焦開洲 高恒

摘 要：針對電源系統(tǒng)研制過程中存在的輸出信號不理想而無法回顧過程數據的問題，以及電源考核過程中存在的數據記錄不及時、精度不一致，并且連續(xù)考核過程費時費力，記錄有可能出錯等問題，提出開發(fā)一種移動式考核測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實時采集試驗數據，并按統(tǒng)一精度、統(tǒng)一格式、統(tǒng)一規(guī)范自動存儲數據，極大地方便了數據分析查詢，同時提高了試驗過程質量管理能力。

關鍵詞：電源；LabVIEW；采集系統(tǒng)

中圖分類號：TP274；TN86? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.012

0? ? 引言

電源系統(tǒng)研制過程中常出現(xiàn)IGBT炸裂、電容爆炸、輸出波形不理想等問題，遇到此類問題時，研究人員通常是通過理論計算或觀察功率分析儀實時數據，再結合自身經驗來分析解決。為保證系統(tǒng)的可靠性，電源系統(tǒng)研制出來后，需要168 h連續(xù)考核并確保合格后才能投入使用，且考核過程通常需要每2 h記錄一次試驗數據，試驗后通過數據分析電源系統(tǒng)性能。整個研制考核過程需要人工記錄數據，時常出現(xiàn)數據記錄不及時、不同人員數據記錄精度不一致等問題，并且連續(xù)考核過程需要倒班記錄數據，整個記錄過程費時費力，還有可能出錯。

針對電源研制開發(fā)考核過程中人工記錄數據導致的問題，本文基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺設計了移動式考核測試系統(tǒng)。該考核測試系統(tǒng)具備以下五個功能：

（1）實現(xiàn)試驗數據的實時按自定義周期自動存儲，方便研制過程中回顧試驗數據，分析解決問題；

（2）實現(xiàn)所有試驗數據規(guī)范存儲，試驗數據按統(tǒng)一精度精確存儲；

（3）實現(xiàn)考核過程連續(xù)記錄數據，并通過按日期自建文件夾將數據分類，有利于數據的整理分析與歸檔；

（4）滿足多臺功率分析儀數據同時記錄需求；

（5）攜帶方便，滿足在不同試驗現(xiàn)場應用的需求。

1? ? 考核測試系統(tǒng)原理

移動式考核測試系統(tǒng)硬件部分主要包含兩個方面：工控機和高精度功率分析儀。其中工控機要求有以太網接口，可以進行Modbus TCP/IP通信。高精度功率分析儀也要求有以太網接口，并能進行Modbus TCP/IP通信，實驗室采用橫河WT1806e、WT5000等。

圖1所示為測試系統(tǒng)原理框圖，工控機與功率分析儀通過網線連接[1]。功率分析儀通過專用線纜連接電流鉗采集電源電流，通過線纜接入電源回路采集電源電壓[2]。工控機安裝LabVIEW2018軟件，LabVIEW是NI公司推出的一種圖形化程序開發(fā)環(huán)境，NI Max是一款測試軟件，用于配置LabVIEW與功率分析儀的通信地址并測試其能否正常通信，NI VISA提供了LabVIEW開發(fā)中所需要的控件庫，方便系統(tǒng)開發(fā)過程中進行調用[3]。

基于LabVIEW平臺開發(fā)考核測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過Modbus TCP/IP通信協(xié)議與功率分析儀建立通信，通過VISA中的讀寫控件讀取功率分析儀中測量得到的數值[4]，并用字符串顯示控件將數值顯示到前面板上，同時根據試驗要求設置完成采集周期后，將采集到的數值實時分類存儲到Excel表格中[5]。

2? ? 考核測試系統(tǒng)軟件設計

考核測試系統(tǒng)軟件設計包含通信連接、數據采集與讀取、數據分類與存儲以及數據分析幾個部分。

2.1? ? 通信連接

基于LabVIEW平臺開發(fā)的考核測試系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議與功率分析儀進行通信。在LabVIEW中，采用TCP節(jié)點來實現(xiàn)基于TCP協(xié)議的局域網通信，該節(jié)點在FUNCtiON/COMMUNICATION/TCP下[6]。該節(jié)點分為三個部分：

（1）連接節(jié)點：用于建立功率分析儀和上位機之間通信的連接，通過建立功率分析儀和上位機局域網來實現(xiàn)。

（2）傳輸節(jié)點：用于在功率分析儀和考核測試系統(tǒng)之間傳輸數據，通過在LabVIEW軟件程序中設置與功率分析儀一致的IP來實現(xiàn)。

（3）切換節(jié)點：用于計算機IP地址和計算機名稱間的切換。

功率分析儀與LabVIEW上位機通過連接網線建立TCP/IP連接，圖2列出了功率分析儀與LabVIEW上位機的通信連接流程。首先功率分析儀通過電源線連接到傳感器，采集電源系統(tǒng)的電壓、電流值，從而產生數據，并循環(huán)不斷寫入數據，上位機服務器連接到功率分析儀后，考核測試系統(tǒng)實時讀取功率分析儀中數據，并在前面板中循環(huán)不斷顯示數據。當關閉連接時，功率分析儀與LabVIEW上位機通信中斷[7]。

2.2? ? 數據采集與讀取

功率分析儀與LabVIEW上位機通信連接完成后，需要準確采集與讀取功率分析儀中的數據。通過NI VISA控件庫中的VISA寫入和VISA讀取控件來采集和讀取數據。按照功率分析儀程序中的語法規(guī)則，輸入相應的字符串到VISA寫入控件和VISA讀取控件，即可實現(xiàn)精確采集與讀取[8]。圖3表示部分數據采集與讀取的程序框圖，輸入字符串“：NUMERIC：NORMAL：NUMBER 255”，功率分析儀即可寫入前255個數據；字符串“1024”，表示系統(tǒng)讀取1 024字節(jié)數據。采用功率分析儀內部程序語法，結合程序框圖中VISA寫入和VISA讀取，通過設置精度實現(xiàn)考核測試系統(tǒng)數據精確采集與讀取。

如圖3所示，在程序框圖中加入延時語句，通過“運行周期”數值輸入控件輸入數值即可實現(xiàn)程序按規(guī)定時間采集和讀取。再將整個采集與讀取程序放進“While循環(huán)”結構框圖中，即可實現(xiàn)功率分析儀中數據的循環(huán)采集與讀取。

2.3? ? 數據分類與存儲

功率分析儀采集與讀取數據后，需要按日期將數據分類、存儲，該功能在考核測試系統(tǒng)軟件設計程序框圖中實現(xiàn)，如圖4所示。

由圖4可知，通過“格式化日期/時間字符串”控件得到當前年月日，通過連接字符串將輸入字符串變量“記錄人”與“.xls”和當前日期相連接，得到存儲的Excel表格的命名，例如當前日期為2022年9月2日，記錄人為張三，則存儲的Excel命名為“20220902張三.xls”，通過改變日期或修改記錄人，實現(xiàn)不同文件的分類。采用“創(chuàng)建路徑”控件創(chuàng)建相對路徑，實現(xiàn)Excel數據文件存儲到VI程序所在的文件夾中。

2.4? ? 數據分析

數據存儲到Excel表格中后，在程序框圖中設計程序提取表格中數據進行數據分析，可以顯示數據的實時波形，并實現(xiàn)數據查詢、諧波分析等。圖5所示為數據分析部分程序框圖。

3? ? 考核測試系統(tǒng)試驗

基于LabVIEW平臺開發(fā)了移動式考核測試系統(tǒng)，采用研華一體機作為上位機，內裝有LabVIEW2018軟件，實驗室采用功率分析儀WT3000采集電源系統(tǒng)試驗數據。圖6為考核測試系統(tǒng)試驗現(xiàn)場圖片，整個系統(tǒng)由上位機、功率分析儀、電源系統(tǒng)組成，通過功率分析儀實時采集電源系統(tǒng)電壓、電流數據，上位機實時讀取功率分析儀中數據，最后將數據分類存儲到Excel表格中，同時進行數據分析。

上位機前面板界面如圖7所示，界面顯示有6個通道，并列出了分析電源運行性能的幾乎所有數據，包括每個通道三相電壓、三相電流、三相電壓失真度，并顯示有功功率、無功功率、視在功率、功率因數和輸出頻率，這些數據全部分類存儲在Excel表格中。在功率分析儀和上位機局域網建立連接完成后，采用NI Max軟件配置LabVIEW與功率分析儀的通信地址并測試其是否能正常通信，然后點擊界面“通信協(xié)議”下拉，選擇通信IP地址，隨后設置“運行周期”，填寫“記錄人”，最后點擊界面運行箭頭，系統(tǒng)開始運行。存儲數據則需要點擊布爾控件“保存數據”，運行數據保存在“保存路徑”方框文件路徑中。

數據分析界面如圖8所示，采集系統(tǒng)可以根據實際需求，對電壓、電流、電壓失真度等進行數值分析。通過試驗可知，考核測試系統(tǒng)完整記錄分析了電源考核過程中的試驗數據，為分析電源系統(tǒng)性能提供了保障。

LabVIEW上位機與功率分析儀集成在移動小車中，移動方便，極大地方便了電源系統(tǒng)各個輸入/輸出量的測量。移動式電源考核測試系統(tǒng)可以應用于專用電源研制的各個環(huán)節(jié)，方便顯示、記錄、存儲與分析數據，為研制高性能專用電源提供了數據支持，提高了專用電源系統(tǒng)研制效率。

4? ? 結論

本文在分析移動式考核測試系統(tǒng)原理的基礎上，重點研究了系統(tǒng)的軟件設計，包括通信連接、數據采集與讀取、數據分類與存儲以及數據分析等，并進行了試驗測試，試驗表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

移動式考核測試系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗數據的實時自動存儲，能夠記錄試驗中的過程數據，便于分析解決問題，并實現(xiàn)試驗數據按自定義周期存儲，能在考核過程中按一致精度連續(xù)記錄數據，并通過按日期自建文件夾將數據分類，有利于長時間考核過程中整理、分析與歸檔數據，而且攜帶方便，滿足在不同試驗現(xiàn)場應用的需求。

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[8] 王昆.基于Labview的數據采集與信號處理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程，2018，26（15）：94-97.

收稿日期：2023-04-26

作者簡介：焦開洲（1989—），男，湖北大冶人，碩士研究生，工程師，研究方向：專用電源研制。

高恒（1989—），男，河北昌黎人，工程師，研究方向：專用電源研制。