基于LabVIEW的舰用空压机控制电路虚拟检测平台设计

第8卷中国舰船研究基于LabVIEW的舰用空压机控制电路虚拟检测平台设计谢飞1，郭宁博21海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连1160052海军驻葫芦岛渤海造船厂军事代表室，辽宁葫芦岛125004摘要：针对舰用空压机控制电路设计过程，提出基于LabVIEW软件平台的电路检测方法。为实现信号采集功能，设计数字信号输入、输出电路。该信号交互电路以电气元件为基本单元，通过对数字信号的放大、滤波，实现数字信号输入输出功能。该方法克服了传统方法对空压机控制电路全系统功能测试复杂的缺点，在实际生产活动中，可以更方便、快捷地对舰用空压机控制电路功能进行测试，从而锁定全系统电路出现故障的电路模块。经试验测试，该电路采集数字信号准确、快捷，测试程序可以与外部信号交互以实现全功能仿真测试，并且可替代部分实际电路进行功能测试，测试成果可用于研制实际电路模块及全系统的模拟调试。关键词：控制系统；电路；LabVIEW；虚拟测试；信号采集中图分类号：U664.5文献标志码：A文章编号：1673－3185（2013）06－114－07AVirtualTestPlatformDesignUsingLabVIEWfortheControlCircuitinMarineAirCompressorsXIEFei1，GUONingbo21NavalMilitaryRepresentativeOfficeinDalianShipbuildingIndustryCo.Ltd.，Dalian116005，China2NavalMilitaryRepresentativeOfficeinBohaiShipyard，Huludao125004，ChinaAbstract：Aimingatthedesignprocessofthecontrolcircuitinmarineaircompressors，thispaperpropos⁃esanewcircuitinspectionmethodbasedontheLabVIEWsoftware.Digitalinputtingandoutputtingcir⁃cuitsarespecificallydesignedtorealizethefunctionofsignalacquisition，wherethesignalinteractivecir⁃cuitusesbasicelectricalcomponentstoachievesignalamplification，filtering，andthefunctionofdigitalsignalinputandoutput.Thecorrespondingtestresultscanbeusedinsystemdebuggingandtheactualcir⁃cuitmoduledevelopment.Thisinnovativetestplatformsignificantlyreducesthecomplexityoftraditionaltestingmethods.Inactualproductionactivities，themethodiscapableofdetectingandlockingcircuitmal⁃functioninthegeneralmodule，andresultsshowthatthecircuitafterinspectioncollectsdigitalsignalac⁃curatelyandefficiently.Therefore，theproposedmethodcanbewellappliedinrealcircuitfunctiontests.Keywords：controlsystem；circuit；LabVIEW；virtualtest；signalacquisition收稿日期：2013－05－31网络出版时间：2013-11-2511:50基金项目：国家部委基金资助项目作者简介：谢飞（1987－），男，硕士，助理工程师。研究方向：船舶建造监理。E-mail：[e-mail]郭宁博（1988－），男，硕士，助理工程师。研究方向：船舶建造监理通信作者：谢飞0引言本文以LabVIEW虚拟测试在空压机控制电路功能测试中的应用为背景展开研究。在空压机实际自动控制系统中，控制电路的主要功能是以数字逻辑电路产生的逻辑信号为基础实现空压机全过程的自动控制。文中利用数据采集卡采集控制电路输出的逻辑信号和模拟平台反馈信号，设第8卷第6期2013年12月中国舰船研究ChineseJournalofShipResearchVol.8No.6Dec.2013doi：10.3969/j.issn.1673-3185.2013.06.020网络出版地址：期刊网址：总体结构为实现上述功能任务，该型舰电动空压机控制系统配置了控制站及相关电路模块、机旁现场传感器及执行机构等重要设备及部件。对于控制功能的实现和国内的维护保障而言，其中的电路模块无疑是需要重点研究的内容。结合实装调研和有限的操作使用资料进行初步研究表明：1）控制系统电路模块组件中有1个电源部件，用于控制系统的供配电；2）3个电路模块组件为时序控制模块，总体原理是：采用分立元件构建逻辑门电路，并基于基本功能电路形成时序控制信号；3）5个电路模块组件为功能逻辑控制模块，其工作原理为：采用分立元件构建组合逻辑门电路并形成逻辑控制电路单元；4）2个控制组件为继电器控制模块，其工作原理为：接受逻辑控制信号，通过开关输出驱动执行机构的信号。2虚拟测试平台总体设计思路测试平台功能的基础是数据采集，在空压机控制系统虚拟测试平台设计中，数据采集系统的基本任务是将大量数字信号通过数字接口电路传送给计算机系统进行处理［1-3］。数据采集一般由传感器、信号调理器、数据采集卡、计算机和测量采集软件构成［4-6］。其中，测量采集软件又可以分为软件信号调理、分析及控制、数据存储和交互界面4个部分。数据采集系统的基本构成如图2所示。根据测试系统的总体功能要求和基本硬件构成，设计测试系统体系结构如图3所示。本信号采集系统主要由某型空压机控制电路现场试验设备、信号输入电路、信号输出电路、USB-4751数据采集模块、串行总线接口部分和信号处理程序等计应用程序进行信号分析，对信号有效性进行验证，最终通过模拟测试全系统工作过程验证空压机自动控制系统的有效性。1某型舰电动空压机控制系统总体概述1.1控制系统功能任务分析本文研制的舰用电动空压机控制系统电路的主要功能是在空压机自动控制台实现对空压机的监测、控制，实现空压机运行状态和运行参数的超限报警，并具有分级报警和故障停车保护功能：1）按设定的顺序控制空压机的启动、停车；2）实时监测空压机润滑油的温度及压力、Ⅰ级冷却器空气温度、Ⅲ级排气压力、Ⅳ级排气压力、再生空气压力等空压机的关键工作参数；3）润滑油温度低于设定下限值时自动联锁空压机启动功能，并自动启动滑油加热器；4）工作过程中再生空气压力低于设定下限值等情况时能发出告警信号，并在控制台显示相应的报警信号；5）工作过程中润滑油压力低于设定下限值、Ⅲ级排气压力或Ⅳ级排气压力高于上限值等时能自动保护停机，同时在控制台显示相应的故障报警信号。通过归纳分析，确认该舰电动空压机控制功能逻辑图如图1所示。谢飞等：基于LabVIEW的舰用空压机控制电路虚拟检测平台设计115第8卷中国舰船研究图2数据采集系统基本构成示意图Fig.2Thebasiccompositionschematicdiagramofdataacquisitionsystem6部分组成。其中，空压机控制电路现场试验设备产生控制信号；信号输出电路、信号输入电路完成与数据采集卡之间的数字信号交互；USB-4751数据采集模块进行数据采集并与PC机进行数据交互，完成数字信号处理；串行总线接口主要完成对通用串行总线USB的接口处理。图3数据采集系统框图Fig.3Theblockdiagramofdataacquisitionsystem3虚拟测试系统外围硬件电路设计3.1信号输入电路设计为实现相关信号采集，本文设计了数字量信号输入接口电路。信号输入电路采用4N35光电耦合器、LM339电压比较器及74HCT240芯片等元件来完成信号输入功能。控制信号输入电路以运算放大器为核心，输入信号将光电耦合器导通后，为运算放大器反相输入端提供一个微小的参考电压。输入信号与参考电压比较，若输入信号的电压大于参考电压，则输出端输出高电平；反之，若输入信号的电压小于参考电压，则输出端输出低电平。运算放大器的输出信号经74HCT240芯片取反后被数据采集卡采集。3.2信号输出电路设计为实现信号输出，控制开关量执行元件动作，本文设计了信号输出电路。该电路采用SPDT继电器，当输入TTL低电平信号时，继电器动作。外部信号经数据采集卡采集到计算机后，由Lab⁃VIEW软件进行数据处理，再输出驱动外部电路。信号输出电路以继电器为核心，控制信号与74LS04P芯片输出的信号经74LS86P芯片“异或”处理后，再通过ULN2803A芯片输出放大驱动负载。4空压机控制系统电路模块虚拟测试程序设计本文研究的某型空压机自动控制系统由多型时序逻辑模块、控制模块及电源部件构成，在设计虚拟测试系统时，如果针对其中每一型电路模块的输入、输出情况编写对应的测试程序，不但会增加工作量，而且过多的变量还会造成软件成本的增加。因此，从降低成本、方便程序设计的角度出发，本文根据全系统总体输入、输出信号关系，设计测试程序。本测试系统是在应用LabVIEW自带的USB-4751数据采集卡驱动程序基础上，实现数据采集、信号输入、信号处理以及信号输出的功能。1）信号分析及控制程序。在该程序中，主要使用数字I/O。数字I/O作为多功能数据采集卡的一项基本功能，其主要应用包括控制过程、产生激励信号及与外设通信等。在本程序中，利用读写数据线实现对数据采集卡同一端口不同数据线的逻辑控制。数字端口由多路数据线组成，在多数情况下由8路或16路数据线组成。用户可以通过读写端口获取或设置数据采集卡多路数据线的逻辑状态。2）信号报警及故障检测程序。（1）信号报警功能测试。为实现空压机控制电路报警功能的检测，在116第6期虚拟测试系统中设置故障模拟环节，检测控制电路的信号报警功能。在测试程序中，利用开关模拟传感器状态，以开关通断实现故障模拟。信号由WritetoDigitalLine.vi传递到数据采集卡输出端口，通过继电器激励响应，控制外设逻辑状态，并将逻辑状态值反馈到空压机自动控制电路。若电路做出相应的激励响应，则证明电路性能稳定可靠。故障模拟程序如图4所示。图4中，当“最小滑油温度”故障模拟开关所控制的条件结构为“真”时，代表润滑油油温高于下限值，传感器检测的信息正常，此时，输出信号可对信号输出电路进行控制，使外设进行激励响应；当“最小滑油温度”开关所控制的条件结构为“假”时，代表润滑油油温未达到最低限度，传感器检测到故障信息，此时，输出高电平信号，信号输出电路无信号输出，控制电路因故障产生报警。（2）故障检测功能。为了实现故障检测功能在测试软件中的嵌入式设计，设计中，通过切换故障模拟开关状态进行检测功能选择，当故障模拟开关所控制的条件结构为“真”时，控制信号直接通过信号输出电路输出，形成开关量反馈回路，信号传输过程中不进行逻辑值改变，测试程序如图5所示。由于空压机控制电路的特定模块具有特定功能，所以若某控制组件出现故障，其输出信号会出现错误，所对应的信号报警指示灯将会报警。通过报警指示灯，