【信息科學(xué)與控制工程】

基于LabVIEW的電氣控制柜虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真方法

來德寶，吳強(qiáng)，向東

(海軍工程大學(xué) 電氣工程系， 武漢430033)

摘要：針對(duì)電氣控制柜虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)仿真可對(duì)任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障設(shè)置的需求。提出了結(jié)合邏輯仿真和電路仿真的方法對(duì)電氣控制虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模。利用LabVIEW工程庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的程序設(shè)計(jì)思想，建立電氣控制柜虛擬維修系統(tǒng)元件模型和故障模型，將電氣控制線路抽象為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，通過電路搜索算法，完成相應(yīng)系統(tǒng)功能。結(jié)合邏輯仿真與電路仿真的方法，更貼合電氣電路的實(shí)際工況，使虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)更具有真實(shí)性和邏輯性。

關(guān)鍵詞：面向?qū)ο?；電氣控制；虛擬維修；仿真

收稿日期：2014-09-16

作者簡(jiǎn)介：來德寶(1985—)，男，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.035

中圖分類號(hào)：TM645；TP391.9

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0124-04

本文引用格式：來德寶，吳強(qiáng)，向東.基于LabVIEW的電氣控制柜虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真方法[J].四川兵工學(xué)報(bào)，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(duì)艦船電力拖動(dòng)裝置長(zhǎng)期處在振動(dòng)，高溫及潮濕等條件下工作。艦船的電氣設(shè)備維修時(shí)有發(fā)生。而由于現(xiàn)實(shí)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(dǎo)致設(shè)備的損壞。未經(jīng)訓(xùn)練操作人員的心里素質(zhì)不高容易造成錯(cuò)誤操作?？紤]到設(shè)備按需按時(shí)使用，維修大多還需請(qǐng)專家，人員的維修水平得不到提升。開發(fā)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)電氣設(shè)備的維修保障具有重大意義。

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建裝備維修訓(xùn)練的虛擬環(huán)境，通過對(duì)虛擬裝備進(jìn)行維修作業(yè)，了解和掌握新裝備的維修技術(shù)和技能,從而達(dá)到在實(shí)裝上進(jìn)行維修訓(xùn)練的效果[1]。意義主要體現(xiàn)在：① 系統(tǒng)建立與真實(shí)裝備一致的三維實(shí)體模型，維修人員在該模型上進(jìn)行維修作業(yè)，不會(huì)對(duì)新設(shè)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(shí)維修方式相比，可以靈活的設(shè)置更多類型的故障方案。③ 系統(tǒng)可以提前訓(xùn)練的開始時(shí)間點(diǎn)，甚至在沒有實(shí)物對(duì)象時(shí)就可以開展部分的訓(xùn)練工作，可大幅度降低該裝備形成維修能力所需要的費(fèi)用及時(shí)間[2]。

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可劃分為4個(gè)部分，這4個(gè)部分為虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真模型、人機(jī)交互、維修評(píng)估[3]。如圖1所示，本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模塊的底層支持。

圖1　電氣控制柜虛擬維修系統(tǒng)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(qū)動(dòng)仿真算法[6]，時(shí)間映射法，按時(shí)間順序確定事件，根據(jù)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(shí)和動(dòng)作次序特定的情況，對(duì)于電氣控制虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，若加入元件故障或線路故障設(shè)置，特定的動(dòng)作次序就會(huì)發(fā)生改變，原有事件模擬就不再適用。邏輯變化在故障點(diǎn)加入后，變得難以確定。驅(qū)動(dòng)元件按照邏輯仿真的方法，檢測(cè)到的“事件”不一定正確。

本文提出結(jié)合邏輯仿真和電路仿真的方法，通過電流值判定驅(qū)動(dòng)元件是否工作。同時(shí)電氣控制柜虛擬維修訓(xùn)練包括對(duì)電路中電阻電壓等參數(shù)的測(cè)量，并且需要獲取任意節(jié)點(diǎn)間電阻和電壓值。經(jīng)過分析以及驗(yàn)證表明，該方法可以完成電氣控制柜虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)底層電路及邏輯的仿真。

電氣控制系統(tǒng)中元件的特點(diǎn)是：① 結(jié)構(gòu)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，通常情況下一個(gè)開關(guān)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(shí)別控制條件，如電流、電壓達(dá)到某個(gè)值，控制執(zhí)行部分以下稱為從元件做出相應(yīng)的接通或關(guān)斷的動(dòng)作，② 元件數(shù)量較多?；谶@種特點(diǎn)用面向?qū)ο蟮母拍罹幊套顬楹线m。LabVIEW并非面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，然而在8.0以后，LabVIEW推出類的概念，實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮牟糠止δ?。面向?qū)ο驩OP，在LabVIEW中稱作LVOOP，LabVIEW借助于項(xiàng)目瀏覽器創(chuàng)建類，這樣更有利于類的調(diào)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(guān)系模型[8]。邏輯功能仿真中的導(dǎo)線僅作為連接關(guān)系，用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠姆椒▽?duì)整個(gè)線路建模。對(duì)于電氣控制虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)仿真來說，導(dǎo)線有可能出現(xiàn)故障或者在測(cè)量的時(shí)候人為脫開。因此導(dǎo)線的處理不能仿照邏輯線路仿真方法簡(jiǎn)化為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠鴽]有屬性，應(yīng)將導(dǎo)線歸為元件，建立元件模型。

根據(jù)結(jié)合邏輯仿真和電路仿真方法的需要，利用LabVIEW工程庫(kù)，首先建立電氣線路工程項(xiàng)目，電氣控制系統(tǒng)中大部分元件具有相似的屬性，因此可以在項(xiàng)目瀏覽器中創(chuàng)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(chǔ)上創(chuàng)建了各種元件的子類，子類繼承了元件類。各種元件的類進(jìn)行相應(yīng)的組合即可成復(fù)雜的類，如接觸器類，可以由開關(guān)類和線圈類組合而成。

電氣控制元件有導(dǎo)線，開關(guān),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(shù)據(jù)及屬性如表1所示，圖2給出了LabVIEW中類的私有數(shù)據(jù)簇。對(duì)于元件的特殊性，體現(xiàn)在具體的操作方法上。

表1　元件類私有數(shù)據(jù)名稱及屬性

根據(jù)仿真的實(shí)際需要，從元件的功能的角度，如圖2左中電氣線路項(xiàng)目瀏覽器所示，在抽象類的基礎(chǔ)上創(chuàng)建以下幾類模型：

1) 導(dǎo)線模型

模型類似于開關(guān)模型，設(shè)定通斷的讀寫屬性用于斷路等故障的注入，導(dǎo)線模型描述元件之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)線的節(jié)點(diǎn)為連接到元件的節(jié)點(diǎn)，本身不設(shè)置節(jié)點(diǎn)，如果發(fā)生斷路則將導(dǎo)線的通斷值置0。

2) 開關(guān)模型

通過改變自身通斷狀態(tài)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，開關(guān)有壓彈式開關(guān)，有常開型和常閉型。設(shè)置讀寫屬性，可以完成手動(dòng)控制開關(guān)通斷和主元件控制開關(guān)通斷。

3) 線圈建模

線圈可以簡(jiǎn)化為電阻模型，由電流判定是否工作，工作時(shí)控制所屬開關(guān)通斷。

4) 接觸器模型

接觸器為線圈、開關(guān)的組合模型，線圈驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)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(tài)變化描述電路的工作情況是仿真所要輸出的特殊負(fù)載元件。以基類元件模型為基礎(chǔ)，電流值判定燈是否工作。

圖2　電氣線路項(xiàng)目瀏覽器及類的私有數(shù)據(jù)

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(lì)信號(hào)通過電路中的各元件逐級(jí)傳播，通過更改各元件的狀態(tài)值改變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變下一級(jí)元件的狀態(tài)，直到電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止[9]。

在電路邏輯仿真常用算法中，為了表示動(dòng)作次序應(yīng)用時(shí)間映射法建立虛擬的“模擬”時(shí)鐘，使元件狀態(tài)值得改變按照時(shí)間隊(duì)列鏈表事件加入的次序[10]。而加入了電路仿真后，事件的發(fā)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(yùn)行時(shí)的實(shí)際工況信息。

電氣控制系統(tǒng)元件狀態(tài)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(tài)值的改變加入到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，通過運(yùn)算器計(jì)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(tài)值返回形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，循環(huán)此過程，直到引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的2種改變都不存在的時(shí)候，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如圖3所示。

仿真算法需要提供虛擬維修所需要的數(shù)據(jù)，從而使得虛擬現(xiàn)實(shí)中的顯示界面在時(shí)間上，空間上有更接近真實(shí)情況的結(jié)果，增強(qiáng)維修人員的沉浸感，提升維修訓(xùn)練的可信度，從而達(dá)到更好的訓(xùn)練效果。如圖3虛擬維修仿真通過相應(yīng)的功能模塊得到所需輸出的數(shù)據(jù)。仿真算法需完成的功能主要為任意兩節(jié)點(diǎn)之間等效電阻，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的遍歷，累加計(jì)算得到。等效電阻值可用于支路電流的計(jì)算，提供人機(jī)界面萬用表測(cè)量電阻和測(cè)量電壓所需數(shù)據(jù)。

3電路元件控制實(shí)現(xiàn)

3.1接觸器控制實(shí)現(xiàn)

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(tài)值的改變加入到事件隊(duì)列中，而面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中將接觸器中主元件控制從元件狀態(tài)值的改變的事件變?yōu)榻佑|器類的方法，這樣可以減少系統(tǒng)仿真算法的事件量，同時(shí)元件狀態(tài)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(jìn)入工作狀態(tài)，控制接觸器的所屬觸點(diǎn)的通斷值改變，從而仿真接觸器在系統(tǒng)中的功能。圖5為接觸器常態(tài)下的方法。圖4和圖5構(gòu)成了接觸器正常情況的類的方法，通過對(duì)電流值的判斷，完成接觸器的功能。

圖3　虛擬維修系統(tǒng)底層仿真流程

圖4　接觸器工作狀態(tài)下類的方法

圖5　接觸器常態(tài)下類的方法

3.2故障屬性及方法實(shí)現(xiàn)

虛擬維修系統(tǒng)的故障主要體現(xiàn)在元件模型的操作方法上，元件的各類故障可以歸結(jié)為動(dòng)作值不能夠得到預(yù)期的狀態(tài)值，或者在外部滿足動(dòng)作條件下不動(dòng)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(guān)系，是邏輯關(guān)系與電路參數(shù)關(guān)系的綜合。如圖6所示，接觸器觸點(diǎn)熔焊故障，開關(guān)閉合后，觸點(diǎn)由于過載電流大而引起熔焊，按“停止”按鈕，開關(guān)不斷開。在模型方法上，不論主元件是否處于工作狀態(tài)，觸點(diǎn)狀態(tài)為工作下狀態(tài)值。如圖6所示，方法中在正常狀態(tài)下，觸點(diǎn)不做動(dòng)作，即保持原有工作狀態(tài)下的狀態(tài)值，從而達(dá)到元件故障的效果。

圖6　觸點(diǎn)熔焊故障接觸器常態(tài)下類的方法

4結(jié)論

本文根據(jù)仿真實(shí)際需要，從電氣元件功能與元件數(shù)量角度出發(fā)，通過LabVIEW工程庫(kù)用面向?qū)ο蟮乃枷?，?duì)電氣控制系統(tǒng)中的各類元件進(jìn)行仿真建模，利用類的封裝性，繼承性，多態(tài)性，使得各類元件模型具有擴(kuò)展性和可重用性。虛擬維修系統(tǒng)仿真建模因有故障的注入，與傳統(tǒng)建模方法不同，其中導(dǎo)線不僅描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，還具有一定的功能。結(jié)合邏輯仿真和電路仿真把由邏輯仿真中通過隊(duì)列來調(diào)度的事件驅(qū)動(dòng)仿真算法變?yōu)殡娏骺刂品抡媸录?，更加符合?shí)際電氣控制系統(tǒng)的情況，繼而使得整個(gè)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)有更好的真實(shí)性和邏輯性。

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(責(zé)任編輯楊繼森)