基于LabVIEW的電動空壓機控制電路測試裝置設計

錢偉忠，吳杰長

(1.海軍上海地區裝備修理監修室，上海 200135;2.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

基于LabVIEW的電動空壓機控制電路測試裝置設計

錢偉忠1，吳杰長2

(1.海軍上海地區裝備修理監修室，上海 200135;2.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

針對某引進型電動空壓機控制系統采用分立元器件邏輯電路設計、結構組成復雜、測試維修不便的問題，提出了一種基于LabVIEW的硬件在回路測試方法，開發了測試程序和硬件接口電路，實驗測試表明其可方便實現待測試系統電路模塊的高效檢測，具有操作簡便、測試全面準確、易于擴展等優點。

空壓機；控制電路；LabVIEW；測試

空壓機是艦艇重要輔助機械，用于為艦艇相關機械裝置、設備與系統提供壓縮氣源，隨著自動化技術的發展與應用，以及為保證空壓機的工作可靠性與安全性，目前已廣泛采用自動監控與安全保護系統，某引進型電動空壓機控制系統即具備完善的監控和安全保護等功能。由于該系統研制年代較早，采用分立邏輯元器件設計，其構成極為復雜，發生故障時采用傳統的電工電子儀表進行人工測試、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計思路，基于LabVIEW軟件平臺開發該型空壓機控制系統電路模塊的檢測裝置，以實現快速、準確、全面的自動測試，檢測被測電路模塊各項功能的正確性。LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench，LabVIEW)軟件是NI公司開發的一種圖形化編程的工程軟件包和虛擬儀器軟件平臺,使用數據流程方法描述程序[1-2]的執行；在LabVIEW功能模板的布爾運算子模板中,提供了功能齊全的邏輯運算符，控件模板中提供了各種儀器面板、按鈕、開關、指示燈等控件,并且還可根據用戶需要自定義模塊和模塊庫。由此可見，LabVIEW軟件平臺適于本文所描述的任務。

1 某空壓機控制系統原理分析及測試接口電路設計

1.1系統及電路模塊原理分析

采用以功能為導向的逆向分析思路，研究得出原空壓機控制電路由時序產生、邏輯控制以及繼電器控制等模塊構成：時序產生模塊采用分立元件邏輯門電路形成時序控制信號[3]，建立控制空壓機工作過程所必要的時間間隔；邏輯控制模塊采用分立元件構建或非門電路，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。系統主要功能是在控制部位實現空壓機的自動監控和運行狀態、參數的超限報警，并具有分級報警和故障停車保護功能，包括以下幾方面。

1)按設定的程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報警信號，并在控制臺顯示相應的報警信號。

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

1.2測試接口電路設計及執行機構模擬

采用離線測試方法對全系統電路模塊進行檢測的基本思路，測試裝置設計中全面提取和應用各待測電路模塊的關鍵和可測試信號點。由于系統及電路模塊主要涉及邏輯量信號的處理、且數量較多，為簡化測試裝置的設計、提高可靠性，故選用配置USB通信接口的USB-4751數字量I/O模塊用于測試裝置的信號采集，測試裝置工控微機通過該模塊采集待測試系統中各模塊的測試信號，USB-4751可按設計需要通過軟件設置端口的輸入、輸出特性。為實現外部設備驅動需進一步增強負載能力，在電路中將輸入邏輯控制信號與74LS04P芯片輸出的信號經74LS86P芯片“異或”處理后，通過ULN2803A達林頓晶體管陳列輸出驅動小型繼電器、并借助其觸點控制外部模擬執行器。為全面測試系統各項監控功能，需在構建測試裝置時實現實裝中相關執行機構的模擬，考慮到實際系統中均采用二位式開關閥件，本文特采用大負載能力直流繼電器模擬空壓機控制系統中的開關型執行器。

2 測試程序設計

2.1信號采集與功能判斷

基于 USB-4751數據采集卡驅動程序編寫信號讀寫與處理程序實現信號輸入、輸出及邏輯處理，根據信號輸入、輸出響應和正常功能標準判斷測試電路故障狀態，信號采集與功能判斷程序流程如圖1所示。

2.2各項監控功能測試程序設計

在LabVIEW開發環境下，根據待測試系統實際工作中應具備的空壓機工作過程自動控制、參數與狀態監測報警、安全保護等各項功能設計相應測試程序[4-5]，程序設計采用順序結構，第一幀利用Write to Digital Port.Vi函數將數據采集卡初始化，使繼電器輸出板上所有繼電器處于常閉狀態，以此防止出現誤動作；在順序結構第二幀通過Read from Digital Line.Vi函數獲取空壓機控制信號，并判斷信號邏輯狀態，其邏輯值經傳感器控制的條件結構由Write to Digital Line.Vi函數傳遞到數據采集卡輸出端口，完成開關量反饋。

圖1 信號采集與功能判斷程序流程圖

以空壓機控制電路報警功能的檢測為例，通過軟件設置外部故障報警信號(如油溫過低或過高)并獲取待測試電路的響應，測試激勵信號由Write to Digital Line.Vi寫入數據采集卡輸出端口，通過繼電器模擬外設狀態，并借助其觸點將邏輯狀態反饋到空壓機自動控制電路，以此來判斷其報警功能是否正常。

2.3人機交互測試界面設計

針對本文具體測試需求，在LabVIEW環境下設計人機交互主界面(圖略)。界面從上至下依次用于選擇測試功能和啟動測試流程，監測顯示部分邏輯信號波形以及油水溫度壓力參數，實時監視測試時的空壓機工作狀態，以及通過軟件設置外部故障等，總體布局便于操作使用。

3 樣機測試及結論

調試完成的測試裝置如圖2所示，圖中左側區域底板用于接插各型待測試控制模塊，并通過連接器與信號輸入電路進行數據通信；信號輸入電路及信號輸出電路通過扁平電纜與USB-4751數據采集卡相連，經數據采集卡，將空壓機控制信號通過USB接口傳送至上位微機；上位微機通過軟件實現數據的處理分析，并為各型模塊提供測試激勵信號，測試并分析設計模塊與期望的輸出響應，從而判定測試電路模塊的功能及故障狀態。

圖2 空壓機控制電路測試裝置

該測試裝置2011年以來已成功應用于相關修理廠所，先后完成了某引進型電動空壓機控制系統多型時序模塊、邏輯控制模塊、繼電器模塊的故障檢測和修后測試，解決了該引進裝備的離線故障診斷和維修測試難題。

本文研究工作和應用實踐表明，基于LabVIEW和硬件在回路設計方法進行空壓機控制系統電路模塊故障檢測的思路是可行的，文中技術方法較好解決了融全系統全功能測試、模塊及關鍵元件故障診斷與測試于一體的難題，對于類似裝置的設計具有參考意義。

[1] 王建群，南金瑞，孫逢春．基于LabVIEW的數據采集系統的實現[J]．計算機工程與應用，2003，39(21)：122-125．

[2] 張丙才，劉琳，高廣峰．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．

[3] 郭希維，蘇群星，谷宏強．基于仿真的時序電路測試生成方法研究[J]．計算機仿真，2008，25(3)：302-304．

[4] 楊啟超，李連生，束鵬程．基于虛擬儀器技術的空壓機性能測試系統研究[J]．壓縮機技術，2006，5(6)：1-3.

[5] 王蔚，宋加濤．基于虛擬儀器技術的電路測試和診斷系統[J]．計算機工程，2004，30(7)：164．

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，高級工程師，大學本科，主要從事艦船機電裝備監修工作。

TP391.9

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.01.011

2013-11-04