基于PCI－6624的船用发电机组动态转速测试系统设计

俞希学，关磊，陈晓波，戴志伟

(中船重工第703所无锡分部，江苏 无锡 214151)

基于PCI－6624的船用发电机组动态转速测试系统设计

俞希学，关磊，陈晓波，戴志伟

(中船重工第703所无锡分部，江苏 无锡 214151)

介绍了数据采集卡PCI－6624和图形化编程语言LabVIEW的船用发电机组动态转速测试系统的设计思路，详细讲述了动态转速测试系统的设计原理、硬件组成与相应的软件程序。系统可对转速信号进行多通道、连续的采集，具有响应时间更快、测量误差更小、抗干扰能力更强的突出特点;同时还具有良好的用户界面，能够更方便的对转速信号进行显示、分析和存储。经过反复的实际使用，具有操作简单，可靠性高，显示准确的特点，具有很好的应用价值。

PCI－6624;LabVIEW;采集;转速;TDMS

0 引言

新建或落成的船用(柴油机、汽轮机或燃气轮机)发电机组均需进行机组的性能测试，尤其是需要对机组输出的电能进行质量和安全方面的检测。从本质上来说，船用发电机组的转速决定着三相交流电的基波频率，在船用发电机组的性能测试(如系统的突加、突卸负载试验等)中，船用发电机组的转速特性测试被列为一项重要的考核项目。因此，如何能将船用发电机组的转速进行实时、准确的测量、显示、分析、存储，就显得尤为重要。

目前，国内外的转速测量设备有很多，如种类繁多的转速传感器、转速测量仪等。但所述这些设备均是作为通用型的测试设备，无法满足船用发电机组转速测试的特殊要求，如转速曲线的实时记录、转速曲线的实时分析、转速曲线的数据共享等。而本文所提供的船用发电机组转速测试系统，经过试验验证，能够很好的满足这些测试需求，具有很好的应用前景。

1 系统的结构和工作原理

1.1 系统的结构及组成

整个测试系统主要由转速传感器、PCI－6624、PC机和编程语言LabVIEW构成，其结构框图如图1所示。

系统的硬件主要由转速传感器、PCI－6624和PC机组成。其中，PCI－6624是用于PCI系统的数字I/O模块，具有8个32位计数器/定时器，可同时对8台发电机组的转速信号(传感器输出的高低电平)进行测量;同时，PCI－6624的PCI接口能够与PC机的PCI插槽完全兼容，在使用过程中，只需将PCI－6624插入PC机的PCI插槽中，即可完成PCI－6624与PC机的硬件组装。

图1 发电机组转速测试系统结构框图

1.2 系统的工作原理

转速测量的方法主要有两种:M法(测频法)和T法(测周法)。M法是在一定的时间内检测转速脉冲的个数，用以计算这段时间内的平均转速;T法是通过读取相邻转速脉冲间的时间间隔，并由此来计算转速［1］。在实际应用中，需要根据待测转速的范围、采集系统的时间周期等选择合适的测量方法。一般情况下，低速测量采用T法，高速测量采用M法。在特殊情况下(如转速信号波动较大时)，可以考虑使用M/T法。考虑到目前绝大多数船用发电机组的额定转速均在1 500 r/min左右，属于低速范围，故本系统采用的是T法测量发电机组的转速。

本系统中，转速传感器选用霍尔式转速传感器，将转速信号转换为脉冲电信号;再由数据采集卡PCI－6624通过T法，采集得到脉冲的频率信号;最后经PC机的LabVIEW用户界面处理得到最终的转速信号，完成发电机组的转速测试任务［2］。

2 系统的软件设计

系统的软件设计框图如图2所示。

LabVIEW界面主要由两个部分构成:采集界面和查询界面。这两个界面是利用程序框图中的事件结构，通过用户的选择进行两个界面之间的切换显示。在采集界面中，主要实现转速信号的显示、存储和在线分析等功能;在查询界面中，实现转速信号的回放、数据的导出及打印等功能［3－5］。

图2 发电机组转速测试系统软件设计框图

2.1 采集界面

在本系统中，对PCI－6624进行转速采集的通道配置，并采用T法进行转速测量(转速传感器每输出一个脉冲信号，即计算一次转速)。然后，在LabVIEW界面上进行转速的实时显示，同时将采集得到的转速信号进行实时存储。

2.1.1 转速信号的显示

由于转速传感器输出的脉冲信号在时间上是离散、不等间隔的，故采样得到的转速曲线在时间轴上也是离散、不等间隔的。因此，直接计算得到的转速曲线无法在波形图上进行等时间间隔的直接显示。

为解决这个问题，本系统采用了线性插值的方法，即在相邻的两个实时转速值之间按照一定时间间隔插入一定数量的拟合转速值，使得整个时间轴上所对应的值(转速值以及拟合转速值)为等间距的。结合本系统所测试的转速特性及转速范围，则计算拟合转速值的公式为:

其中nN，nN－1为第N次，第N－1次采集到的转速值;

TN，TN－1为第N次，第N－1次采集转速时对应的时间值，精确到毫秒级;

nNx为在 nN，nN－1间插入的拟合转速值;

TNx为nNx所对应的时间值，精确到毫秒级;

x∈(0，TN－TN－1)，x取整数。

2.1.2 转速信号的存储

在采集界面的后台程序中，采用生产者/消费者结构的设计模式。生产者，负责转速信号的采集、显示;消费者，负责转速信号的存储。两者之间，通过队列的方式进行通信，生产者往队列里写入数据，消费者从队列里读出数据。在这种模式下，两者的循环速度均不受对方的影响，从而，有效防止了数据的丢失或重复利用等问题［6］。

同时，本系统采用NI公司最新推出的数据管理系统(TDMS)文件格式，对转速信号进行存储。该文件格式具备二进制文件优点的同时，又具备关系型数据库的一些优点，使得其文件更小，读写速度更快［7］。TDMS文件格式，具有三层结构:文件、组和通道，每个文件下可以设置多个组，每个组可以设置多个通道。在文件、组和通道上，都可以定义相应属性以及添加若干附加信息，极大的方便了数据的查询和管理，很好的满足了本系统对数据的存储和查询等功能［8］。

2.1.3 转速信号的在线分析

为满足船用发电机组转速测试的特殊需求，系统提供了转速信号的在线分析功能。

1)在发电机组稳态运行时，实时计算转速信号在一定时间内的实时值、最大值、最小值、平均值等稳态参数。运用LabVIEW程序框图中数组及循环计算的方法，实现转速的稳态参数计算。

2)在发电机组瞬态运行(突加、突卸负载运行)时，还需计算转速的瞬态变化率、稳定时间(由瞬态运行到恢复稳定的时间)等瞬态参数。此时，按照国家军用标准对船用发电机组瞬态转速的要求，本系统除了运用计算稳态参数的方法外，还利用了迭代计算的设计思想，准确实现了转速的瞬态参数计算。

经过试验证明，本系统很好的满足了船用发电机组转速信号的在线计算功能。

2.2 查询界面

2.2.1 转速信号的回放

在本系统中，转速信号的回放查询基于LabVIEW中文件I/O库里的TDMS文件格式的子VI，通过自动索引转速值所对应的时间值，实现转速信号的顺序回放，程序框图如图3所示。同时为了使信号的查询更加的方便，程序提供了信号回放的拖拽功能，即可以在回放界面上查询任意时间点上的转速信号，如图3中的虚线框所示。

图3 发电机组转速测试系统转速信号回放的程序框图

2.2.2 转速信号的导出

由于本系统的转速文件为LabVIEW所独具的TDMS文件格式，使得文件查询、处理等操作的通用性具有一定的局限性。为了解决这个问题，本系统提供了转速信号的导出功能，在软件中，专门编写了数据转换子VI。根据需要，将TDMS文件中任意时间段的转速信号，由TDMS文件格式转变成为常用的txt或excel文件格式［9］。

3 系统的抗干扰处理

3.1 硬件处理

考虑到转速传感器安装在试验现场，转速传感器的输出信号总会受到外界一些干扰信号的影响，导致测量得到的正常的转速信号总会伴随着一些类似于尖峰的干扰信号，影响测量效果。故，在转速传感器的输出端接入一个低通滤波器，转速传感器的输出电路如图4所示。

图4 转速传感器的输出电路结构图

3.2 软件处理

3.2.1 最值滤波

在实际应用中，船用发电机组转速的变化范围几乎都是可以预见的，都有一个明确的波动范围。故，在本系统中，根据不同船用发电机组的额定转速设定一个阈值，根据“超出阈值的转速信号即为干扰信号”的原则，对采样得到的转速信号进行筛选，滤除明显的尖峰，达到滤波的效果。

3.2.2 平滑滤波

由于在检测得到的转速信号中，不可避免的混入一些小的干扰信号，本系统中采用了平滑滤波的方法，对得到的转速曲线进行滤波处理，滤波原理如公式(3)所示［10］:

其中nN，nN+1－k为第N次，第N+1－k次采集到的转速值;x＞0，x的取值可根据实际转速而定。

4 系统数据的实时共享

目前常规的转速测量仪均为独立的测试仪器，在测试过程中，无法实时的与其他测试设备进行数据共享与分析。为解决这一问题，本系统采用通用的TCP/IP协议，提供了数据共享的通信接口。本系统作为TCP/IP协议中的服务器端，不断侦听网络，一旦有某一个或多个客户端发出了数据共享的请求，系统随即将采集到的实时转速信号以数据包的形式发送给客户端，很好的实现了数据的共享。系统数据共享的网络示意图可如图5所示。

图5 发电机组转速测试系统数据共享的网络示意图

5 结束语

本文所设计的基于NI公司的数据采集卡PCI－6624和编程语言LabVIEW的船用发电机组动态转速测试系统，系统的硬件能够对转速信号进行多通道、连续的采集，系统的软件能够很方便的实现转速信号显示、分析和存储等功能。整个测试系统使得转速信号的测试结果更加的精确，测试过程及数据处理更加的方便、高效。

［1］曹玲芝，姜素霞，张顺龙，等.基于PXI－6733采集卡的永磁同步电动机转速测量［J］.微特电机，2012，40(10):28 －31.

［2］张小琴.基于LabVIEW和PXI－6224的多通道模拟和数字量采集系统设计［J］.江苏教育学院学报:自然科学，2011，27(1):15 －18.

［3］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［4］陈树学，刘萱.LabVIEW宝典［M］.北京:电子工业出版社，2011.

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［6］果实，薛磊，朱朝旭.基于LabVIEW队列状态机的铁路信号电缆故障检测系统［J］.电脑知识与技术，2011，17(29):7228－7229.

［7］陈宏希.TDMS文件及其MATLAB读取方法［J］.兰州石化职业技术学院学报，2010，10(4):28 －30.

［8］叶枫桦，周新聪，白秀琴，等.基于LabVIEW队列状态机的数据采集系统设计［J］.现代电子技术，2010，33(4):204 －207.

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［10］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2008.

Design of a Dynam ic Speed Test System for Marine Generator Sets Based on PCI-6624

YU Xi-xue，GUAN Lei，CHEN Xiao-bo，DAIZhi-wei
(Wuxi Division of No.703Research Institute of CSIC，Wuxi Jiangsu214151，China)

This paper presents the design of a dynamic speed test system formarine generator sets based on data acquisition card PCI-6624 and graphical programming language LabVIEW，and describes details on the design principle，hardware structure and software of the dynamic speed test system.The system can complete continuousmulti-channel acquisition of the rotational speed signal and has such characteristics as fast response，small measurement error and strong anti-interference capability.Furthermore，it has a good user interface to enable convenient display，analysis and storage of the rotational speed signal.After repeated in-service use，the system is proved to have such advantages as simple operation，high reliability and accurate display as well as a good application value.

PCI-6624;LabVIEW;acquisition;rotational speed;TDMS

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.007

TP272

A

1000－3886(2015)06－0021－03

定稿日期:2015－04－11

俞希学(1986－)，男，安徽芜湖人，工程师，中船重工第703所无锡分部试验测试部。