基于LabVIEW的電動(dòng)空壓機(jī)控制電路測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

錢偉忠，吳杰長(zhǎng)

(1.海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海 200135;2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

基于LabVIEW的電動(dòng)空壓機(jī)控制電路測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

錢偉忠1，吳杰長(zhǎng)2

(1.海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海 200135;2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

針對(duì)某引進(jìn)型電動(dòng)空壓機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元器件邏輯電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、測(cè)試維修不便的問題，提出了一種基于LabVIEW的硬件在回路測(cè)試方法，開發(fā)了測(cè)試程序和硬件接口電路，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明其可方便實(shí)現(xiàn)待測(cè)試系統(tǒng)電路模塊的高效檢測(cè)，具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)試全面準(zhǔn)確、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

空壓機(jī)；控制電路；LabVIEW；測(cè)試

空壓機(jī)是艦艇重要輔助機(jī)械，用于為艦艇相關(guān)機(jī)械裝置、設(shè)備與系統(tǒng)提供壓縮氣源，隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，以及為保證空壓機(jī)的工作可靠性與安全性，目前已廣泛采用自動(dòng)監(jiān)控與安全保護(hù)系統(tǒng)，某引進(jìn)型電動(dòng)空壓機(jī)控制系統(tǒng)即具備完善的監(jiān)控和安全保護(hù)等功能。由于該系統(tǒng)研制年代較早，采用分立邏輯元器件設(shè)計(jì)，其構(gòu)成極為復(fù)雜，發(fā)生故障時(shí)采用傳統(tǒng)的電工電子儀表進(jìn)行人工測(cè)試、工作效率低，且難以定位故障，維修保障難度大。為此，本文借鑒虛擬儀器設(shè)計(jì)思路，基于LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)該型空壓機(jī)控制系統(tǒng)電路模塊的檢測(cè)裝置，以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、全面的自動(dòng)測(cè)試，檢測(cè)被測(cè)電路模塊各項(xiàng)功能的正確性。LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench，LabVIEW)軟件是NI公司開發(fā)的一種圖形化編程的工程軟件包和虛擬儀器軟件平臺(tái),使用數(shù)據(jù)流程方法描述程序[1-2]的執(zhí)行；在LabVIEW功能模板的布爾運(yùn)算子模板中,提供了功能齊全的邏輯運(yùn)算符，控件模板中提供了各種儀器面板、按鈕、開關(guān)、指示燈等控件,并且還可根據(jù)用戶需要自定義模塊和模塊庫(kù)。由此可見，LabVIEW軟件平臺(tái)適于本文所描述的任務(wù)。

1 某空壓機(jī)控制系統(tǒng)原理分析及測(cè)試接口電路設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)及電路模塊原理分析

采用以功能為導(dǎo)向的逆向分析思路，研究得出原空壓機(jī)控制電路由時(shí)序產(chǎn)生、邏輯控制以及繼電器控制等模塊構(gòu)成：時(shí)序產(chǎn)生模塊采用分立元件邏輯門電路形成時(shí)序控制信號(hào)[3]，建立控制空壓機(jī)工作過程所必要的時(shí)間間隔；邏輯控制模塊采用分立元件構(gòu)建或非門電路，形成邏輯控制信號(hào)；繼電器控制模塊接受邏輯控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。系統(tǒng)主要功能是在控制部位實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控和運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)的超限報(bào)警，并具有分級(jí)報(bào)警和故障停車保護(hù)功能，包括以下幾方面。

1)按設(shè)定的程序控制空壓機(jī)的啟動(dòng)、停車。

2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空壓機(jī)潤(rùn)滑油溫度及壓力、Ⅰ級(jí)冷卻器空氣溫度、Ⅲ級(jí)排氣壓力、Ⅳ級(jí)排氣壓力、再生空氣壓力等空壓機(jī)關(guān)鍵工作參數(shù)。

3)潤(rùn)滑油溫度低于設(shè)定下限值時(shí)自動(dòng)聯(lián)鎖空壓機(jī)啟動(dòng)功能，并自動(dòng)啟動(dòng)滑油加熱器。

4)工作過程中再生空氣壓力低于設(shè)定下限值等情況時(shí)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在控制臺(tái)顯示相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

5)工作過程中潤(rùn)滑油的壓力低于設(shè)定的下限值、Ⅲ級(jí)排氣壓力或Ⅳ級(jí)排氣壓力高于上限值時(shí)能自動(dòng)保護(hù)停機(jī)，同時(shí)在控制臺(tái)顯示相應(yīng)的故障報(bào)警信號(hào)。

1.2測(cè)試接口電路設(shè)計(jì)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬

采用離線測(cè)試方法對(duì)全系統(tǒng)電路模塊進(jìn)行檢測(cè)的基本思路，測(cè)試裝置設(shè)計(jì)中全面提取和應(yīng)用各待測(cè)電路模塊的關(guān)鍵和可測(cè)試信號(hào)點(diǎn)。由于系統(tǒng)及電路模塊主要涉及邏輯量信號(hào)的處理、且數(shù)量較多，為簡(jiǎn)化測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)、提高可靠性，故選用配置USB通信接口的USB-4751數(shù)字量I/O模塊用于測(cè)試裝置的信號(hào)采集，測(cè)試裝置工控微機(jī)通過該模塊采集待測(cè)試系統(tǒng)中各模塊的測(cè)試信號(hào)，USB-4751可按設(shè)計(jì)需要通過軟件設(shè)置端口的輸入、輸出特性。為實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)需進(jìn)一步增強(qiáng)負(fù)載能力，在電路中將輸入邏輯控制信號(hào)與74LS04P芯片輸出的信號(hào)經(jīng)74LS86P芯片“異或”處理后，通過ULN2803A達(dá)林頓晶體管陳列輸出驅(qū)動(dòng)小型繼電器、并借助其觸點(diǎn)控制外部模擬執(zhí)行器。為全面測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)監(jiān)控功能，需在構(gòu)建測(cè)試裝置時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)裝中相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬，考慮到實(shí)際系統(tǒng)中均采用二位式開關(guān)閥件，本文特采用大負(fù)載能力直流繼電器模擬空壓機(jī)控制系統(tǒng)中的開關(guān)型執(zhí)行器。

2 測(cè)試程序設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)采集與功能判斷

基于 USB-4751數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序編寫信號(hào)讀寫與處理程序?qū)崿F(xiàn)信號(hào)輸入、輸出及邏輯處理，根據(jù)信號(hào)輸入、輸出響應(yīng)和正常功能標(biāo)準(zhǔn)判斷測(cè)試電路故障狀態(tài)，信號(hào)采集與功能判斷程序流程如圖1所示。

2.2各項(xiàng)監(jiān)控功能測(cè)試程序設(shè)計(jì)

在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，根據(jù)待測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際工作中應(yīng)具備的空壓機(jī)工作過程自動(dòng)控制、參數(shù)與狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警、安全保護(hù)等各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)測(cè)試程序[4-5]，程序設(shè)計(jì)采用順序結(jié)構(gòu)，第一幀利用Write to Digital Port.Vi函數(shù)將數(shù)據(jù)采集卡初始化，使繼電器輸出板上所有繼電器處于常閉狀態(tài)，以此防止出現(xiàn)誤動(dòng)作；在順序結(jié)構(gòu)第二幀通過Read from Digital Line.Vi函數(shù)獲取空壓機(jī)控制信號(hào)，并判斷信號(hào)邏輯狀態(tài)，其邏輯值經(jīng)傳感器控制的條件結(jié)構(gòu)由Write to Digital Line.Vi函數(shù)傳遞到數(shù)據(jù)采集卡輸出端口，完成開關(guān)量反饋。

圖1 信號(hào)采集與功能判斷程序流程圖

以空壓機(jī)控制電路報(bào)警功能的檢測(cè)為例，通過軟件設(shè)置外部故障報(bào)警信號(hào)(如油溫過低或過高)并獲取待測(cè)試電路的響應(yīng)，測(cè)試激勵(lì)信號(hào)由Write to Digital Line.Vi寫入數(shù)據(jù)采集卡輸出端口，通過繼電器模擬外設(shè)狀態(tài)，并借助其觸點(diǎn)將邏輯狀態(tài)反饋到空壓機(jī)自動(dòng)控制電路，以此來判斷其報(bào)警功能是否正常。

2.3人機(jī)交互測(cè)試界面設(shè)計(jì)

針對(duì)本文具體測(cè)試需求，在LabVIEW環(huán)境下設(shè)計(jì)人機(jī)交互主界面(圖略)。界面從上至下依次用于選擇測(cè)試功能和啟動(dòng)測(cè)試流程，監(jiān)測(cè)顯示部分邏輯信號(hào)波形以及油水溫度壓力參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視測(cè)試時(shí)的空壓機(jī)工作狀態(tài)，以及通過軟件設(shè)置外部故障等，總體布局便于操作使用。

3 樣機(jī)測(cè)試及結(jié)論

調(diào)試完成的測(cè)試裝置如圖2所示，圖中左側(cè)區(qū)域底板用于接插各型待測(cè)試控制模塊，并通過連接器與信號(hào)輸入電路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；信號(hào)輸入電路及信號(hào)輸出電路通過扁平電纜與USB-4751數(shù)據(jù)采集卡相連，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡，將空壓機(jī)控制信號(hào)通過USB接口傳送至上位微機(jī)；上位微機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理分析，并為各型模塊提供測(cè)試激勵(lì)信號(hào)，測(cè)試并分析設(shè)計(jì)模塊與期望的輸出響應(yīng)，從而判定測(cè)試電路模塊的功能及故障狀態(tài)。

圖2 空壓機(jī)控制電路測(cè)試裝置

該測(cè)試裝置2011年以來已成功應(yīng)用于相關(guān)修理廠所，先后完成了某引進(jìn)型電動(dòng)空壓機(jī)控制系統(tǒng)多型時(shí)序模塊、邏輯控制模塊、繼電器模塊的故障檢測(cè)和修后測(cè)試，解決了該引進(jìn)裝備的離線故障診斷和維修測(cè)試難題。

本文研究工作和應(yīng)用實(shí)踐表明，基于LabVIEW和硬件在回路設(shè)計(jì)方法進(jìn)行空壓機(jī)控制系統(tǒng)電路模塊故障檢測(cè)的思路是可行的，文中技術(shù)方法較好解決了融全系統(tǒng)全功能測(cè)試、模塊及關(guān)鍵元件故障診斷與測(cè)試于一體的難題，對(duì)于類似裝置的設(shè)計(jì)具有參考意義。

[1] 王建群，南金瑞，孫逢春．基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，39(21)：122-125．

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To overcome some problems encountered on the air compressor control circuit testing,which resulted from its complexities and inconveniences,a kind of hardware-in-loop and LabVIEW-based test method was proposed.Accordingly the testing software and interface circuits were developed.Test results showed the method used in this paper is practically with advantages such as simple operation,full-scale testing and easy to extend.

air compressor;monitoring and control circuit;LabVIEW;testing

錢偉忠(1968-)，男，浙江寧波人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事艦船機(jī)電裝備監(jiān)修工作。

TP391.9

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.01.011

2013-11-04