综合PC机与LabVIEW技术的智能电机保护系统设计

2016-01-08薛晔,李晶,薛世润等

机械与电子 2015年4期

关键词：PC机控制系统

薛晔，李晶，薛世润，刘亚亮

(西安工程大学机电工程学院，陕西西安 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：设计且实现了一种基于PC机与LabVIEW技术的电机保护系统，其具有智能控制、高速实时和数据测试、储存和多通道采集等功能。该系统通过NI采集卡采集电机信号状态(电流和电压值)，对电机运行进行控制，基于计算机的硬件平台，充分利用LabVIEW虚拟仪器的强大数学算法，实现新型的智能控制，为电机保护提供科学依据。实验结果表明，智能控制系统具有高速、实时的数学计算能力，测试精度高、工作稳定可靠。

关键词：PC机；LabVIEW技术；电机保护；控制系统

中图分类号：TM307.3

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)04-0026-04

收稿日期：2014-12-18

作者简介：薛晔(1990-)，女，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统开发与设计；李晶(1962-)，女，陕西西安人，教授，硕士研究生导师，研究方向为机械CAD/CAE/CAM 技术的应用、制造业信息化何计算机辅助创新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

长期以来，电机控制系统技术发展迅速，电机保护装置从原始的单一熔断器过流保护方式，发展到使用熔断器和热继电器组合保护的方式，直至今日，电机保护采用电子保护方式和微机以及智能控制系统技术，无论是技术还是理论，都取得进步和跨越。微机智能控制保护方式有着较高的可靠性、较强的灵活性和外部扩展性强等优势，这是传统保护方式不具备的。缺点是微机保护技术发展成本较高，系统算法极其复杂，需要具备计算机能力的微机或者专用高速运算的芯片。目前，芯片技术相当成熟，加之计算机技术的良好运用，可以将过程控制与测控有机结合，实现智能控制和信息化管理。

在以计算机为中心的智能控制系统中，LabVIEW虚拟仪器技术在测控以及测量等多方面表现出独特的优势，在数据处理、信息存储和状态监测等性能上其他手段无可比拟。直接联网的高压电机在GIS局部放电情况下，其电气控制瞬间会产生强电流、强磁等，对电机极为不利，冲击电流达到额定电流的3～6倍，而LabVIEW虚拟仪器技术控制测控系统就会很灵活、精确地保护电机，从电机启动方式上保护电机不被损坏。

1数据采集与仪器控制

数据采集是LabVIEW的核心技术之一，使用LabVIEW的DAQ技术，可以实现强大的DAQ应用功能。为解决高速采样的实时控制与数据存储等问题，分别从硬件和软件2个方面来设计。硬件部分包括LabVIEW数据采集卡、以嵌入式系统为核心的传感器等重要部分。软件由LabVIEW 2013，NI应用软件，以及支持嵌入式系统开发的μC/OS-Ⅱ操作系统等几个重要部分组成。此二者均是在PC机Windows环境下，实现开发、设计、程序编写和自动控制等功能。

1.1数据采集系统设计

电机保护装置完整的数据采集系统由原始信号、信号调理设备、数据采集设备和计算机4个部分组成。原始信号通过霍尔电流电压传感器转换为可识别的电压或电流信号，并经过放大、滤波和隔直等信号处理。数据采集设备采用USB数据采集模块，将模拟的电信号转换为数字信号，送给计算机处理。电机保护装置数据采集系统基本组成如图1所示。

图1　电机保护装置数据采集系统基本组成

霍尔电流电压传感器的工作原理是基于霍尔效应的，霍尔效应原理如图2所示。

图2　霍尔效应原理

在Y轴方向上(垂直于导体或半导体薄片)通磁感应强度为B的磁场，同时在X轴方向上通电流IH，则半导体薄片在Z轴上产生一个微小电压UH，这种现象称为霍尔效应。UH称为霍尔电势，其大小可以表示为：

(1)

RH为霍尔系数，由半导体材料性质决定；d为半导体材料的厚度。

(2)

可见霍尔电压与控制电流及磁感应强度的乘积成正比，k称为乘积灵敏度。k值越大，灵敏度就越高；原件厚度越小，输出电压越大。

式(2)中，若控制电流IH为常数，磁感应强度B与被测电流成正比，则为霍尔电流传感器；另外，若固定IH为常数，B与被测电压成正比，则为霍尔电压传感器。

1.2数据采集软件架构

对于电机保护数据采集应用来说，采用的软件架构如图3所示。NI数据采集硬件设备的驱动软件是DAQmx，具有一系列的数据采集程序调用。配置管理软件Measurement and Automation Explorer，方便与硬件进行交互，配置出数据采集的任务导入LabVIEW，且自动生成LabVIEW代码。数据采集硬件，主要有PXI、Compact DAQ以及Compact RIO平台。

图3　数据采集软件架构

1.3仪器控制

整个电机智能保护系统是基于PC机以及LabVIEW软件控制完成的，它比单纯的数据采集要复杂。因此，设计了一套以嵌入式系统为核心的数据采集与处理的控制设备单元，采用ARM系列芯片为主控芯片，可以控制霍尔电流电压传感器、串口通信模块等，配合LabVIEW虚拟仪器技术实现自动保护。

虚拟仪器和各种设备同计算机连接协同工作，同时还可以根据需要延伸和拓展测试系统的功能，对被监测的电流、电压信号进行控制，并由计算机中的LabVIEW应用软件对其进行控制。充分借助于计算机强大的数据处理、分析、显示和存储能力，极大地扩充电机保护系统的实时性、可靠性。

此电机智能保护系统除了计算机和仪器外，还需要建立仪器和计算机的通路以及上层应用程序。通路包括总线和针对USB数据采集卡的驱动程序；上层应用程序用于发送控制指令，数据显示、采集、处理、分析和存储等功能，并以Windows为工作平台，结合LabVIEW控制软件实现保护。

2软件设计

2.1控制保护硬件驱动程序软件

硬件单元以嵌入式系统为核心，包含霍尔电流电压传感器、嵌入式处理系统。要使这些硬件正常工作，必须有与之对应的驱动程序。驱动程序均采用模块化的方式，主要模块包括主程序模块、测量模块，具体包括采样、数据处理和故障处理等。

嵌入式系统单元控制芯片选用 ARM系列LPC2138，对应的程序是基于ARM平台的μC/OS-Ⅱ操作系统。μC/OS-Ⅱ包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步(信号量、消息队列)和内存管理等功能。应用软件基于μC/OS-Ⅱ设计，软件设计使保护装置的功能任务化，使各个任务相互独立工作，随主程序调用，互不干涉，容易实现各个功能，使得在应用中，模块化的程序设计和保护功能扩展变得容易。

采用ADS1.2集成开发环境进行软件开发，ADS集成开发环境是ARM核微控制器集成开发工具，适合保护微处理单元，主要完成信号采样、信号处理、控制输出、故障录波和超级终端人机交互模块等功能。程序开始执行，完成堆栈初始化、中断向量入口初始化和CPU初始化之后，即跳转到main()函数开始软件的执行。在main()函数中，首先调用OSInit()函数初始化μC/OS-Ⅱ操作系统；然后调用OSTaskCreate()应用软件的启动任务TaskStart，TaskStart是应用软件的主任务，在该任务中完成模板硬件的初始化、创建其他应用软件需要实现的任务；最后调用OSStart()函数，启动应用软件任务的执行，如果软件各任务模块都已设计好，则软件开始正式运行。

软件设计，离不开软件的调试，在此使用FlashMagic调试工具进行程序下载，可实现异步串行口和用户个人计算机上的串口连接。LabVIEW有良好的人机界面，可实时显示并控制电机的正常运转。电机的故障判断、电机保护判定及保护算法、短路判定及算法、电机工作状态等功能都是通过软件实现，具有良好的移植性，同时软件抗干扰效果良好。电机控制软件流程如图4所示。

图4　电机控制软件流程

2.2LabVIEW控制系统软件设计

在LabVIEW环境下，开发VISA软件架构，调用NI-VISA Write.vi(VISA写入)向仪器发送命令，同时用NI-VISA Read.vi(VISA读取)从下端仪器读取数据即可。它们都是通过调用NI-VISA的标准方法，实现与USB设备的通信在VISA函数子面板下，有很多高级函数，可以精确控制GPIB、串口和USB等接口。同时LabVIEW还有基于VISA的高级控制函数，这些函数位于“仪器I/O”子面板，便于串口配置进行数据采集和自动控制。

按照电机测试项目和测试流程，分别设计了三相电流、三相电压、电压电流频率和功率因数等标准指标。另外设计了空载、负载和转矩等电机的工作特性，可以实时动态地显示当前电机的工作情况。设计了实时电流电压的动态显示数值，多窗口的信息可供操作人员查看。程序框图利用LabVIEW中的DAQmx和配置管理软件Measurement and Automation Explorer，写入命令、读取设备的采集信息，通过用户界面命令，在进行配置后自动生成相应的VI函数，供LabVIEW程序调用。

LabVIEW开始采集之前，先需要设置通道参数。程序可以对采集到的信号进行处理，用户通过“通道”选择要测试的通道信息，同时可以实时动态地进行文件保存。数据保存在基于LabVIEW与Microsoft Access数据库管理系统中，二者良好的交互，使得数据存储更加方便。

3测试过程与结果分析

功能测试主要包括模板加电、运行状态、电机启动判断、信号采样、保护出口以及与主机的通信等。具体测试方法以及步骤：

a.硬件上电之前，先用万用表等仪器检测，确保硬件系统的正常工作。

b.把装置插接到机箱中，外接AC 220 V电源给供电，同时结合交流标准源提供交流信号源，将硬件系统与测量设备进行物理连接并查看其工作情况。

c.通过LabVIEW软件监控系统，实时动态地显示数据处理画面，观察数据采集是否正确。

d.通过对输入量的改变，观察硬件动作是否正常。

e.数学方法验证，计算采样值引用误差，检测其是否满足相关标准的精度要求。

在测试过程中，PC机作为主控计算机，Windows系统正常显示启动信息，同时借助PC机平台对实现的功能进行编程与检测。LabVIEW检测系统界面实时显示电机的运行情况以及电压、电流等参数。结合RS232串口通信电缆，将模板与PC机连接，实现数据信息的传递。将装置与测量设备进行物理连接。

现对测试的1组数据进行分析，验证系统的精度与可靠性。在输入U=220 V，I=5 A，φ=0°情况下，测量结果如表1所示。

表1检测结果

输入U/V引用误差/%I/A引用误差/%220V/5A219.30.324.9980.04220V/5A220.30.144.9920.16220V/5A220.30.144.9940.12

表1引用误差的计算公式为：引用误差(%F)= 绝对误差/满刻度值。从测试结果来分析，此数据的引用误差均小于0.5%，满足相关标准的要求，能正常采集信号，起到一定的故障保护作用，实现保护功能。

4结束语

运用计算机和LabVIEW虚拟仪器技术，应用嵌入式系统和USB数据采集卡等硬件，在LabVIEW虚拟仪器技术的驱动下，实现了电机保护的实时动态控制系统，符合电机保护技术的多信息融合，解决了复杂数学算法的编写，实现计算机自动处理信息、计算机动态控制等功能。随着技术的发展，可移植和良好的拓展性是LabVIEW具有的独特优势，便于后续需要，具有较好的应用价值。

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