基于LabVIEW的電動空壓機控制電路的仿真設計

謝 飛，吳杰長，郭朝有

(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢430033)

傳統空壓機控制電路設計過程是采用Protel、PSpice、Multisim等計算機輔助設計及仿真軟件按照電路原理圖對電路模塊進行仿真并根據仿真結果制作實際電路模塊，再對設計出的實際電路模塊進行通電測試并分析測試結果，判斷電路是否達到性能指標的要求。采用上述傳統方法設計電路，工作量大，且仿真結果無法與外部信號交互以實現全功能仿真測試［1］。

本文針對某型空壓機控制系統工作要求，采用LabVIEW［2-4］軟件進行相應控制電路的全功能仿真?；贚abVIEW軟件平臺，完成了對數字邏輯電路仿真工作，在進行CAD設計的同時可模擬外部激勵信號并與外部信號交互以實現全功能仿真測試。

1 空壓機控制電路功能需求及設計

1.1 功能需求

本文研制的電動空壓機控制系統電路用于空壓機控制系統，其主要功能是在空壓機自動控制臺實現對空壓機的監測、控制功能，實現空壓機運行狀態和運行參數超限報警，并具有分級報警和故障停車保護功能［5］。

1)按設定的順序控制空壓機的啟動、停車;

2)實時監測空壓機潤滑油溫度及壓力、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關鍵工作參數;

3)潤滑油溫度低于設定下限值時自動聯鎖空壓機啟動功能，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定下限值等情況時能發出告警信號，并在控制臺顯示相應的報警信號;

5)工作過程中潤滑油壓力低于設定下限值、Ⅲ級排氣壓力或Ⅳ級排氣壓力高于上限值等時能自動保護停機，同時在控制臺顯示相應的故障報警信號。

1.2 總體設計

根據空壓機控制電路功能要求，采用基于時序邏輯模塊化電路的基本思路對控制電路進行設計，將全系統分為時序產生模塊、邏輯控制模塊以及繼電器控制模塊，組合實現空壓機全自動控制功能。其中時序產生模塊形成時序控制信號，建立電動空壓機工作時必要的時間間隔;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，驅動執行機構動作。空壓機控制系統內部模塊間信號交互關系及總體結構見圖1。其中I、II、III為時序產生模塊，I實現時間分頻功能，II、III實現形成空壓機工作時必須的時間間隔功能;IV、V、VI、VII、VIII為邏輯控制模塊，實現空壓機各項控制功能;IX、X為繼電器控制模塊，通過控制繼電器通斷實現執行機構工作。

為達到空壓機自動控制工作要求，各控制模塊功能設計如下。

圖1 電動空壓機控制系統信號交互關系及結構

控制模塊I、II、III通過接入全系統，產生系統所需的時序信號;控制模塊IV與其余模塊組合形成空壓機的啟動信號，完成啟動操作、最小油溫監測、冷卻水供給及監測;控制模塊V與其余模塊組合控制注油閥、吹洗閥動作，電動機啟動監測;控制模塊VI與其余模塊組合實現故障報警、控制時間繼電器PB1計數;控制模塊VII與其余模塊組合實現再生過程監控;控制模塊VIII與其余模塊組合控制干燥卸載閥、控制再生時間繼電器PB2計數;控制模塊IX、X與其余模塊組合用于控制執行機構動作。

2 控制電路仿真程序設計

在LabVIEW圖形化編程環境中，采用模塊化設計思路，將時序產生模塊、邏輯控制模塊、繼電器控制模塊按模塊內部時序關系、邏輯關系在LabVIEW建立各模塊工作模型。運用LabVIEW軟件平臺的編程函數，將各模塊有機聯系構成空壓機控制系統整體，以現實空壓機自動控制功能。為實現空壓機自動保護與報警功能測試，在Lab-VIEW環境下模擬生成故障激勵信號，對空壓機常見故障實現虛擬仿真。

2.1 時序產生模塊仿真程序設計

以時間計數器PB1為例，說明時序產生模塊仿真程序設計原理。圖2為時間計數器PB1時序控制仿真程序。時序產生模塊由方波波形生成函數進行設計，在方波波形生成函數中設置頻率、幅值、占空比，利用方波產生的高、低電平實現時序控制，用于滿足空壓機不同時間的控制要求。如時間繼電器PB1用來在干燥狀態下給定吸附器的工作時間，每15 h進行一次吸附器轉換，其控制信號是周期為41 s寬度為1.3 s的脈沖。對時間繼電器PB1進行程序仿真時，采用方波波形生成函數，設置的頻率為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，這樣就會產生高電平以“1”表示，低電平以“0”表示，且可以對時間繼電器PB1進行控制的脈沖。方波波形參數計算如下。

圖2 時間計數器PB1時序控制仿真程序

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計

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計原理。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構函數提供的邏輯量真值(True)和假值(False)表示繼電器通斷，從而實現繼電器控制仿真，條件結構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生的效果仿真。當條件結構為真值時，表示繼電器斷開，條件結構內的程序為繼電器斷開后空壓機產生的效果仿真程序，此時“吹除”指示燈滅;當條件結構為假值時，表示繼電器接通，條件結構內的程序為繼電器接通后空壓機場所的效果仿真程序，此時“吹除”指示燈亮。

2.3 邏輯控制模塊仿真程序設計

邏輯控制模塊程序由程序圖提供的大量函數模塊構成，子程序完成后根據各個模塊的邏輯關系，合理擺放，以邏輯函數將各模塊有機聯系起來，構成空壓機控制系統整體，實現空壓機控制電路全系統仿真。圖4為吸附器加熱過程仿真原理。其中將時序產生模塊、邏輯控制、繼電器控制模塊有機結合在一起，實現吸附器加熱功能。

圖4 吸附器加熱過程仿真原理

3 仿真試驗

根據上文設計的仿真程序，進行空壓機全工作過程中典型環節的仿真試驗，試驗項目包括:啟動、停車過程;吸附器干燥及再生過程;故障模擬。

3.1 仿真試驗結果

當空壓機正常啟動后，時序產生模塊產生時序控制信號，建立電動空壓機工作時必要的時間間隔，邏輯控制模塊按照時序產生模塊給定的時間信號，形成邏輯控制信號，繼電器控制模塊接受邏輯控制信號，驅動執行機構動作。試驗結果見圖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 空壓機工作時間圖表

3.2 故障模擬

利用布爾控件實現空壓機故障模擬，當空壓機因出現故障停車時，相應故障指示燈亮，空壓機停止工作。

4 結論

基于LabVIEW對空壓機自動控制電路進行仿真設計，仿真實驗測試結果滿足目標功能，可有效指導實際電路設計研制調試工作。該仿真設計方法最大的特點是仿真電路可以與外部信號交互以實現全功能仿真測試，設計與仿真測試驗證融為一體，設計結論可靠，仿真設計成果經改進后同時可用于實際研制電路模塊及全系統的模擬調試，克服了傳統軟件只適用于對單元電路進行仿真設計且無法進行全系統功能仿真的缺點。由于LabVIEW軟件平臺是對電路功能進行仿真，無法對電路結構進行驗證，但數字邏輯電路具有結構和功能一致性的特點，因此該仿真方法僅適用于數字邏輯電路，具有一定局限性。

［1］馮玉光，林文軍，奚文俊，等.數字電路板時序電路測試方法［J］.艦船電子工程，2010，30(2):165-167.

［2］劉翠響，王寶珠，賈志成.LabVIEW在“高頻電子線路”實驗教學中的應用［J］.電氣電子教學學報，2006，28(6):89-91.

［3］武 一，楊瑞霞，郭 峰，等.基于LabVIEW實現數字電路的仿真［J］.微計算機信息，2007，23(10):259-261.

［4］呂治國，龍志強.LabVIEW在數字電路課程教學中的應用［J］.測控技術，2001，20(3):64-66.

［5］費 千.船舶輔機［M］.大連:大連海事大學出版社，2007.