綜合PC機(jī)與LabVIEW技術(shù)的智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

薛曄，李晶，薛世潤，劉亞亮

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(shè)計且實(shí)現(xiàn)了一種基于PC機(jī)與LabVIEW技術(shù)的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，其具有智能控制、高速實(shí)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(jī)信號狀態(tài)(電流和電壓值)，對電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制，基于計算機(jī)的硬件平臺，充分利用LabVIEW虛擬儀器的強(qiáng)大數(shù)學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)新型的智能控制，為電機(jī)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，智能控制系統(tǒng)具有高速、實(shí)時的數(shù)學(xué)計算能力，測試精度高、工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：PC機(jī)；LabVIEW技術(shù)；電機(jī)保護(hù)；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TM307.3

文獻(xiàn)標(biāo)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?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)與設(shè)計；李晶(1962-)，女，陜西西安人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE/CAM 技術(shù)的應(yīng)用、制造業(yè)信息化何計算機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速，電機(jī)保護(hù)裝置從原始的單一熔斷器過流保護(hù)方式，發(fā)展到使用熔斷器和熱繼電器組合保護(hù)的方式，直至今日，電機(jī)保護(hù)采用電子保護(hù)方式和微機(jī)以及智能控制系統(tǒng)技術(shù)，無論是技術(shù)還是理論，都取得進(jìn)步和跨越。微機(jī)智能控制保護(hù)方式有著較高的可靠性、較強(qiáng)的靈活性和外部擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢，這是傳統(tǒng)保護(hù)方式不具備的。缺點(diǎn)是微機(jī)保護(hù)技術(shù)發(fā)展成本較高，系統(tǒng)算法極其復(fù)雜，需要具備計算機(jī)能力的微機(jī)或者專用高速運(yùn)算的芯片。目前，芯片技術(shù)相當(dāng)成熟，加之計算機(jī)技術(shù)的良好運(yùn)用，可以將過程控制與測控有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能控制和信息化管理。

在以計算機(jī)為中心的智能控制系統(tǒng)中，LabVIEW虛擬儀器技術(shù)在測控以及測量等多方面表現(xiàn)出獨(dú)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(jī)在GIS局部放電情況下，其電氣控制瞬間會產(chǎn)生強(qiáng)電流、強(qiáng)磁等，對電機(jī)極為不利，沖擊電流達(dá)到額定電流的3～6倍，而LabVIEW虛擬儀器技術(shù)控制測控系統(tǒng)就會很靈活、精確地保護(hù)電機(jī)，從電機(jī)啟動方式上保護(hù)電機(jī)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(shù)之一，使用LabVIEW的DAQ技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的DAQ應(yīng)用功能。為解決高速采樣的實(shí)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(shè)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(yīng)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(jī)Windows環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)開發(fā)、設(shè)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(shè)計

電機(jī)保護(hù)裝置完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由原始信號、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計算機(jī)4個部分組成。原始信號通過霍爾電流電壓傳感器轉(zhuǎn)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(shè)備采用USB數(shù)據(jù)采集模塊，將模擬的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送給計算機(jī)處理。電機(jī)保護(hù)裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1　電機(jī)保護(hù)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(yīng)的，霍爾效應(yīng)原理如圖2所示。

圖2　霍爾效應(yīng)原理

在Y軸方向上(垂直于導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片)通磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，同時在X軸方向上通電流IH，則半導(dǎo)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(yīng)。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(dǎo)體材料性質(zhì)決定；d為半導(dǎo)體材料的厚度。

(2)

可見霍爾電壓與控制電流及磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(gòu)

對于電機(jī)保護(hù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用來說，采用的軟件架構(gòu)如圖3所示。NI數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的驅(qū)動軟件是DAQmx，具有一系列的數(shù)據(jù)采集程序調(diào)用。配置管理軟件Measurement and Automation Explorer，方便與硬件進(jìn)行交互，配置出數(shù)據(jù)采集的任務(wù)導(dǎo)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(gòu)

1.3儀器控制

整個電機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)是基于PC機(jī)以及LabVIEW軟件控制完成的，它比單純的數(shù)據(jù)采集要復(fù)雜。因此，設(shè)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(shè)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(shù)實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)。

虛擬儀器和各種設(shè)備同計算機(jī)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(jìn)行控制，并由計算機(jī)中的LabVIEW應(yīng)用軟件對其進(jìn)行控制。充分借助于計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲能力，極大地擴(kuò)充電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性。

此電機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)除了計算機(jī)和儀器外，還需要建立儀器和計算機(jī)的通路以及上層應(yīng)用程序。通路包括總線和針對USB數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序；上層應(yīng)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(jié)合LabVIEW控制軟件實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

2軟件設(shè)計

2.1控制保護(hù)硬件驅(qū)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(yīng)的驅(qū)動程序。驅(qū)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(yīng)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(shí)時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步(信號量、消息隊列)和內(nèi)存管理等功能。應(yīng)用軟件基于μC/OS-Ⅱ設(shè)計，軟件設(shè)計使保護(hù)裝置的功能任務(wù)化，使各個任務(wù)相互獨(dú)立工作，隨主程序調(diào)用，互不干涉，容易實(shí)現(xiàn)各個功能，使得在應(yīng)用中，模塊化的程序設(shè)計和保護(hù)功能擴(kuò)展變得容易。

采用ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)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(hù)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(jī)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(zhuǎn)到main()函數(shù)開始軟件的執(zhí)行。在main()函數(shù)中，首先調(diào)用OSInit()函數(shù)初始化μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)；然后調(diào)用OSTaskCreate()應(yīng)用軟件的啟動任務(wù)TaskStart，TaskStart是應(yīng)用軟件的主任務(wù)，在該任務(wù)中完成模板硬件的初始化、創(chuàng)建其他應(yīng)用軟件需要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)；最后調(diào)用OSStart()函數(shù)，啟動應(yīng)用軟件任務(wù)的執(zhí)行，如果軟件各任務(wù)模塊都已設(shè)計好，則軟件開始正式運(yùn)行。

軟件設(shè)計，離不開軟件的調(diào)試，在此使用FlashMagic調(diào)試工具進(jìn)行程序下載，可實(shí)現(xiàn)異步串行口和用戶個人計算機(jī)上的串口連接。LabVIEW有良好的人機(jī)界面，可實(shí)時顯示并控制電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)的故障判斷、電機(jī)保護(hù)判定及保護(hù)算法、短路判定及算法、電機(jī)工作狀態(tài)等功能都是通過軟件實(shí)現(xiàn)，具有良好的移植性，同時軟件抗干擾效果良好。電機(jī)控制軟件流程如圖4所示。

圖4　電機(jī)控制軟件流程

2.2LabVIEW控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在LabVIEW環(huán)境下，開發(fā)VISA軟件架構(gòu)，調(diào)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(diào)用NI-VISA的標(biāo)準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)與USB設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集和自動控制。

按照電機(jī)測試項目和測試流程，分別設(shè)計了三相電流、三相電壓、電壓電流頻率和功率因數(shù)等標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。另外設(shè)計了空載、負(fù)載和轉(zhuǎn)矩等電機(jī)的工作特性，可以實(shí)時動態(tài)地顯示當(dāng)前電機(jī)的工作情況。設(shè)計了實(shí)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(shè)備的采集信息，通過用戶界面命令，在進(jìn)行配置后自動生成相應(yīng)的VI函數(shù)，供LabVIEW程序調(diào)用。

LabVIEW開始采集之前，先需要設(shè)置通道參數(shù)。程序可以對采集到的信號進(jìn)行處理，用戶通過“通道”選擇要測試的通道信息，同時可以實(shí)時動態(tài)地進(jìn)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(jié)果分析

功能測試主要包括模板加電、運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)啟動判斷、信號采樣、保護(hù)出口以及與主機(jī)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(jī)箱中，外接AC 220 V電源給供電，同時結(jié)合交流標(biāo)準(zhǔn)源提供交流信號源，將硬件系統(tǒng)與測量設(shè)備進(jìn)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(shí)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(xué)方法驗(yàn)證，計算采樣值引用誤差，檢測其是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。

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

現(xiàn)對測試的1組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)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(jié)果如表1所示。

表1檢測結(jié)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(jié)果來分析，此數(shù)據(jù)的引用誤差均小于0.5%，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，能正常采集信號，起到一定的故障保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

4結(jié)束語

運(yùn)用計算機(jī)和LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，應(yīng)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(shù)的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)保護(hù)的實(shí)時動態(tài)控制系統(tǒng)，符合電機(jī)保護(hù)技術(shù)的多信息融合，解決了復(fù)雜數(shù)學(xué)算法的編寫，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)自動處理信息、計算機(jī)動態(tài)控制等功能。隨著技術(shù)的發(fā)展，可移植和良好的拓展性是LabVIEW具有的獨(dú)特優(yōu)勢，便于后續(xù)需要，具有較好的應(yīng)用價值。

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