電氣工程虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用

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摘要：針對(duì)電氣工程綜合作業(yè)改革，探索了一個(gè)能夠靈活完成高電壓實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，將高電壓實(shí)驗(yàn)分成控制系統(tǒng)、高壓產(chǎn)生系統(tǒng)、試品及測量系統(tǒng)組成四部分，并將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了八個(gè)任務(wù)模塊，可供學(xué)生靈活自主選擇模塊聯(lián)合進(jìn)行綜合作業(yè)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；高電壓；綜合作業(yè)

一、引言

三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院是湖北省試點(diǎn)學(xué)院，是“教育教學(xué)改革特別試驗(yàn)區(qū)”，全院人才培養(yǎng)體制改革為核心。改革具體措施是以人才培養(yǎng)方案為直接體現(xiàn)，以學(xué)生為主體，凝練教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，改變教學(xué)模式。而綜合作業(yè)是改革的主要舉措之一，綜合作業(yè)以綜合為主要特征，從學(xué)生的興趣和社會(huì)需要出發(fā)，融合各學(xué)科的特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)，要求學(xué)生完成探索性、實(shí)踐性和整體性較強(qiáng)的跨學(xué)科作業(yè)，以提高學(xué)生素質(zhì)，更好地達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)。具體實(shí)施時(shí)，綜合作業(yè)就是由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，在理解?shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用知識(shí)和技能，進(jìn)行的創(chuàng)造性思維和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。電氣工程的綜合作業(yè)涉及到包括高電壓技術(shù)、電力電纜、高電壓絕緣技術(shù)等在內(nèi)的十幾門電氣專業(yè)課，這些課程的實(shí)驗(yàn)大部分都是高電壓實(shí)驗(yàn)相關(guān)。如何改革高電壓實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方式成為綜合作業(yè)該給成敗的關(guān)鍵。本文首先分析了傳統(tǒng)高壓實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)[1-3]，然后將高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備細(xì)分，結(jié)合綜合作業(yè)的特點(diǎn)，將虛擬儀器技術(shù)靈活地應(yīng)用到電氣工程的綜合作業(yè)設(shè)計(jì)中。

二、電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院開設(shè)有包括高電壓技術(shù)、電力電纜、高電壓絕緣技術(shù)等在內(nèi)的十幾門電氣專業(yè)課，涉及到的高壓實(shí)驗(yàn)有數(shù)十種，包括絕緣子、變壓器、絕緣油的耐壓實(shí)驗(yàn)、GIS的局部放電實(shí)驗(yàn)等。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是以老師操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備學(xué)生觀看為主，此種教學(xué)模式實(shí)驗(yàn)方案固定，學(xué)生參與度低，無法提高學(xué)生的自主性和積極性，更無法適應(yīng)電氣工程的綜合作業(yè)改革目標(biāo)。高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖1，由控制系統(tǒng)、高壓產(chǎn)生系統(tǒng)、試品及測量系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)的硬件主要由工控機(jī)、PLC、繼電器及開關(guān)組成。高壓產(chǎn)生系統(tǒng)主要由變壓器、調(diào)壓器組成，這部分設(shè)備電壓等級(jí)高，往往直接由電力系統(tǒng)針對(duì)電力設(shè)備的實(shí)驗(yàn)裝置改裝而來，體積龐大且造價(jià)昂貴，設(shè)備數(shù)量有限，難以保證每一個(gè)學(xué)生都能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和靈活組合設(shè)計(jì)，不符合綜合作業(yè)靈活性的特點(diǎn)[4]。試品包括絕緣子、變壓器、絕緣油、短路器、避雷器等高壓設(shè)備。測量系統(tǒng)的硬件組成主要為分壓器、互感器、電流傳感器、電腦、采集卡、高性能示波器、頻譜分析儀等。高壓信號(hào)經(jīng)分壓器、互感器變成小電壓信號(hào)后進(jìn)入可以自主編程的測量裝置。高電壓實(shí)驗(yàn)的控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)具有較高靈活性，具備綜合作業(yè)的基礎(chǔ)。為此，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象選定的情況下可通過高壓控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)及高壓測量系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)讓學(xué)生完成自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

三、高壓控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)

高壓實(shí)驗(yàn)的控制系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC、繼電器等組成，涉及到PLC控制、信號(hào)測量、繼電器動(dòng)作等多方面的知識(shí)。而PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，調(diào)壓器升降壓、電壓測量及過流保護(hù)等功能都是通過控制PLC實(shí)現(xiàn)的。高壓控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)以Mitsubishi公司FX2n系列PLC作為主要控制單元，設(shè)計(jì)四個(gè)方面的模塊：LABVIEW函數(shù)接口PLC模塊，高壓實(shí)驗(yàn)虛擬人機(jī)控制界面模塊，高壓數(shù)字信號(hào)的輸入輸出模塊，高壓模擬信號(hào)的輸入輸出模塊。

1.LabVIEW函數(shù)接口PLC模塊：LabVIEW支持用于不同自動(dòng)化設(shè)備間信息交換的面向過程控制OLE（OPC）。利用面向NILabVIEW的Modbus函數(shù)庫或者DSC模塊中內(nèi)置的ModbusI/O服務(wù)器，可以使用任何以太網(wǎng)或串口作為一臺(tái)ModbusTCP或Modbus串行的PLC。通過LabVIEW函數(shù)接口PLC模塊，學(xué)生可快速學(xué)會(huì)如何通過軟件控制PLC動(dòng)作。

2.高壓實(shí)驗(yàn)虛擬人機(jī)控制界面模塊：利用虛擬儀器軟件開發(fā)一個(gè)具有交互功能的高壓實(shí)驗(yàn)控制界面，實(shí)際控制高壓設(shè)備動(dòng)作，極大提高了學(xué)員實(shí)際操作的能力，同時(shí)為學(xué)員提供一個(gè)自主創(chuàng)新的環(huán)境。

3.高壓數(shù)字信號(hào)的輸入輸出模塊：高壓開關(guān)分段與閉合，高壓斷路器的分閘與合閘在高壓測量上均屬于開關(guān)信號(hào)。利用虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)控制PLC測量或輸出數(shù)字信號(hào)對(duì)加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)高壓信號(hào)與弱電信號(hào)的關(guān)系，讓學(xué)生更深刻理解了高壓設(shè)備的原理及高壓數(shù)字信號(hào)的基本概念。

4.高壓模擬信號(hào)的輸入輸出模塊：高壓實(shí)驗(yàn)中模擬信號(hào)較多，有調(diào)壓器電壓電流、變壓器電壓電流等，通過開發(fā)基于虛擬儀器軟件的PLC測量或輸出模擬信號(hào)軟件，讓學(xué)生理解高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓信號(hào)基本設(shè)備和方法。通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話并在控制PLC輸出、測量信號(hào)實(shí)現(xiàn)高壓實(shí)驗(yàn)的控制及保護(hù)功能，使學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)的能力得到較大提升。但考慮到人身和設(shè)備安全，預(yù)先開發(fā)安全控制模塊同學(xué)生的綜合作業(yè)進(jìn)設(shè)計(jì)接口以保證所有控制參數(shù)的合理性。

四、高電壓測量系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)

高壓實(shí)驗(yàn)中分壓及衰減設(shè)備型號(hào)有限，可將NI公司的USB數(shù)據(jù)采集器、DPO4054示波器、av4033頻譜分析儀作為主要的單元，共設(shè)計(jì)四個(gè)模塊：硬件采集模塊、接口模塊、數(shù)據(jù)濾波模塊及數(shù)據(jù)分析模塊。

1.硬件采集模塊：高壓實(shí)驗(yàn)需要監(jiān)測高壓試品各方面的信號(hào)，最主要的是試品電壓和電流信號(hào)，特別是電流信號(hào)，并不一定是50Hz頻率，需要根據(jù)綜合作業(yè)的目的靈活選擇硬件種類，USB數(shù)據(jù)采集器需要編寫程序設(shè)定采集器的參數(shù)如采樣率等，DPO4054示波器、av4033頻譜分析儀需要通過接口從儀器中提取數(shù)據(jù)。

2.接口模塊：硬件不同，接口形式也不同，存在USB、PCI、RS232及網(wǎng)口等多種接口形式，而LabVIEWVISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/0應(yīng)用程序接口，是工業(yè)界通用的儀器驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)API（應(yīng)用程序接口），采用面向?qū)ο缶幊?，具有很好的兼容性、擴(kuò)展性和獨(dú)立性。可用一個(gè)API控制包括VXI、GPIB及串口儀器在內(nèi)的不同種類的儀器支持多平臺(tái)工作、多接口控制，是一個(gè)多類型的函數(shù)庫。在LabVIEW中編寫的VISA接口程序，當(dāng)外部硬件設(shè)備變更時(shí)，只需要更換接口模塊即可使用，豐富的接口，虛擬儀器快速的開發(fā)環(huán)境為學(xué)生提供了自由發(fā)揮和自主設(shè)計(jì)的開闊空間。

3.數(shù)據(jù)濾波模塊：由于現(xiàn)場高壓的干擾，測量到的泄漏電流波形有較多的高頻干擾成份，為此，對(duì)所采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波、去噪等信號(hào)處理顯得尤為重要。針對(duì)不同的信號(hào)和不同頻率的干擾信號(hào)，采用不同的線性濾波方法和非線性濾波方法，學(xué)生可通過處理實(shí)際的波形信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)能力的考察。LabVIEW具有大量的數(shù)字濾波函數(shù)和交互式工具，方便學(xué)生快速實(shí)現(xiàn)濾波功能，通過數(shù)據(jù)濾波模塊的練習(xí)，可讓學(xué)生深刻理解到高壓信號(hào)的特點(diǎn)及高壓測量特殊之處。

4.數(shù)據(jù)分析模塊：高壓實(shí)驗(yàn)中試品上溫度、電壓、電流信號(hào)均可表征試品絕緣狀態(tài)的變化。如試品上的電壓突然降低表征其絕緣已完全被擊穿，電流較小說明試品絕緣狀態(tài)良好。針對(duì)不同的試品及綜合作業(yè)任務(wù)不同，需靈活開發(fā)不同的分析程序。數(shù)據(jù)分析模塊能讓學(xué)生較好的理解高壓設(shè)備的不同狀態(tài)，獲得高壓設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的基本理論和方法。通過采集界面模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話并在控制采集硬件工作，獲取電壓電流信號(hào)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理然后存儲(chǔ)分析數(shù)據(jù)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高電壓測量系統(tǒng)的四個(gè)模塊構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)又不缺靈活性，有利于高電壓測量系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)。

五、總結(jié)

利用虛擬儀器軟件（LabVIEW）建立多個(gè)高壓實(shí)驗(yàn)的任務(wù)模塊，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，在充分利用現(xiàn)有高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上較好地完成了電氣工程綜合作業(yè)改革任務(wù)，有利于增強(qiáng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和實(shí)踐創(chuàng)新的能力。

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作者：方春華 張宇嬌 普子恒 智李 蘇攀 單位：三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院