張 丹，薛 開，黃文浩

(1.中國人民解放軍92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001 )

柴油發(fā)電機(jī)組輸出特性現(xiàn)場檢定裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 丹1，薛 開2，黃文浩2

(1.中國人民解放軍92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001 )

針對原有柴油發(fā)電機(jī)組的專用控制器功能單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測量精度低等問題，設(shè)計(jì)了一款柴油發(fā)電機(jī)輸出特性現(xiàn)場檢定裝置系統(tǒng)；采用以STM32高性能處理器為核心的硬件平臺，基于總線控制的模塊化設(shè)計(jì)，其中包括基于485總線控制交流電子負(fù)載模塊、電能質(zhì)量分析模塊以及溫度采集模塊;最后編寫具有框架式的上位機(jī)顯控界面，完成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示、存儲、記錄，以及交流電子負(fù)載的控制;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：柴油發(fā)電機(jī)組輸出特性現(xiàn)場檢定裝置系統(tǒng)能夠?yàn)楸粶y柴油發(fā)電機(jī)組提供交流電子負(fù)載，實(shí)時(shí)測量柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓、電流、功率、頻率等信息，能夠與檢定技術(shù)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，檢驗(yàn)柴油發(fā)電機(jī)組的輸出特性是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

柴油發(fā)電機(jī)組；電能質(zhì)量分析；檢定裝置

0 引言

近些年來，由于船舶系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，各系統(tǒng)自動化水平的提高，促使船用電力系統(tǒng)發(fā)生變化，船用發(fā)電機(jī)組容量不斷增加，對供電的連續(xù)性和電能質(zhì)量要求更高。船用柴油發(fā)電機(jī)組為船上各種設(shè)備提供充足的動力保障，有效保證了供電的連續(xù)性，保證了供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)組時(shí)刻發(fā)揮著重要的安全保障作用。在工程項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)，由于沒有專門的儀器對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行加載試機(jī)，無法測試各項(xiàng)輸出指標(biāo)及帶載能力能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，直接影響工程驗(yàn)收；其次，柴油發(fā)電機(jī)組加裝降噪設(shè)備后對機(jī)組的輸出功率存在一定影響，無法測試機(jī)組輸出功率損失量。柴油發(fā)電機(jī)組輸出特性現(xiàn)場檢定裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組性能、容量、控制和狀態(tài)管理功能的現(xiàn)場檢定，通過多次典型數(shù)據(jù)的積累可分析專用設(shè)備計(jì)量特性的變化趨勢，實(shí)現(xiàn)設(shè)備計(jì)量特性變化特征的預(yù)判，為設(shè)備計(jì)量管理提供參考依據(jù)，從而提高設(shè)備的可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)組輸出特性現(xiàn)場檢定裝置主要由硬件和軟件兩部分，系統(tǒng)主要由交流電子負(fù)載模塊、電量采集模塊、溫度采集模塊、數(shù)據(jù)處理軟件以及人機(jī)交互系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組輸出特性現(xiàn)場檢定裝置系統(tǒng)框圖

其系統(tǒng)主要工作流程為：

1)系統(tǒng)上電后，用戶根據(jù)試驗(yàn)檢測需要，通過觸屏輸入設(shè)定交流電子負(fù)載輸出模擬負(fù)荷，嵌入式計(jì)算機(jī)通過串口向交流電子負(fù)載發(fā)送指令，控制交流電子負(fù)載的輸出阻性負(fù)載。

2)電量采集模塊實(shí)時(shí)采集被測柴油發(fā)電機(jī)組輸出的三相電壓、三相電流、頻率等相關(guān)信息，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量經(jīng)串口發(fā)送給嵌入式計(jì)算機(jī)。

3)溫度采集模塊實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)環(huán)境溫度，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量經(jīng)串口發(fā)送給嵌入式計(jì)算機(jī)。

4)嵌入式計(jì)算機(jī)通過串口接收電量采集模塊和溫度采集模塊的測量信息，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算交流電路中三相電壓、三相電流的有效值以及有功功率、無功功率、功率因數(shù)等相關(guān)參數(shù)，并對采集到的電壓、電流進(jìn)行快速傅里葉變換處理，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)諧波、驟變的檢測分析。

5)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)同時(shí)實(shí)時(shí)記錄解算出的各種參數(shù)及設(shè)備的工作狀態(tài)，并根據(jù)用戶需求生成測試報(bào)告。

6)最終在人機(jī)交互系統(tǒng)上顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、電量信息以及放電曲線等。

主要技術(shù)指標(biāo)：

1)功率測量范圍：0～100 kW，最大允許誤差：±1%。

2)電壓測量范圍：0～1000 V，最大允許誤差：±0.5%。

3)電流測量范圍：0～300 A，最大允許誤差：±0.5%。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電量溫度采集模塊電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用32位的STM32F103作為主芯片，其帶有16位高精度的A/D、UART、SPI接口。完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，且成本低，可靠性高等特點(diǎn)。電量采集模塊組成系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電量采集模塊組成系統(tǒng)框圖

2.1.1 三相電壓檢測信號調(diào)理電路

該電路是將三相電壓轉(zhuǎn)換成處理器A/D可輸入的電壓范圍，該信號調(diào)理電路運(yùn)用運(yùn)放電路中的差動電路來實(shí)現(xiàn)。

電壓傳感器外接原邊電阻，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，電壓傳感器再隔離測量。額定測量電流范圍為：±5 mA，額定電壓輸出為2.5±0.625 V，基準(zhǔn)電壓為2.5 V。額定測量電壓為220 V，選用100 K精密電阻，則額定測量電流為2.2 mA，因此額定電壓輸出為2.5±0.275 V。電壓檢測電路如圖3所示。

圖3 電壓檢測電路

由差分放大電路疊加原理可知，

ACVOLA=ACVOL_A+VREF_A=

當(dāng)R13=R5和R14=R1時(shí)，

2.1.2 三相電流檢測信號調(diào)理電路

三相電流檢測信號調(diào)理電路測量原理與三相電壓檢測電路基本相同，由于電流傳感器無基準(zhǔn)電壓輸出，故條例電路運(yùn)用運(yùn)放電路中的跟隨電路來實(shí)現(xiàn)。

額定測量電流范圍為：±150A，額定電壓輸出為2.5±0.625V。電壓檢測電路如圖4所示。

圖4 電流檢測電路

2.1.3 頻率檢測信號調(diào)理電路

通過比較器把輸入電壓的正弦波整形為方波型式然后ARM通過捕捉方波的上升沿或下降沿來觸發(fā)內(nèi)部定時(shí)器中斷，以計(jì)數(shù)方式來計(jì)算一個(gè)周波的時(shí)間從而計(jì)算出輸入的電壓頻率。頻率檢測信號調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 頻率檢測信號調(diào)理電路

2.1.4 溫度檢測調(diào)理電路

本設(shè)計(jì)選用DS18B20作為測溫傳感器，通過DS18B20直接讀取被測溫度值，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該器件的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，線性度好，在-55℃～+125℃最大線性偏差小于0.01℃。該器件可直接向ARM傳輸數(shù)字信號，采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，便于ARM處理及控制。溫度檢測調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 溫度檢測調(diào)理電路

2.2 通訊接口模塊

柴油發(fā)電機(jī)組輸出特性現(xiàn)場檢定裝置系統(tǒng)包含交流電子負(fù)載、電量采集模塊、溫度采集模塊等及部分，因此采用RS-232，因此要使RS-485總線可以與上位機(jī)通訊，則需將RS-485轉(zhuǎn)換成RS-232，利用Modbus協(xié)議與上位機(jī)通訊，RS-485接口采用MAX422與MAX232轉(zhuǎn)換成RS-232接口。通過該串口接收下位機(jī)監(jiān)測到的參數(shù)，也可以通過此串口設(shè)置交流電子負(fù)載的控制參數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)組輸出特性現(xiàn)場檢定裝置的上位機(jī)監(jiān)控軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)被測柴油發(fā)電機(jī)組的額定輸出，對交流電子負(fù)載的輸出進(jìn)行智能控制以及控制策略計(jì)算，測試參數(shù)的采集以及數(shù)據(jù)的集中處理，監(jiān)控界面的實(shí)時(shí)顯示等。針對上位機(jī)監(jiān)控軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能，監(jiān)控軟件由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)與人機(jī)交互子系統(tǒng)和控制策略軟件構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫作為中間支承層，支撐通信子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)和控制策略等應(yīng)用軟件的運(yùn)行；由于交流電子負(fù)載、電量采集模塊、溫度采集模塊之間的通信協(xié)議不同，因此通信子系統(tǒng)完成與各個(gè)采集裝置的報(bào)文收發(fā)和解釋任務(wù)，并將協(xié)議統(tǒng)一處理成Modbus標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議；人機(jī)交互子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)界面的顯示以及系統(tǒng)維護(hù)等功能。系統(tǒng)計(jì)算軟件流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)計(jì)算軟件流程圖

4 結(jié)果分析

項(xiàng)目樣機(jī)研制完成后進(jìn)行了性能指標(biāo)的檢測，試驗(yàn)結(jié)果如下。

表1 交流電壓測試數(shù)據(jù)

表2 交流電流測試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，交流電壓和交流電流的實(shí)測值均小于允許誤差限，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，可以用于設(shè)備配套油機(jī)的現(xiàn)場檢測。

5 結(jié)束語

本文通過對柴油發(fā)電機(jī)組輸出特性現(xiàn)場檢定裝置系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了基于STM32的電量采集模塊，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)的檢測，完成了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)對比分析可知，本設(shè)計(jì)能夠有效的提高測量精度和響應(yīng)時(shí)間，對于大負(fù)載導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓變化可以快速的響應(yīng)顯示，并且能夠現(xiàn)場輸出檢定結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行在線檢定和檢測，非常適合目前開展的柴油發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場檢定工作，隨著柴油發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場檢定工作的深入開展與推廣，其應(yīng)用前景非常廣闊，不僅提高檢定工作效率，而且必將促進(jìn)設(shè)備的發(fā)展。

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Diesel Generating Set Output Characteristic Field Prover System

Zhang Dan1，Xue Kai2，Huang Wenhao2

(1.Center of Metrology，Unit 92493，Huludao 125001,China； 2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

A diesel generating set output characteristic field prover system is designed to overcome the defects such as single controller function, complex structure and low measurement precision. The STM32 processor with high performance is adopted as the core of hardware platform based on the modular design of the 485 control bus including AC electronic load module, electric energy quality analysis module and the temperature acquisition module. Finally, the framework of the host computer display control interface is completed to display,storage and record the real-time data as well as the control of the exchange of electronic load.The experimental results show that the diesel generating set output characteristic field prover system can provide AC electronic load for the measured diesel generators, measure the voltage, current, power, frequency, etc. information.The technicians work with real-time information exchange to determine the output characteristics of the diesel generator set whether to meet the technical requirements

diesel generator set; power quality analysis; detecting device

2016-10-17；

2017-01-05。

張 丹(1969-)，男，遼寧人，高級工程師，主要從事儀器計(jì)量測試、監(jiān)測故障診斷方向的研究。

薛 開(1964-)，男，哈爾濱人，哈爾濱工程大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事制造業(yè)信息化、艦船設(shè)備測控、機(jī)器視覺等方向的研究。

1671-4598(2017)05-0026-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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