基于LabVIEW的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速檢測設(shè)計(jì)與開發(fā)

潘 搏，施偉鋒，張 威，卓金寶

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基于LabVIEW的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速檢測設(shè)計(jì)與開發(fā)

潘 搏，施偉鋒，張 威，卓金寶

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306）

電力電子技術(shù)和高功率密度器件在船舶領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，轉(zhuǎn)速測量的可靠性對于船舶電力系統(tǒng)具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的船舶電力推進(jìn)裝置轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)，選擇東風(fēng)康明斯3971994 M18*1.5轉(zhuǎn)速傳感器和NI USB 6259數(shù)據(jù)采集卡作為采集系統(tǒng)的前端，通過USB串口通信將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，利用LabVIEW的監(jiān)視和顯示功能，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行同步的顯示，處理分析和保存。該設(shè)計(jì)在船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置中進(jìn)行了實(shí)際測試，結(jié)果表明，該方法檢測精度高，可靠性好，人機(jī)交互良好，可作為推廣應(yīng)用。

LabVIEW 船舶電力推進(jìn) 轉(zhuǎn)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(fā)環(huán)境，是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱。是目前應(yīng)用最廣泛，發(fā)展速度最快，功能最強(qiáng)的圖形化程序開發(fā)集成環(huán)境。LabVIEW被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，LabVIEW是一種面向最終用戶的開+發(fā)工具，可為實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供便捷途徑[1]。

對比以往船舶電力推進(jìn)裝置對轉(zhuǎn)速的采集，文中設(shè)計(jì)依靠霍爾傳感器對轉(zhuǎn)速的采集，大大減少了成本且精度要求較高?，F(xiàn)在市場上主要依靠紅外轉(zhuǎn)速檢測裝置，具有體積大成本高等缺點(diǎn)，而東風(fēng)康明斯3971994 M18*1.5轉(zhuǎn)速傳感器價(jià)格更低，更為可靠，能最大限度降低因數(shù)據(jù)誤差而造成的系統(tǒng)癱瘓和功能模塊失效，有效保障船上人員的生命安全。

1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)針對船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)了模擬系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自下而上分為兩大部分：

監(jiān)視層：包括了現(xiàn)場監(jiān)視層和遠(yuǎn)程監(jiān)視層，包括模擬量信號的采集以及數(shù)字量信號的采集，這一部分有：SY3000C智能電力參數(shù)測試儀通過紅外協(xié)議將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給ASUS A629手持設(shè)備；NI USB 6259數(shù)據(jù)采集卡，通過電壓傳感器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量由采集卡接收數(shù)據(jù)，用LabVIEW對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；泰克DPO 3012 示波器采集的數(shù)字信號傳遞給終端PC；ATV61變頻器，柴油發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，PLC M340對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場級的控制；PM850以及常規(guī)數(shù)字儀表，其中PM850和常規(guī)數(shù)字儀表測的是模擬量；EGX300網(wǎng)關(guān)和HUB通過Modbus TCP/IP和Modbus RS 485用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)共享。管理層：包括了工控機(jī)，XBTGT7340觸摸屏，服務(wù)器，終端PC，實(shí)現(xiàn)在集控室、駕駛室對船舶電力進(jìn)行監(jiān)控。

而本設(shè)計(jì)主要對減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，通過霍爾傳感器對減速電機(jī)的齒輪探測，再把數(shù)據(jù)傳遞給NI采集卡，采集卡再將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)LabVIEW，LabVIEW對轉(zhuǎn)速值進(jìn)行處理，顯示和保存等。

2 轉(zhuǎn)速傳感器

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。[2]

本設(shè)計(jì)所采用東風(fēng)康明斯3971994 M18*1.5轉(zhuǎn)速傳感器。目前船舶電力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)所配的轉(zhuǎn)速傳感器大多都是電磁式傳感器，由轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)的永磁體和線圈以及發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈共同作用產(chǎn)生一個(gè)交流電壓信號，幅值范圍為AC 2V~6V。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理在傳感器內(nèi)部線圈的兩端產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)就產(chǎn)生Z個(gè)電壓脈沖信號，根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式

式中：為頻率Hz，為被測軸轉(zhuǎn)速單位為rpm，為齒輪齒數(shù)，本設(shè)計(jì)中的減速電機(jī)實(shí)際齒數(shù)為38，故取=38。

3 船舶電力推進(jìn)裝置轉(zhuǎn)速檢測

3.1 硬件通信連接

下位機(jī)采用NI USB 6259采集卡，結(jié)合船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和運(yùn)行要求，搭建NI數(shù)據(jù)采集卡采集平臺(tái)，本設(shè)計(jì)用到USB通信串口，通過以太網(wǎng)連接至工控機(jī)，經(jīng)過簡易的設(shè)置就能工作。具體參數(shù)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(shù)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(shè)置，采集數(shù)據(jù)，定時(shí)設(shè)置，觸發(fā)裝置，波形顯示組成的。其中通道參數(shù)設(shè)置依據(jù)NI USB-6259 Screw Terminal[4]。在采集卡中，設(shè)置通道名ctr1,模式為邊沿計(jì)數(shù)，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(shè)計(jì)所依托的船舶電力推進(jìn)裝置是基于施耐德Modbus總線協(xié)議的分布式現(xiàn)場總線監(jiān)控裝置。裝置中工控機(jī)和EGX300網(wǎng)關(guān)采用RS-485現(xiàn)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(qū)分邏輯狀態(tài)，正電平為+2～+6V，負(fù)電平為-2～-6V。

3.2上位機(jī)LabVIEW程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的操作界面采用LabVIEW進(jìn)行可視化編程，主要完成上位機(jī)和現(xiàn)場之間的通信，其開發(fā)的程序?yàn)閂I，也就是虛擬儀器，所生成的擴(kuò)展名為vi。一個(gè)完整的vi中包括前面板，程序框圖以及圖標(biāo)連接器窗格[5,6]。

在程序設(shè)計(jì)過程中，一開始船舶電力監(jiān)視裝置還沒搭建完成，或者避免每次采集數(shù)據(jù)都下現(xiàn)場，一套進(jìn)行模擬運(yùn)行調(diào)試的仿真信號發(fā)生系統(tǒng)必不可缺。因此設(shè)計(jì)一個(gè)方波信號發(fā)生程序，還要在此基礎(chǔ)上加一定的干擾信號。

首先添加基波，設(shè)置工頻50Hz，幅值為1，相位角為0的方波信號。其次，根據(jù)采集卡性能，將采樣信息設(shè)置為每秒采集1000個(gè)點(diǎn)，連續(xù)采集199個(gè)信號進(jìn)行分析。同時(shí)添加噪聲干擾，實(shí)際工況中會(huì)有各種周期性隨機(jī)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(shè)計(jì)添加了均勻白噪聲，設(shè)置噪聲標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果。利用主要函數(shù)與VI，可以編寫出所需的模擬脈沖信號發(fā)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(jīng)顯示了運(yùn)行結(jié)果：模擬出了周期為50Hz的脈沖信號波形，共有10個(gè)脈沖信號，在后續(xù)的實(shí)際轉(zhuǎn)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(jìn)行分析運(yùn)算。

DAQmx數(shù)據(jù)模塊是NI的DAQ驅(qū)動(dòng)軟件配合采集卡而生成的模塊，它不僅具有DAQ驅(qū)動(dòng)軟件的基本功能，還具備高性能的數(shù)據(jù)采集能力，和傳統(tǒng)的相比具有效率高，速度快的特點(diǎn)。計(jì)數(shù)器模塊中采用計(jì)數(shù)器U32，1采樣，在計(jì)數(shù)器任務(wù)中讀取單個(gè)32位無符號整數(shù)采樣。NI-DAQmx返回未換算的計(jì)數(shù)器采樣時(shí),可可用讀取32位無符號整數(shù)的范例[7]。

該設(shè)計(jì)方案在船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置中的減速推進(jìn)電機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際測試，實(shí)驗(yàn)中電機(jī)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)快，穩(wěn)定性機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為0～150 rpm，對電機(jī)的快速啟停，穩(wěn)定運(yùn)行以及制動(dòng)進(jìn)行了實(shí)際仿真，仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)快，穩(wěn)定性能好，人機(jī)交互友好，界面簡潔直觀。圖5為推進(jìn)減速電機(jī)在額定電壓380 V，頻率50 Hz的工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速在2 s左右快速上升到300 rpm左右，在4s之后穩(wěn)定在320 rpm左右?？芍?，電機(jī)加速啟動(dòng)4秒后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。在界面中可觀察到計(jì)數(shù)器通道Dev1/ctr1，輸入接線端Dev1/PFI3，運(yùn)行11.64 s，共采集到144007個(gè)脈沖信號，轉(zhuǎn)速為325.442 rpm。

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，還滿足了船舶電力系統(tǒng)中穩(wěn)定可靠經(jīng)濟(jì)的要求，同時(shí)還具備了LabVIEW編寫上位機(jī)所特有的界面友好，操作穩(wěn)定，容易上手等特點(diǎn)。從根本上解決了目前船舶電力系統(tǒng)中測量轉(zhuǎn)速成本高，耗時(shí)長，不易讀取等特點(diǎn)，滿足了工況要求。后續(xù)可將LabVIEW中的數(shù)據(jù)以TDMS文件保存，可以EXCEL和TXT形式進(jìn)行訪問，利用以太網(wǎng)關(guān)EGX300和HUB，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)共享。

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高等教育培養(yǎng)學(xué)生的最終目的是讓學(xué)生從學(xué)生跨越到準(zhǔn)職業(yè)人，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程，讓學(xué)生能真正走向社會(huì)，成為融入社會(huì)的高級人才。但如何培養(yǎng)學(xué)生，讓學(xué)生在短短的四年發(fā)生真正蛻變，真正成為能適應(yīng)社會(huì)的社會(huì)人，是高等教育中面臨的一大難題。

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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(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20123121110003)，上海市科委教研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZZ155)的資助

潘搏（1990-），男，碩士。研究方向：電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。