基于LabVIEW的電氣控制柜虛擬維修訓練系統的仿真方法

【信息科學與控制工程】

基于LabVIEW的電氣控制柜虛擬維修訓練系統的仿真方法

來德寶，吳強，向東

(海軍工程大學 電氣工程系， 武漢430033)

摘要：針對電氣控制柜虛擬維修訓練系統仿真可對任意節點進行故障設置的需求。提出了結合邏輯仿真和電路仿真的方法對電氣控制虛擬維修訓練系統進行仿真建模。利用LabVIEW工程庫實現對象的程序設計思想，建立電氣控制柜虛擬維修系統元件模型和故障模型，將電氣控制線路抽象為網絡拓撲圖，通過電路搜索算法，完成相應系統功能。結合邏輯仿真與電路仿真的方法，更貼合電氣電路的實際工況，使虛擬維修訓練系統更具有真實性和邏輯性。

關鍵詞：面向對象；電氣控制；虛擬維修；仿真

收稿日期：2014-09-16

作者簡介：來德寶(1985—)，男，碩士研究生，主要從事電力系統自動化研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.035

中圖分類號：TM645；TP391.9

文章編號：1006-0707(2015)01-0124-04

本文引用格式：來德寶，吳強，向東.基于LabVIEW的電氣控制柜虛擬維修訓練系統的仿真方法[J].四川兵工學報，2015(1):124-127.

Citation format:LAI De-bao, WU Qiang, XIANG Dong.Simulation Method of Virtual Maintenance Training System of Electrical Control Cabinet Based on LabVIEW[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(1):124-127.

Simulation Method of Virtual Maintenance Training System of

Electrical Control Cabinet Based on LabVIEW

LAI De-bao, WU Qiang, XIANG Dong

(Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering of PLA, Wuhan 430033, China)

Abstract:In view of the electrical control cabinet virtual maintenance training system, simulation can be on any node fault set of requirements. Method which was combined with logic simulation and circuit simulation was proposed for electrical control virtual maintenance training system modeling simulation. The library object program design idea, the virtual maintenance system of electrical control cabinet component model and fault model, abstract electrical control circuit into a network topology were built by using LabVIEW project. We completed the corresponding system function by using circuit search algorithm. The method of combination logic simulation and circuit simulation is more fit to the actual working condition of the electric circuit, and makes the virtual maintenance training system be more authenticity and logicality.

Key words: object oriented; electrical control; virtual maintenance; simulation

針對艦船電力拖動裝置長期處在振動，高溫及潮濕等條件下工作。艦船的電氣設備維修時有發生。而由于現實維修過程中，故障問題多變，維修效率低，操作的失誤還有可能導致設備的損壞。未經訓練操作人員的心里素質不高容易造成錯誤操作。考慮到設備按需按時使用，維修大多還需請專家，人員的維修水平得不到提升。開發虛擬維修訓練系統，對電氣設備的維修保障具有重大意義。

虛擬維修訓練系統利用虛擬現實技術創建裝備維修訓練的虛擬環境，通過對虛擬裝備進行維修作業，了解和掌握新裝備的維修技術和技能,從而達到在實裝上進行維修訓練的效果[1]。意義主要體現在：① 系統建立與真實裝備一致的三維實體模型，維修人員在該模型上進行維修作業，不會對新設備造成磨損、毀壞，可有效地保持裝備的完好率。② 虛擬維修方式與真實維修方式相比，可以靈活的設置更多類型的故障方案。③ 系統可以提前訓練的開始時間點，甚至在沒有實物對象時就可以開展部分的訓練工作，可大幅度降低該裝備形成維修能力所需要的費用及時間[2]。

虛擬維修訓練系統的結構可劃分為4個部分，這4個部分為虛擬現實、仿真模型、人機交互、維修評估[3]。如圖1所示，本文對系統進行仿真建模，實現對三維模塊的底層支持。

圖1　電氣控制柜虛擬維修系統功能模塊

1電氣控制柜功能建模

繼電控制功能仿真[4]，常用方法有編譯仿真方法[5]，事件表驅動仿真算法[6]，時間映射法，按時間順序確定事件，根據事件傳播特性給出事件模擬算法。然而此方法有其本身的局限性，適用于延時和動作次序特定的情況，對于電氣控制虛擬維修訓練系統，若加入元件故障或線路故障設置，特定的動作次序就會發生改變，原有事件模擬就不再適用。邏輯變化在故障點加入后，變得難以確定。驅動元件按照邏輯仿真的方法，檢測到的“事件”不一定正確。

本文提出結合邏輯仿真和電路仿真的方法，通過電流值判定驅動元件是否工作。同時電氣控制柜虛擬維修訓練包括對電路中電阻電壓等參數的測量，并且需要獲取任意節點間電阻和電壓值。經過分析以及驗證表明，該方法可以完成電氣控制柜虛擬維修訓練系統底層電路及邏輯的仿真。

電氣控制系統中元件的特點是：① 結構功能相對簡單，通常情況下一個開關元件功能為通斷切換，接觸器元件的控制部分以下稱為主元件識別控制條件，如電流、電壓達到某個值，控制執行部分以下稱為從元件做出相應的接通或關斷的動作，② 元件數量較多。基于這種特點用面向對象的概念編程最為合適。LabVIEW并非面向對象的編程語言，然而在8.0以后，LabVIEW推出類的概念，實現了面向對象的部分功能。面向對象OOP，在LabVIEW中稱作LVOOP，LabVIEW借助于項目瀏覽器創建類，這樣更有利于類的調試[7]。

電氣控制線路的邏輯功能仿真模型可以分為2類：電氣元件模型和元件連接關系模型[8]。邏輯功能仿真中的導線僅作為連接關系，用網絡拓撲化的方法對整個線路建模。對于電氣控制虛擬維修訓練系統仿真來說，導線有可能出現故障或者在測量的時候人為脫開。因此導線的處理不能仿照邏輯線路仿真方法簡化為網絡拓撲而沒有屬性，應將導線歸為元件，建立元件模型。

根據結合邏輯仿真和電路仿真方法的需要，利用LabVIEW工程庫，首先建立電氣線路工程項目，電氣控制系統中大部分元件具有相似的屬性，因此可以在項目瀏覽器中創建抽象的元件類，然而各元件又有特殊性，于是在元件模型類的基礎上創建了各種元件的子類，子類繼承了元件類。各種元件的類進行相應的組合即可成復雜的類，如接觸器類，可以由開關類和線圈類組合而成。

電氣控制元件有導線，開關,線圈，指示燈等，是單一元件，是抽象的元件類的特殊化。元件類的私有數據及屬性如表1所示，圖2給出了LabVIEW中類的私有數據簇。對于元件的特殊性，體現在具體的操作方法上。

表1　元件類私有數據名稱及屬性

根據仿真的實際需要，從元件的功能的角度，如圖2左中電氣線路項目瀏覽器所示，在抽象類的基礎上創建以下幾類模型：

1) 導線模型

模型類似于開關模型，設定通斷的讀寫屬性用于斷路等故障的注入，導線模型描述元件之間的網絡拓撲結構，導線的節點為連接到元件的節點，本身不設置節點，如果發生斷路則將導線的通斷值置0。

2) 開關模型

通過改變自身通斷狀態改變網絡拓撲，開關有壓彈式開關，有常開型和常閉型。設置讀寫屬性，可以完成手動控制開關通斷和主元件控制開關通斷。

3) 線圈建模

線圈可以簡化為電阻模型，由電流判定是否工作，工作時控制所屬開關通斷。

4) 接觸器模型

接觸器為線圈、開關的組合模型，線圈驅動觸點的通斷，利用類的方法完成這一控制。

5) 指示燈模型

指示燈的狀態變化描述電路的工作情況是仿真所要輸出的特殊負載元件。以基類元件模型為基礎，電流值判定燈是否工作。

圖2　電氣線路項目瀏覽器及類的私有數據

2功能仿真算法

電氣控制線路邏輯仿真的基本思想是將施加在電路上的激勵信號通過電路中的各元件逐級傳播，通過更改各元件的狀態值改變電路的拓撲結構，進而改變下一級元件的狀態，直到電路達到穩定狀態為止[9]。

在電路邏輯仿真常用算法中，為了表示動作次序應用時間映射法建立虛擬的“模擬”時鐘，使元件狀態值得改變按照時間隊列鏈表事件加入的次序[10]。而加入了電路仿真后，事件的發生隨電流值得改變而改變，用電流值判定事件加入的次序，不僅更加貼近電氣控制柜的邏輯模式，而且加入了運行時的實際工況信息。

電氣控制系統元件狀態值的改變分為2種:一種是通過外部指令改變，一種由電路中的主元件改變。仿真過程從接收外部指令開始，外部指令引起的元件狀態值的改變加入到網絡拓撲的變化中，通過運算器計算出各支路電流。通過支路電流判定組合元件的主元件是否工作，將主元件控制的從元件的狀態值返回形成新的網絡拓撲結構，循環此過程，直到引起系統狀態變化的2種改變都不存在的時候，系統達到穩定狀態。如圖3所示。

仿真算法需要提供虛擬維修所需要的數據，從而使得虛擬現實中的顯示界面在時間上，空間上有更接近真實情況的結果，增強維修人員的沉浸感，提升維修訓練的可信度，從而達到更好的訓練效果。如圖3虛擬維修仿真通過相應的功能模塊得到所需輸出的數據。仿真算法需完成的功能主要為任意兩節點之間等效電阻，通過對網絡拓撲圖的遍歷，累加計算得到。等效電阻值可用于支路電流的計算，提供人機界面萬用表測量電阻和測量電壓所需數據。

3電路元件控制實現

3.1接觸器控制實現

邏輯仿真將接觸器元件分為單一的功能元件處理，而將所有元件狀態值的改變加入到事件隊列中，而面向對象設計中將接觸器中主元件控制從元件狀態值的改變的事件變為接觸器類的方法，這樣可以減少系統仿真算法的事件量，同時元件狀態控制的層次化明顯。接觸器主從元件控制方法如圖4所示，圖4為接觸器線圈電流值超過電流閥值進入工作狀態，控制接觸器的所屬觸點的通斷值改變，從而仿真接觸器在系統中的功能。圖5為接觸器常態下的方法。圖4和圖5構成了接觸器正常情況的類的方法，通過對電流值的判斷，完成接觸器的功能。

圖3　虛擬維修系統底層仿真流程

圖4　接觸器工作狀態下類的方法

圖5　接觸器常態下類的方法

3.2故障屬性及方法實現

虛擬維修系統的故障主要體現在元件模型的操作方法上，元件的各類故障可以歸結為動作值不能夠得到預期的狀態值，或者在外部滿足動作條件下不動作。仿真中元件故障包括短路，斷路，電阻泄漏，此類故障在模型中表示為通斷值與等效電阻值之間的關系，是邏輯關系與電路參數關系的綜合。如圖6所示，接觸器觸點熔焊故障，開關閉合后，觸點由于過載電流大而引起熔焊，按“停止”按鈕，開關不斷開。在模型方法上，不論主元件是否處于工作狀態，觸點狀態為工作下狀態值。如圖6所示，方法中在正常狀態下，觸點不做動作，即保持原有工作狀態下的狀態值，從而達到元件故障的效果。

圖6　觸點熔焊故障接觸器常態下類的方法

4結論

本文根據仿真實際需要，從電氣元件功能與元件數量角度出發，通過LabVIEW工程庫用面向對象的思想，對電氣控制系統中的各類元件進行仿真建模，利用類的封裝性，繼承性，多態性，使得各類元件模型具有擴展性和可重用性。虛擬維修系統仿真建模因有故障的注入，與傳統建模方法不同，其中導線不僅描述網絡拓撲關系，還具有一定的功能。結合邏輯仿真和電路仿真把由邏輯仿真中通過隊列來調度的事件驅動仿真算法變為電流控制仿真事件，更加符合實際電氣控制系統的情況，繼而使得整個虛擬維修訓練系統有更好的真實性和邏輯性。

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(責任編輯楊繼森)