基于LabVIEW的船舶電力推進系統轉速檢測設計與開發

潘 搏，施偉鋒，張 威，卓金寶

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基于LabVIEW的船舶電力推進系統轉速檢測設計與開發

潘 搏，施偉鋒，張 威，卓金寶

（上海海事大學物流工程學院，上海201306）

電力電子技術和高功率密度器件在船舶領域有著廣泛的應用，轉速測量的可靠性對于船舶電力系統具有重要的意義。本文設計了一種基于LabVIEW的船舶電力推進裝置轉速檢測系統，選擇東風康明斯3971994 M18*1.5轉速傳感器和NI USB 6259數據采集卡作為采集系統的前端，通過USB串口通信將數據傳送至上位機，利用LabVIEW的監視和顯示功能，對轉速進行同步的顯示，處理分析和保存。該設計在船舶電力推進監控裝置中進行了實際測試，結果表明，該方法檢測精度高，可靠性好，人機交互良好，可作為推廣應用。

LabVIEW 船舶電力推進 轉速檢測

0 引言

LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一種基于“圖形”方式的集成化程序開發環境，是實驗室虛擬儀器集成環境的簡稱。是目前應用最廣泛，發展速度最快，功能最強的圖形化程序開發集成環境。LabVIEW被公認為是標準的數據采集和儀器控制軟件，LabVIEW是一種面向最終用戶的開+發工具，可為實現儀器編程和數據采集系統提供便捷途徑[1]。

對比以往船舶電力推進裝置對轉速的采集，文中設計依靠霍爾傳感器對轉速的采集，大大減少了成本且精度要求較高。現在市場上主要依靠紅外轉速檢測裝置，具有體積大成本高等缺點，而東風康明斯3971994 M18*1.5轉速傳感器價格更低，更為可靠，能最大限度降低因數據誤差而造成的系統癱瘓和功能模塊失效，有效保障船上人員的生命安全。

1 實驗裝置結構

本設計針對船舶電力系統的特點，自主設計了模擬系統，其系統結構如圖1所示。

系統結構自下而上分為兩大部分：

監視層：包括了現場監視層和遠程監視層，包括模擬量信號的采集以及數字量信號的采集，這一部分有：SY3000C智能電力參數測試儀通過紅外協議將數據實時傳遞給ASUS A629手持設備；NI USB 6259數據采集卡，通過電壓傳感器，將模擬量轉化為數字量由采集卡接收數據，用LabVIEW對數據進行分析；泰克DPO 3012 示波器采集的數字信號傳遞給終端PC；ATV61變頻器，柴油發電機，電動機，PLC M340對船舶電力系統進行現場級的控制；PM850以及常規數字儀表，其中PM850和常規數字儀表測的是模擬量；EGX300網關和HUB通過Modbus TCP/IP和Modbus RS 485用于實現整個系統的以太網數據共享。管理層：包括了工控機，XBTGT7340觸摸屏，服務器，終端PC，實現在集控室、駕駛室對船舶電力進行監控。

而本設計主要對減速電機的轉速進行測量，通過霍爾傳感器對減速電機的齒輪探測，再把數據傳遞給NI采集卡，采集卡再將數據傳遞給上位機LabVIEW，LabVIEW對轉速值進行處理，顯示和保存等。

2 轉速傳感器

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。[2]

本設計所采用東風康明斯3971994 M18*1.5轉速傳感器。目前船舶電力系統中發動機側所配的轉速傳感器大多都是電磁式傳感器，由轉速傳感器內的永磁體和線圈以及發動機飛輪齒圈共同作用產生一個交流電壓信號，幅值范圍為AC 2V~6V。當軸旋轉時帶動齒輪旋轉，根據電磁感應原理在傳感器內部線圈的兩端產生一個脈沖信號，軸轉動一圈時就產生Z個電壓脈沖信號，根據轉速計算公式

式中：為頻率Hz，為被測軸轉速單位為rpm，為齒輪齒數，本設計中的減速電機實際齒數為38，故取=38。

3 船舶電力推進裝置轉速檢測

3.1 硬件通信連接

下位機采用NI USB 6259采集卡，結合船舶電力系統的特點和運行要求，搭建NI數據采集卡采集平臺，本設計用到USB通信串口，通過以太網連接至工控機，經過簡易的設置就能工作。具體參數有：模擬輸入32位，模擬輸入分辨率16位，模擬輸出4位，模擬輸出分辨率16位，最大輸出率2.8 MS/s，數字I/O口48，采樣頻率精度50 ppm，采樣分辨率50 ns[3]。

前面板由通道設置，采集數據，定時設置，觸發裝置，波形顯示組成的。其中通道參數設置依據NI USB-6259 Screw Terminal[4]。在采集卡中，設置通道名ctr1,模式為邊沿計數，脈沖端子連接至/Dev1/PFI3/P1.3，接地端連接至D GND。且控制傳感器頂部至齒輪之間的距離小于5mm。而本設計所依托的船舶電力推進裝置是基于施耐德Modbus總線協議的分布式現場總線監控裝置。裝置中工控機和EGX300網關采用RS-485現場串行總線連接方式。RS-485采用查分傳輸方式，使用一對屏蔽雙絞線，通過兩線間電壓差區分邏輯狀態，正電平為+2～+6V，負電平為-2～-6V。

3.2上位機LabVIEW程序設計

上位機的操作界面采用LabVIEW進行可視化編程，主要完成上位機和現場之間的通信，其開發的程序為VI，也就是虛擬儀器，所生成的擴展名為vi。一個完整的vi中包括前面板，程序框圖以及圖標連接器窗格[5,6]。

在程序設計過程中，一開始船舶電力監視裝置還沒搭建完成，或者避免每次采集數據都下現場，一套進行模擬運行調試的仿真信號發生系統必不可缺。因此設計一個方波信號發生程序，還要在此基礎上加一定的干擾信號。

首先添加基波，設置工頻50Hz，幅值為1，相位角為0的方波信號。其次，根據采集卡性能，將采樣信息設置為每秒采集1000個點，連續采集199個信號進行分析。同時添加噪聲干擾，實際工況中會有各種周期性隨機噪聲，高斯白噪聲，均勻白噪聲以及各次諧波疊加的干擾。為了其具體可行性，本次設計添加了均勻白噪聲，設置噪聲標準差0.6.噪聲種子-1，得到的模擬脈沖信號，可以在前面板上觀測結果。利用主要函數與VI，可以編寫出所需的模擬脈沖信號發生子程序，其程序框圖和前面板如圖2和圖3所示。

圖3中已經顯示了運行結果：模擬出了周期為50Hz的脈沖信號波形，共有10個脈沖信號，在后續的實際轉速測量中，只需修改幅值、頻率、相位即可得到所需波形，繼而可以進行分析運算。

DAQmx數據模塊是NI的DAQ驅動軟件配合采集卡而生成的模塊，它不僅具有DAQ驅動軟件的基本功能，還具備高性能的數據采集能力，和傳統的相比具有效率高，速度快的特點。計數器模塊中采用計數器U32，1采樣，在計數器任務中讀取單個32位無符號整數采樣。NI-DAQmx返回未換算的計數器采樣時,可可用讀取32位無符號整數的范例[7]。

該設計方案在船舶電力推進監控裝置中的減速推進電機上進行了實際測試，實驗中電機的設計系統實時響應快，穩定性機的轉速范圍為0～150 rpm，對電機的快速啟停，穩定運行以及制動進行了實際仿真，仿真結果表明該設計系統實時響應快，穩定性能好，人機交互友好，界面簡潔直觀。圖5為推進減速電機在額定電壓380 V，頻率50 Hz的工況下，電機轉速在2 s左右快速上升到300 rpm左右，在4s之后穩定在320 rpm左右。可知，電機加速啟動4秒后進入穩定狀態。在界面中可觀察到計數器通道Dev1/ctr1，輸入接線端Dev1/PFI3，運行11.64 s，共采集到144007個脈沖信號，轉速為325.442 rpm。

4 結束語

實驗結果驗證了設計方案的可行性，還滿足了船舶電力系統中穩定可靠經濟的要求，同時還具備了LabVIEW編寫上位機所特有的界面友好，操作穩定，容易上手等特點。從根本上解決了目前船舶電力系統中測量轉速成本高，耗時長，不易讀取等特點，滿足了工況要求。后續可將LabVIEW中的數據以TDMS文件保存，可以EXCEL和TXT形式進行訪問，利用以太網關EGX300和HUB，實現網絡互聯，協議轉換以及數據共享。

參考文獻:

[1] 孫秋野，柳昂，王云爽.LabVIEW 8.5快速入門與提高[M].西安交通大學出版社，2009.

[2] 孫圣和.現代傳感器發展方向.電子測量與儀器學報[M]，2009.

[3] 美國國家儀器.數據采集儀說明書_625x-NI[Z].2006.

高等教育培養學生的最終目的是讓學生從學生跨越到準職業人，適應社會發展的進程，讓學生能真正走向社會，成為融入社會的高級人才。但如何培養學生，讓學生在短短的四年發生真正蛻變，真正成為能適應社會的社會人，是高等教育中面臨的一大難題。

[4] 余志榮,楊莉.基于NI-VISA與LabVIEW的 USB 接口應用設計[J].單片機與嵌入式系統應用, 2007, (1): 66-69.

[5] 張丙才. 基于 LabVIEW 的數據采集與信號處理 [J]. 儀表技術與傳感器, 2007, (12): 74-75.

[6] 沈保山,姬長英,郭玉平,等.基于 LabVIEW 數據采集系統的設計[J]. 機械與電子, 2009,(4): 76-78.

[7] National Instrument Corporation. LabVIEW User Manual. Texas(USA): National Instrument Corporation.1999.

Design and Development of Speed Measurement Platform for Ship’s Electrical Power System Based on LabVIEW

Pan Bo, Shi Weifeng, Zhang Wei, Zhuo Jinbao

（Logistics Engineering College , Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM930

A

1003-4862（2016）09-0011-04

2016-04-15

高等學校博士學科點專項科研基金項目(20123121110003)，上海市科委教研創新重點項目(12ZZ155)的資助

潘搏（1990-），男，碩士。研究方向：電力系統數據采集。