基于LabVIEW的電動空壓機(jī)控制電路的仿真設(shè)計(jì)

謝 飛，吳杰長，郭朝有

(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢430033)

傳統(tǒng)空壓機(jī)控制電路設(shè)計(jì)過程是采用Protel、PSpice、Multisim等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及仿真軟件按照電路原理圖對電路模塊進(jìn)行仿真并根據(jù)仿真結(jié)果制作實(shí)際電路模塊，再對設(shè)計(jì)出的實(shí)際電路模塊進(jìn)行通電測試并分析測試結(jié)果，判斷電路是否達(dá)到性能指標(biāo)的要求。采用上述傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)電路，工作量大，且仿真結(jié)果無法與外部信號交互以實(shí)現(xiàn)全功能仿真測試［1］。

本文針對某型空壓機(jī)控制系統(tǒng)工作要求，采用LabVIEW［2-4］軟件進(jìn)行相應(yīng)控制電路的全功能仿真?；贚abVIEW軟件平臺，完成了對數(shù)字邏輯電路仿真工作，在進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)的同時(shí)可模擬外部激勵(lì)信號并與外部信號交互以實(shí)現(xiàn)全功能仿真測試。

1 空壓機(jī)控制電路功能需求及設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

本文研制的電動空壓機(jī)控制系統(tǒng)電路用于空壓機(jī)控制系統(tǒng)，其主要功能是在空壓機(jī)自動控制臺實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)的監(jiān)測、控制功能，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)超限報(bào)警，并具有分級報(bào)警和故障停車保護(hù)功能［5］。

1)按設(shè)定的順序控制空壓機(jī)的啟動、停車;

2)實(shí)時(shí)監(jiān)測空壓機(jī)潤滑油溫度及壓力、Ⅰ級冷卻器空氣溫度、Ⅲ級排氣壓力、Ⅳ級排氣壓力、再生空氣壓力等空壓機(jī)關(guān)鍵工作參數(shù);

3)潤滑油溫度低于設(shè)定下限值時(shí)自動聯(lián)鎖空壓機(jī)啟動功能，并自動啟動滑油加熱器;

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)出告警信號，并在控制臺顯示相應(yīng)的報(bào)警信號;

5)工作過程中潤滑油壓力低于設(shè)定下限值、Ⅲ級排氣壓力或Ⅳ級排氣壓力高于上限值等時(shí)能自動保護(hù)停機(jī)，同時(shí)在控制臺顯示相應(yīng)的故障報(bào)警信號。

1.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)空壓機(jī)控制電路功能要求，采用基于時(shí)序邏輯模塊化電路的基本思路對控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，將全系統(tǒng)分為時(shí)序產(chǎn)生模塊、邏輯控制模塊以及繼電器控制模塊，組合實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)全自動控制功能。其中時(shí)序產(chǎn)生模塊形成時(shí)序控制信號，建立電動空壓機(jī)工作時(shí)必要的時(shí)間間隔;邏輯控制模塊形成邏輯控制信號;繼電器控制模塊接受邏輯控制信號，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作?？諌簷C(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部模塊間信號交互關(guān)系及總體結(jié)構(gòu)見圖1。其中I、II、III為時(shí)序產(chǎn)生模塊，I實(shí)現(xiàn)時(shí)間分頻功能，II、III實(shí)現(xiàn)形成空壓機(jī)工作時(shí)必須的時(shí)間間隔功能;IV、V、VI、VII、VIII為邏輯控制模塊，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)各項(xiàng)控制功能;IX、X為繼電器控制模塊，通過控制繼電器通斷實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。

為達(dá)到空壓機(jī)自動控制工作要求，各控制模塊功能設(shè)計(jì)如下。

圖1 電動空壓機(jī)控制系統(tǒng)信號交互關(guān)系及結(jié)構(gòu)

控制模塊I、II、III通過接入全系統(tǒng)，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的時(shí)序信號;控制模塊IV與其余模塊組合形成空壓機(jī)的啟動信號，完成啟動操作、最小油溫監(jiān)測、冷卻水供給及監(jiān)測;控制模塊V與其余模塊組合控制注油閥、吹洗閥動作，電動機(jī)啟動監(jiān)測;控制模塊VI與其余模塊組合實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、控制時(shí)間繼電器PB1計(jì)數(shù);控制模塊VII與其余模塊組合實(shí)現(xiàn)再生過程監(jiān)控;控制模塊VIII與其余模塊組合控制干燥卸載閥、控制再生時(shí)間繼電器PB2計(jì)數(shù);控制模塊IX、X與其余模塊組合用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

2 控制電路仿真程序設(shè)計(jì)

在LabVIEW圖形化編程環(huán)境中，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將時(shí)序產(chǎn)生模塊、邏輯控制模塊、繼電器控制模塊按模塊內(nèi)部時(shí)序關(guān)系、邏輯關(guān)系在LabVIEW建立各模塊工作模型。運(yùn)用LabVIEW軟件平臺的編程函數(shù)，將各模塊有機(jī)聯(lián)系構(gòu)成空壓機(jī)控制系統(tǒng)整體，以現(xiàn)實(shí)空壓機(jī)自動控制功能。為實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)自動保護(hù)與報(bào)警功能測試，在Lab-VIEW環(huán)境下模擬生成故障激勵(lì)信號，對空壓機(jī)常見故障實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。

2.1 時(shí)序產(chǎn)生模塊仿真程序設(shè)計(jì)

以時(shí)間計(jì)數(shù)器PB1為例，說明時(shí)序產(chǎn)生模塊仿真程序設(shè)計(jì)原理。圖2為時(shí)間計(jì)數(shù)器PB1時(shí)序控制仿真程序。時(shí)序產(chǎn)生模塊由方波波形生成函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在方波波形生成函數(shù)中設(shè)置頻率、幅值、占空比，利用方波產(chǎn)生的高、低電平實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，用于滿足空壓機(jī)不同時(shí)間的控制要求。如時(shí)間繼電器PB1用來在干燥狀態(tài)下給定吸附器的工作時(shí)間，每15 h進(jìn)行一次吸附器轉(zhuǎn)換，其控制信號是周期為41 s寬度為1.3 s的脈沖。對時(shí)間繼電器PB1進(jìn)行程序仿真時(shí)，采用方波波形生成函數(shù)，設(shè)置的頻率為0.024 4 Hz，占空比為3.17%，相位為11.41°，幅值為0.5，偏移量為-0.5，這樣就會產(chǎn)生高電平以“1”表示，低電平以“0”表示，且可以對時(shí)間繼電器PB1進(jìn)行控制的脈沖。方波波形參數(shù)計(jì)算如下。

圖2 時(shí)間計(jì)數(shù)器PB1時(shí)序控制仿真程序

式中:f——方波頻率;

T——方波周期;

D——占空比;

P——初始相位。

2.2 繼電器控制模塊仿真程序設(shè)計(jì)

以控制“吹除”指示燈亮滅的繼電器為例，說明繼電器控制模塊仿真程序設(shè)計(jì)原理。圖3為控制“吹除”指示燈亮滅的繼電器仿真原理。

圖3 繼電器仿真原理

繼電器控制模塊程序利用條件結(jié)構(gòu)函數(shù)提供的邏輯量真值(True)和假值(False)表示繼電器通斷，從而實(shí)現(xiàn)繼電器控制仿真，條件結(jié)構(gòu)的選擇器接線端連接至用于控制繼電器通斷的元器件，其子程序框圖為繼電器接通或斷開后產(chǎn)生的效果仿真。當(dāng)條件結(jié)構(gòu)為真值時(shí)，表示繼電器斷開，條件結(jié)構(gòu)內(nèi)的程序?yàn)槔^電器斷開后空壓機(jī)產(chǎn)生的效果仿真程序，此時(shí)“吹除”指示燈滅;當(dāng)條件結(jié)構(gòu)為假值時(shí)，表示繼電器接通，條件結(jié)構(gòu)內(nèi)的程序?yàn)槔^電器接通后空壓機(jī)場所的效果仿真程序，此時(shí)“吹除”指示燈亮。

2.3 邏輯控制模塊仿真程序設(shè)計(jì)

邏輯控制模塊程序由程序圖提供的大量函數(shù)模塊構(gòu)成，子程序完成后根據(jù)各個(gè)模塊的邏輯關(guān)系，合理擺放，以邏輯函數(shù)將各模塊有機(jī)聯(lián)系起來，構(gòu)成空壓機(jī)控制系統(tǒng)整體，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)控制電路全系統(tǒng)仿真。圖4為吸附器加熱過程仿真原理。其中將時(shí)序產(chǎn)生模塊、邏輯控制、繼電器控制模塊有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)吸附器加熱功能。

圖4 吸附器加熱過程仿真原理

3 仿真試驗(yàn)

根據(jù)上文設(shè)計(jì)的仿真程序，進(jìn)行空壓機(jī)全工作過程中典型環(huán)節(jié)的仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括:啟動、停車過程;吸附器干燥及再生過程;故障模擬。

3.1 仿真試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)空壓機(jī)正常啟動后，時(shí)序產(chǎn)生模塊產(chǎn)生時(shí)序控制信號，建立電動空壓機(jī)工作時(shí)必要的時(shí)間間隔，邏輯控制模塊按照時(shí)序產(chǎn)生模塊給定的時(shí)間信號，形成邏輯控制信號，繼電器控制模塊接受邏輯控制信號，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。試驗(yàn)結(jié)果見圖5，其中高電平表示接通控制閥門的繼電器;低電平表示切斷控制閥門的繼電器。

圖5 空壓機(jī)工作時(shí)間圖表

3.2 故障模擬

利用布爾控件實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)故障模擬，當(dāng)空壓機(jī)因出現(xiàn)故障停車時(shí)，相應(yīng)故障指示燈亮，空壓機(jī)停止工作。

4 結(jié)論

基于LabVIEW對空壓機(jī)自動控制電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，仿真實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果滿足目標(biāo)功能，可有效指導(dǎo)實(shí)際電路設(shè)計(jì)研制調(diào)試工作。該仿真設(shè)計(jì)方法最大的特點(diǎn)是仿真電路可以與外部信號交互以實(shí)現(xiàn)全功能仿真測試，設(shè)計(jì)與仿真測試驗(yàn)證融為一體，設(shè)計(jì)結(jié)論可靠，仿真設(shè)計(jì)成果經(jīng)改進(jìn)后同時(shí)可用于實(shí)際研制電路模塊及全系統(tǒng)的模擬調(diào)試，克服了傳統(tǒng)軟件只適用于對單元電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)且無法進(jìn)行全系統(tǒng)功能仿真的缺點(diǎn)。由于LabVIEW軟件平臺是對電路功能進(jìn)行仿真，無法對電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，但數(shù)字邏輯電路具有結(jié)構(gòu)和功能一致性的特點(diǎn)，因此該仿真方法僅適用于數(shù)字邏輯電路，具有一定局限性。

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