位老师表示 崇高的敬意 另外 深深感谢郑家龙教授 阮秉涛老师和蔡忠法老师对本项目 的指导 感谢宝钢检修公司工作人员对本项目的配合工作 感谢一起完成这个项目的熊华维同学和沈凯明同学 在一起做项目的日子 里我在你们身上学到了很多宝贵的东西 感谢实验室的陈国志师兄 文昊翔师 弟在学习与生活上对我的帮助与关照 以及其他同学提供的良好科研环境 感谢浙江大学乒乓球队的兄弟姐妹们 使我在浙大七年的业余生活更加丰 富多彩 有了你们 才有了我这样不同寻常的一段人生经历 最后感谢我的父母 养育教诲 无以为报 林高翔 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 1 论文研究的背景与意义 第1 章绪论 电机是指根据电磁感应定律来实现电能转换或传递的一种电磁装置 它的主 要作用是通过产生驱动转矩 作为各种用电器或者机械的动力来源 l 电机不仅 是工业 农业和交通运输业的重要设备 而且在日常生活中的应用也越来越广泛 近年来 随着国民经济的飞速发展 科学技术的不断提高 各行各业对电机的需 求量不断增加 并对电机产品提出了越来越高的性能和质量指标要求 为了对各种电机的各种电量及非电量性能指标进行测试与评定 各种电机测 试系统被研发出来 以实现对各种电机的电气及机械性能的测量 测试系统通过 分析测试过程中的数据 根据相应指标判定出厂产品性能的优劣并以此来改进相 关的生产工艺 或判断待修电机的故障类型以此来对待修电机进行维修 因此 电机测试系统在动力机械生产维修领域具有十分重要的作用 2 1 随着科学技术的不断进步 各式各样的电机被研制出来 并大量投入到人类 日常的生产生活中去 尤其是在钢铁工业中 各类大中小型电机均有用武之地 现有的电机测试系统虽然在某些类型的电机或某些电机测试的性能指标方面具 备了精确便捷的测试能力 但是将各种类型电机的各种测试试验综合于同一个系 统 国内难以找到先例 在电机测试技术的不断发展过程中 虚拟仪器技术渐渐显示出了强大的生命 力与先进性 3 1 而与此同时 计算机网络技术的发展也使现代人类社会的各个领 域发生了翻天覆地的变化 那么 如何利用现有设备有机整合虚拟仪器技术与计 算机网络技术 实现实用廉价 快速准确 功能完备 先进 兼容 易扩展的电 机自动测试系统 具有极强的现实意义 1 2 国内外电机测试系统现状与发展趋势 4 l 1 5 1 1 6 1 1 6 电机测试技术主要是研究电机各种特性及参数的测试原理及方法 包括电机 的工作特性 机械特性 热 噪声 磁场 电量及电参数的测试 误差分析和试 验数据处理 一7 一 浙江大学硕士学位论文 最初的电机测试系统 采用普通的机械按钮与指针式仪表依靠人工操作获取 试验数据 并由人工整理成表 绘制数据等 这种测试系统由于试验条件客观因 素的限制 如电源电压波动 频率波动 人为误差等的影响 其试验结果往往具 有误差率大 准确度低 重复性差的缺陷 上世纪七十年代以来 测试测量领域开始普遍应用数字化自动化仪器仪表 并出现了电机测试专用仪表 这种仪表一般由单片机构成 其测量精度高 鲁棒 性强 功能比较完备 提高了自动化的程度 但是这种系统软件开发周期长 硬 件设计和调试工作量大 并且价格昂贵 不利于推广应用 上世纪八 九十年代以来 计算机技术快速发展 国内外许多科研单位与高 科技公司开始研制以p c 机为核心的电机自动测试系统 由于构建在p c 平台之 上 这种系统的组件和功能的扩展十分的方便 并具有友好的人机界面和强大的 数据处理能力以及容错性 在测试功能 测量精度等各项指标上都远远超过了传 统的试验方法 使电机测试技术步入了新的时代 近年来 虚拟仪器技术快速发展 国内外许多公司和科研机构纷纷开始研制 基于虚拟仪器技术的电机测试系统 虚拟仪器技术的最大特点 是有机结合了计 算机资源和仪器硬件技术 在系统内部共享软硬件资源 把由厂家定义仪器功能 的方式转变为由用户自己定义 用户可以根据测试功能的需要 自己设计所需要 的仪器系统 随着网络技术的引入 虚拟仪器技术渐渐向网络化方向发展 应用分布式网 络测控技术 可以进行分布式多点测量与分析 充分发挥系统的接口能力和数据 处理能力 虚拟仪器技术和网络技术的结合应用 是未来大型电机自动测试技术 的发展趋势之一 1 3 本系统采用的多种通讯协议 1 3 1r s 2 3 2 与r s 4 8 5 1 7 1 r s 2 3 2 接i i 是1 9 7 0 午由美国电子工业协会 e i a 联合贝尔系统 调制解 调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准 其全称为 数 据终端设备 d t e 和数据通讯设备 d c e 之间串行二进制数据交换接i 1 技术 标准 r s 2 3 2 采取不平衡传输方式 即单端通讯 r s 2 3 2 共模抑制能力较差 一8 浙江大学硕士学位论文 其传输距离最大为1 5 m 左右 最高传输速率为2 0 k b p s 驱动负载为3 k o h m 到 7 k o h m 针对r s 2 3 2 接口信号电平值较高 传输速率较低 抗噪声性能较弱及传输 距离有限等不足之处 为扩展应用范围 e i a 又于1 9 8 3 年制定了r s 4 8 5 标准 增加了多点 双向通信能力 即允许多个发送器连接到同一条总线上 同时增加 了发送器的驱动能力和冲突保护特性 扩展了总线共模范围 后命名为 t i a e i a 4 8 5 a 标准 本系统选配的多种电参数仪表均带有r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口 系统对电机各种 参数的采样均通过电参数仪表完成 并通过串口将相关数据传递至通讯服务器 1 3 2t c p i p t c p i p 协议 t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 群1 传输控制 网际 协议 又叫网络通讯协议 它是7 0 年代中期美国国防部为其a r p a n e t 广域网 开发的网络体系结构和协议标准 以它为基础组建的i n t e r n e t 是目前国际上 规模最大的计算机网络 正因为i n t e r n e t 的广泛使用 使得t c p i p 成了事实 上的标准 本系统采用t c p i p 协议连结主服务器 通讯服务器及多台工作站 构建了 测试系统局域网络 并通过预留远程端口 允许外网用户按权限访问系统资源 1 3 3p r o f i b u s d p 9 i b o i b h l l 2 1 p r o f i b u s 协议结构根据i s 0 7 4 9 8 国际标准 以开放式系统互连网络作为参考 模型 p r o f i b u s d p p r o f i b u sd e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y p r o f i b u s p a p r o f i b u sp r o c e s s a u t o m a t i o n 及p r o f i b u s f m s p r o f i b u sf i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n 三个部分 组成了p r o f i b u s 协议 p r o f i b u s d p 用于现场层的高速数据传送 主站周期性地读取从站的输入信 息并向从站发送输出信息 p r o f i b u s d p 的信息传输可通过多种介质完成 主要包括r s 4 8 5 双绞线 双 线电缆或者光缆 其传输速率相当快 波特率从9 6 0 0 k b p s 到1 2 m b p s 不等 快 速定位故障的能力是p r o f i b u s d p 总线的一大特点 故障诊断信息在总线上传输 并可由主站采集 一9 一 浙江大学硕士学位论文 p r o f i b u s d p 之间的系统构成方式主要包括两种 一是单主站系统 一是多 主站系统 单主站系统 只有一个活动状态的主站 而多主站系统则在总线上连 有多个主站 并且这些主站与各自从站构成了相互独立的子系统 任何一个主站 均可以读取d p 从站的输入输出映像 但只有一个d p 主站允许对d p 从站写入 数据 本系统通过p r o f i b u s d p 现场总线连结西门子p l c 与其下属的多个智能设备 构成了一个p r o f i b u s d p 现场总线子系统 该子系统通过p r o f i b u s d p 总线与插有 p l c 通讯卡的通讯服务器实现数据实时交互 1 4 本文的主要研究内容 本文针对传统的电机测试系统存在操作复杂 自动化程度低 试验结果精度 低 误差大等缺点 通过运用虚拟仪器技术与网络通讯技术 实现了对大 中 小型交流工频 交流变频和直流电机的出厂试验与型式试验的测试 系统在测试 的过程中能对电机的相关参数进行采集 显示 存储与分析 在测试结束后能对 试验结果进行调用 归档 分析与处理 本文的研究内容主要包括如下几个方面 1 对电机测试系统的组成 原理进行了分析和研究 论证本系统在原 理和方案上具有可行性和完备性 2 介绍了本文描述的电机测试系统的硬件平台 3 利用l a b v i e w 软件平台 编制了主服务器数据管理程序 实现了对 本测试系统的各种工作数据 故障报警记录的存取 查询和网络管理 4 利用l a b v i e w 软件平台 编制了通讯服务器通讯处理程序 实现了 对工作站下发命令的接收 翻译与下达 p l c 状态的监控以及各电参数仪器数据 的实施接收 分析处理与传输 5 利用l a b v i e w 软件平台 编制了工作站人机交互程序 通过友好直 观的人机界面 动态显示系统的操作 设备的工作状态等信息 实现了对各类设 备的远程控制 数据采集 故障报警 错误提示等功能 一1 0 浙江大学硕士学位论文 第2 章虚拟仪器技术及其应用 2 1 虚拟仪器的概念与历史 目前仪器领域发展的一个重要方向是计算机与仪器的相互结合 一是将计算 机技术应用于仪器 其典型的例子是基于嵌入式技术的智能仪器 另一个是将仪 器融入计算机 依靠计算机越来越强大的运算能力 存储能力与可扩展性 结合 周边的硬件环境 实现对各种信号的测量与处理 而所谓虚拟仪器 v i r t u a l i n s t r u m e n t 就是指第二种方式 具体来说 虚拟仪器就是利用电脑的强大功能 将仪器所要用到的数据处理功能及显示功能移植到电脑上来 由相关软件进行实 现的一种系统 它将现有的计算机主流技术 灵活易用的软件以及高性能模块化 硬件结合起来 构建起满足特定需求的系统 l3 1 用户可以通过图形化的友好界面 轻松完成仪器的启动 运行和终止 以及对被测对象的数据采集 过程分析 界 面显示 故障诊断 数据存储 网络通讯以及自动控制等功能 虚拟仪器的出现 使得人们可以摒弃原本传统理念中的测试仪器必须由厂家定做 用户只能使用固 定的几个功能的观念 使人们能够按照自己的实验或工程的实际需求 充分利用 计算机技术带来的强大功能 自己量身定做仪器的具体测试功能 n i 公司提出 的 软件就是仪器 简要而充分的表达了虚拟仪器的这个最主要特征 1 4 1 1 9 8 1 年 美国西北仪器系统公司推出了一款以a p p l e i i 为基础的数字存储示 波器 这款仪器首次提出了仪器与计算机相结合的概念 在当时被称为个人仪器 p e r s o n a li n s t r m n e m 这是虚拟仪器开始出现的起点 紧接着 美国n i 公司于 1 9 8 6 年推出了图形化的虚拟仪器编程软件l a b v i e w l a b v i e w 的出现 标志着 虚拟仪器从概念过渡到了一种真实存在的 可以实现的仪器研制方法 2 0 世纪8 0 年代以来 以n i 公司为首的 包括惠普公司 t e k t r o n i x 公司和 r a c a l 公司等在内的致力于虚拟仪器技术研究的大企业 纷纷推出了多种基于各 种总线的虚拟仪器 并快速占领市场 到8 0 年代末时 虚拟仪器已占据了世界 仪器市场1 0 的份额 由于虚拟仪器技术的快速发展及其应用潜力 在发达国家 虚拟仪器及其编程语言已成为一门理工科大学生的必修课程 浙江大学硕士学位论文 近年来 虚拟仪器技术已成为了测量测试领域最流行的系统解决方案 各个 致力于虚拟仪器研究的大公司的竞争焦点 是i o 总线及硬件驱动程序的标准化 高性能硬件功能模块的研制以及高效率的软件平台的研发 在国内 虚拟仪器的发展已过了起步阶段 自9 0 年代虚拟仪器技术引入中 国以来 国内的一大批高校以及高科技公司通过引进美国n i 公司 h p 公司等企 业的技术与产品 通过消化吸收 构建并研制出了大量的基于虚拟仪器技术的产 品 为我国的虚拟仪器技术发展做出了大量的贡献 并取得了不错的成果 近几年来 我们浙江大学通过与美国n i 公司的紧密合作 以各种各样的方 式 如建立联合实验室 引进相关软硬件与技术 成立l a b v i e w 学生俱乐部 在相关学院开设虚拟仪器相关课程等等形式 为虚拟仪器技术在国内的发展做出 了一定的贡献 2 2 虚拟仪器的应用 虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术 应用前景十分 广泛 它是测量测试领域的一个创新概念 改变了人们对仪器的传统观念 加速 了现代测试系统网络化 智能化发展的趋势 随着虚拟仪器技术的发展 在现代 科学研究与工程应用的各个领域 虚拟仪器技术的应用越来越为普遍 较为常见 的应用 是在机械工程 桥梁建筑监测 车辆工程 材料化学 生命仪器 图像 处理与神经网络等领域 并且 其应用领域还将不断地拓宽到更广阔的层面 文献 1 5 根据液压原理建立起了相关算法的数学模型 利用虚拟仪器技术搭 建了一个液压节流调速装置 该装置使得节流调速方式的调节精度得到了较大的 提高 体现了虚拟仪器技术在液压系统节流调速结构的精确控制方面的智能化和 高效率 文献 1 6 将i n t e r n e t 网络技术 虚拟仪器技术与桥梁状态监测技术有 机地结合起来 实现了桥梁状态监测的网络化与远程测控 提高了桥梁状态监测 的准确性与实时性 文献 1 7 1 基于虚拟仪器技术设计实现了车辆a b s 制动过程的 外部特征量和单片机内部运行信息的采集分析 实现了数据对比分析 控制程序 实时监测 a b s 制动测试评价及a b s 故障检测等功能 极大地方便了a b s 控制 的软件设计和参数匹配 文献 1 8 1 叙述了基于虚拟仪器技术的智能p i d 控制算法 对化学反应器温度的控制 并在传统p i d 算法中引入了动态增益因子 温度速率 变化因子 预测因子及温度校正因子 改善了传统p i d 控制的动态特性和鲁棒性 一1 2 浙江大学硕士学位论文 文献 1 9 利用虚拟仪器技术 采用i c a i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s 技术 对所筛查的疑似癫瘸患者脑电信号进行处理 加快了脑电图中癫痫特征波的自动 识别 提高了效率和正确率 从而实现了癫痫的规模性筛查 文献 2 0 采用先进 的虚拟仪器概念与技术 应用计算机视觉技术与数字图像处理技术 使用最优一 维最大熵法 实现了被测物体的实时无接触检测 文献 2 1 有机整合了神经网络 与p i d 控制的优点 提出了一种p i d 神经网络控制系统 该系统即具有p i d 控 制结构简单与参数物理意义明确的优点 又具有神经网络的自学习与自适应的特 征 在实际的控制应用中表明 该系统在控制效率方面 具有明显的优越性 而本文的主要目的 就是完成一个虚拟仪器在电机测试领域应用的案例 将 在后面的几个章节中 进行详细描述 2 3 虚拟仪器的特点与发展趋势 2 3 1 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是仪器领域引入计算机技术后 所形成的一种革命性的 富有生命 力的仪器种类 在虚拟仪器中 仪器的结构概念和设计理念等都发生了突破性的 变化 计算机软件技术和测试系统更加紧密地相互结合 形成了一个有机整体 虚拟仪器利用强大的图形化开发环境 建立起了直观 灵活 快捷的虚拟面板 有效地缩短了仪器的研发周期 提高了仪器的使用效率 虚拟仪器具有如下明显 特征 2 2 1 2 3 2 4 1 2 5 1 1 突破了传统仪器在功能定义 数据处理 显示 存储等方面的限制 2 实现了部分仪器硬件的软件化 控制了系统的研发成本的同时却增 加了系统灵活性 3 利用系统集成的各种信号处理模块与算法模块 可实现对测试数据 实时 直接的分析与处理 4 图形用户界面 g u i 技术的高度发展 使得实现友好界面的功能更 加简单便捷 5 开发周期短 效率高 6 具有强大的软件接口功能 可以实现l a b v i e w 与外部的应用程序 c 语言 w i n d o w s a p i m a t l a b 等编程语言之间的通信 一1 3 一 浙江大学硕士学位论文 7 集成了多种通讯协议模块 可与各种测量测试仪器实现无障碍互联 虚拟仪器与传统仪器的比较见表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 由用户定义功能 软件为主 价格低廉 开发和维护费用低 技术更新快 可扩展性好 信患量大 互联功能强 由厂家定义功能 硬件为主 价格昂贵 开发和维护费用高 技术更新慢 可扩展性差 信息量小 互联功能弱 2 3 2 虚拟仪器的发展趋势 在虚拟仪器技术中融入人工智能技术 是虚拟仪器的一个发展方向 尽管目 前虚拟仪器技术的研究已取得重大进展 并且在许多科学工程领域具有广泛的应 用 但是虚拟仪器体系依然存在一些问题 首先 可扩展性能还不够强 若用户 需要对已搭建完毕的虚拟仪器系统进行功能上的升级或者修改 就必须重新修改 代码 重新编译 才能完成相应的任务 其次 编写效率还不够高 尽管a c t i v e x o o 等功能使得软件的重用性有所提高 一个完整的系统依旧需要编写大量的代 码才可以实现其功能 最后 仪器的开发对研究人员的开发经验要求依然较高 有调查显示 2 6 1 虚拟仪器一般都是用户根据自己的需要自己动手开发的 但是普 通的用户中对软件设计经验 仪器专业知识以及测试系统相关知识都很精通的毕 竟还是少数 因此 由用户自己开发虚拟仪器 还是有一定的难度 针对上述问 题 相当多的学者提出 采用人工智能技术 可提高虚拟仪器系统的软件可重用 性 2 刀 一1 4 浙江大学硕士学位论文 另外 随着计算机技术的不断发展以及全球网络化程度的不断提高 将网络 化技术与虚拟仪器技术相结合 也是虚拟仪器发展的一大趋势 目前 在国内 网络化虚拟仪器的概念还没有一个标准的说法 一般认为 网络化虚拟仪器的一 般特征 是将虚拟仪器 外部设备 被测目标等纳入一个网络 实现系统测试任 务 2 8 1 2 4 本章小结 本章介绍了虚拟仪器的概念 简要说明了虚拟仪器技术产生 发展的历史 通过大量文献的举例 说明了虚拟仪器在当今科学工程的各个领域的广泛应用 并指出了本文的主要研究目的 就是完成一个虚拟仪器技术在电机测试领域内的 应用 通过虚拟仪器与传统仪器的比较 指出了虚拟仪器的特点与优点 并提出 了虚拟仪器目前还存在的几个问题以及今后的发展方向 一1 5 一 浙江大学硕士学位论文 3 1 系统总体硬件结构 3 1 1 系统总体框图 第3 章系统硬件设计 本系统的主要目的是在同一个构架下多个工作站并行独立地完成对电机的 测试 且每个工作站均可根据测试电机的不同选择不同的试验装置 对符合测试 要求的各种不同型号电机完成测试 系统在测试开始前 能自动判断测试条件是 否满足要求 并完成对相关装置仪器的初始化 在测试过程中 能对测试数据进 行显示 监控与处理 对测试过程能进行自动控制 人工干预与预警保护 测试 结束时 能对测试数据进行存储 调用 生成报表与打印分析等 本系统主要由主服务器 工控机 通讯服务器 多台p c 机 工作站 p l c 机械 电动执行件及各种电参数仪表等组成 系统整体结构如图3 1 所示 主服务 器 通讯服务器及工作站之间通过自带防火墙的交换机组成局域网 通讯服务器 安装有西门子c p 5 6 1 3p l c 通讯卡 通过p r o f i b u s d p 总线与p l c 交互 同一 p r o f i b u s d p 总线下还挂有调压变频器 直流调速装置和继电器等模块 p l c 通过控制这些模块和相应继电器的通断 实现对电机的控制 各种电机的被测信 号量由多种电参数测试仪及非电量测试仪采集 通过串1 2 接入通讯服务器 另外 系统支持高权限外网用户按1 2 令访问 并配有远程打印机与l e d 大屏幕 以满 足实际应用需求 本系统最大的特点是主服务器 通讯服务器 工作站的协同工作 主服务器 是系统管理核心 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 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 据和状态返回至各工作站 工作站是系统的操作核心 通过友好 直观的人机界 面 动态显示系统操作 设备工作状态等 并可实现对各类设备的远程控制 数 据采集 故障报警等功能 一1 6 一 浙江大学硕士学位论文 3 1 2 主要装置选型 图3 1 系统总体结构框图 1 主服务器 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 工作站 以数据库的形式存储于主服务器 鉴于试验数据的重要性 必然的 对 存储试验数据的主服务器的安全性 稳定性及性能方面有比普通p c 机更高的要 求 本系统选用d e l l 公司的p o w e r e d g eb l a d ep e l 9 5 0 型服务器 其具体功能 描述如下 a p o w e r e d g e t m 1 9 5 0 双核至强处理器5 0 5 0 2 x 2 m b 缓存 3 0 0 g h z 6 6 7 m h z 前端总线 b 集成双b r o a d c o m 千兆网卡 支持t o e 功能 一1 7 一 浙江大学硕士学位论文 c c 3 s a s s a t a r a i dl p e r c5 i 集成r a i d 卡 用于3 5 硬盘背板 d 集成s a s s a t ar a i d1 已含p e r c 5 ir a i d 卡 e 2 g b5 3 3 m h z 4 x 5 1 2 m b d d r 2e c c1 r 内存条 01 4 6 g b s a s 3 5 英寸 1 0 kr p m 硬盘 2 块 g b r o a d c o m n e t x t r e m ei i5 7 0 8 单口千兆以太网卡含t o e 铜缆 p c i e 2 通讯服务器 通讯服务器是系统的关键性设备 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 自动控制等 的实现 都将由通信服务器完成 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 试验用通信服务器必须选用工业现 场用的具有强抗干扰性能的机型 本系统选用研华公司的工控机系列产品 其主 要性能描述如下 a i p c 6 1 0 h 型1 4 槽架装工控机机箱 配有3 0 0 wa t xp f cp s 2 电源 支 持1 4 槽i s a 或i s a p c i 底板 b a i m b 7 5 0 型工控主板 i i n t e l8 7 5 芯片组 支持4 0 0 5 3 3 8 0 0 m h z 外频 6 4 位6 6 m h z p c i x 总线 c 英特尔 r 奔腾 r d 处理器9 4 0 3 2 0 g h z 8 0 0 m h z 2 x 2 m b 支持v t 技 术 英特尔 r e m 6 4 t 3 工作站 工作站是本系统的人机界面 工作人员通过工作站上的软件程序 实现对试 验进程的控制与监测 本系统对工作站并没有什么特殊的性能要求 只需要普通 的p c 机即可 本系统选用d e l l 的p r e c i s i o n3 8 0 机型 其主要性能描述如下 a 英特尔 r 奔腾 r d 处理器9 4 0 3 2 0 g h z 8 0 0 m h z 2 x 2 m b 支持v t 技 术 英特尔 r e m 6 4 t b 集成2 x 2 m bo n d i e l 2 缓存 c 集成s o u n db l a s t e r 兼容声卡接口1 6 位 d 集成b r o a d c o m r 1 0 1 0 0 1 0 0 0 千兆以太网卡 e 1 g b 2 x 5 1 2 n e c c 双通道d d r 25 3 3 m h zs d r a m 内存 一1 8 一 浙江大学硕士学位论文 f 1 2 8 m b p c i ex 1 6 a t if i r e g l v 3 1 0 0 支持双v g a 或d v i v g a 显示器 g 1 6 0 g bs a t a 7 2 0 0 r p m 硬盘 4 p l c p l c 作为一种通用的工业控制器 能够在各种不同的工业环境下正常工作 它对工作环境的要求低 抗外部干扰的能力强 平均无故障工作时间长 非常符 合本系统所处的运行环境 本文选用西门子公司的s 7 3 0 0 系列p l c 作为控制 检测各电动机械执行件的工业控制器 西门子s 7 3 0 0 系列p l c 的主要性能描述 如下 2 9 1 a c p u3 1 4 c 2 d p 集成4 通道高速计数 4 通道脉宽调制的脉冲输出 5 通 道模拟量输入 2 通道模拟量输出与2 4 点开关量输入与1 6 点开关量输出 砩开关量输入模块s m 3 2 1 3 2 点 d c 2 4 v 输入 d c 5 v 消耗1 5 m a 功耗 6 5 w c 开关量输出模块s m 3 2 2 3 2 点 d v 2 4 v 0 5 a 输出 d v 5 v 消耗1 1 0 m a 功耗6 6 w d 通讯模块c p 3 4 2 5 数据传输速率9 6 k p b p s 1 2 m b p s 电源电压2 4 v 功 耗6 7 5 w d p 从站数量可达到1 2 4 个 3 2 交流电机测试子系统硬件结构 3 2 1 子系统总体框图与p l c 单线图 交流电机测试子系统主要包括两套5 0 k v a 容量 一套1 5 0 k v a 容量和一套 1 0 0 0 k v a 容量试验设备 可完成1 0 6 3 k v1 5 0 0 k w 以下交流高压电机空载试验 1 0 6 3 k v6 0 0 k w 以下交流高压电机负载试验 3 8 0 v5 0 0 k w 以下交流低压电机空 载试验与负载试验 3 8 0 v7 5 k w 以下交流低压电机空载试验与负载试验及3 8 0 v 1l k w 以下交流低压电机空载试验与负载试验 四套设备的硬件构架基本一致 其框架如图3 2 所示 3 相4 线3 8 0 v 交流 电连入系统 由前置断路器控制主回路的通断电情况 工作站的命令通过通讯服 务器的转译后下发至p l c 由p l c 控制变频器的运转 以控制调压器上异步调 压电动机的运转 实现系统调压的目的 同时 p l c 还对电路中的各继电器进行 一1 9 一 浙江大学硕士学位论文 控制 以实现对主回路的控制 被试电机的各种参数通过电参数仪及非电量测试 仪采集 并通过串口通讯 t c p 通讯 最终传回至工作站进行显示与记录 调压器电气控制柜被试电机 工作站 图3 2 交流电机测试子系统硬件构架 5 0 k v a 容量两套设备的p l c 单线图如附录l 的附图1 1 所示 1 5 0 k v a 1 0 0 0 k v a 容量设备p l c 单线图如附录1 的附图1 2 所示 3 2 2 子系统p l c 输入输出点汇总 5 0 k v a 交流电机测试子系统第一套p l c 输入点汇总表如表3 1 所示 5 0 k v a 交流电机测试子系统第一套p l c 输出点汇总表如表3 2 所示 表3 15 0 k v a 交流电机测试子系统第一套p l c 输入点汇总表 一2 0 一 浙江大学硕士学位论文 表3 25 0 k v a 交流电机测试子系统第一套p l c 输出点汇总表 5 0 k v a 交流电机测试子系统第二套p l c 输入点汇总表如表3 3 所示 5 0 k v a 交流电机测试子系统第二套p l c 输出点汇总表如表3 4 所示 表3 35 0 k v a 交流电机测试子系统第二套p l c 输入点汇总表 表3 45 0 k v a 交流电机测试子系统第一套p l c 输出点汇总表 2 l 浙江大学硕士学位论文 1 5 0 k v a 交流电机测试子系统p l c 输入点汇总表如表3 5 所示 1 5 0 k v a 交 流电机测试子系统p l c 输出点汇总表如表3 6 所示 表3 51 5 0 k v a 交流电机测试子系统p l c 输入点汇总表 表3 61 5 0 k v a 交流电机测试子系统p l c 输出点汇总表 1 0 0 0 k v a 交流电机测试子系统p l c 输入点汇总表如表3 7 所示 1 0 0 0 k v a 交流电机测试子系统p l c 输出点汇总表如表3 8 所示 一2 2 浙江大学硕士学位论文 表3 71 0 0 0 k v a 交流电机测试子系统p l c 输入点汇总表 表3 81 0 0 0 k v a 交流电机测试子系统p l c 输出点汇总表 一2 3 浙江大学硕士学位论文 3 3 交频电机测试子系统硬件结构 3 3 1 子系统总体框图与p l c 单线图 变频电机测试子系统主要包括一套7 5 k w 容量和一套4 0 0 k w 容量试验设 备 可完成4 0 0 v3 5 0 k w 以下交流低压变频电机负载试验 4 0 0 v6 9 0 k w 以下交 流低压变频电机空载试验 及4 0 0 v7 5 k w 以下交流低压变频电机空载试验与负 载试验 两套设备的硬件构架基本一致 其框架如图3 3 所示 3 相4 线3 8 0 v 交流 电连入系统 由前置断路器控制主回路的通断电情况 工作站的命令通过通讯服 务器的转译后下发至p l c 由p l c 控制变频器的运转 以控制被测电机的运转 同时 p l c 还对电路中的各继电器进行控制 以实现对主回路的控制 被试电机 的各种参数通过电参数仪及非电量测试仪采集 并通过串1 2 通讯 t c p 通讯