基于LabVIEW的电动空压机控制电路的仿真设计

谢 飞，吴杰长，郭朝有

(海军工程大学 船舶与动力学院，武汉430033)

传统空压机控制电路设计过程是采用Protel、PSpice、Multisim等计算机辅助设计及仿真软件按照电路原理图对电路模块进行仿真并根据仿真结果制作实际电路模块，再对设计出的实际电路模块进行通电测试并分析测试结果，判断电路是否达到性能指标的要求。采用上述传统方法设计电路，工作量大，且仿真结果无法与外部信号交互以实现全功能仿真测试［1］。

本文针对某型空压机控制系统工作要求，采用LabVIEW［2-4］软件进行相应控制电路的全功能仿真。基于LabVIEW软件平台，完成了对数字逻辑电路仿真工作，在进行CAD设计的同时可模拟外部激励信号并与外部信号交互以实现全功能仿真测试。

1 空压机控制电路功能需求及设计

1.1 功能需求

本文研制的电动空压机控制系统电路用于空压机控制系统，其主要功能是在空压机自动控制台实现对空压机的监测、控制功能，实现空压机运行状态和运行参数超限报警，并具有分级报警和故障停车保护功能［5］。

1)按设定的顺序控制空压机的启动、停车;

2)实时监测空压机润滑油温度及压力、Ⅰ级冷却器空气温度、Ⅲ级排气压力、Ⅳ级排气压力、再生空气压力等空压机关键工作参数;

3)润滑油温度低于设定下限值时自动联锁空压机启动功能，并自动启动滑油加热器;

4)工作过程中再生空气压力低于设定下限值等情况时能发出告警信号，并在控制台显示相应的报警信号;

5)工作过程中润滑油压力低于设定下限值、Ⅲ级排气压力或Ⅳ级排气压力高于上限值等时能自动保护停机，同时在控制台显示相应的故障报警信号。

1.2 总体设计

根据空压机控制电路功能要求，采用基于时序逻辑模块化电路的基本思路对控制电路进行设计，将全系统分为时序产生模块、逻辑控制模块以及继电器控制模块，组合实现空压机全自动控制功能。其中时序产生模块形成时序控制信号，建立电动空压机工作时必要的时间间隔;逻辑控制模块形成逻辑控制信号;继电器控制模块接受逻辑控制信号，驱动执行机构动作。空压机控制系统内部模块间信号交互关系及总体结构见图1。其中I、II、III为时序产生模块，I实现时间分频功能，II、III实现形成空压机工作时必须的时间间隔功能;IV、V、VI、VII、VIII为逻辑控制模块，实现空压机各项控制功能;IX、X为继电器控制模块，通过控制继电器通断实现执行机构工作。

为达到空压机自动控制工作要求，各控制模块功能设计如下。

图1 电动空压机控制系统信号交互关系及结构

控制模块I、II、III通过接入全系统，产生系统所需的时序信号;控制模块IV与其余模块组合形成空压机的启动信号，完成启动操作、最小油温监测、冷却水供给及监测;控制模块V与其余模块组合控制注油阀、吹洗阀动作，电动机启动监测;控制模块VI与其余模块组合实现故障报警、控制时间继电器PB1计数;控制模块VII与其余模块组合实现再生过程监控;控制模块VIII与其余模块组合控制干燥卸载阀、控制再生时间继电器PB2计数;控制模块IX、X与其余模块组合用于控制执行机构动作。

2 控制电路仿真程序设计

在LabVIEW图形化编程环境中，采用模块化设计思路，将时序产生模块、逻辑控制模块、继电器控制模块按模块内部时序关系、逻辑关系在LabVIEW建立各模块工作模型。运用LabVIEW软件平台的编程函数，将各模块有机联系构成空压机控制系统整体，以现实空压机自动控制功能。为实现空压机自动保护与报警功能测试，在Lab-VIEW环境下模拟生成故障激励信号，对空压机常见故障实现虚拟仿真。

2.1 时序产生模块仿真程序设计

以时间计数器PB1为例，说明时序产生模块仿真程序设计原理。图2为时间计数器PB1时序控制仿真程序。时序产生模块由方波波形生成函数进行设计，在方波波形生成函数中设置频率、幅值、占空比，利用方波产生的高、低电平实现时序控制，用于满足空压机不同时间的控制要求。如时间继电器PB1用来在干燥状态下给定吸附器的工作时间，每15 h进行一次吸附器转换，其控制信号是周期为41 s宽度为1.3 s的脉冲。对时间继电器PB1进行程序仿真时，采用方波波形生成函数，设置的频率为0.024 4 Hz，占空比为3.17%，相位为11.41°，幅值为0.5，偏移量为-0.5，这样就会产生高电平以“1”表示，低电平以“0”表示，且可以对时间继电器PB1进行控制的脉冲。方波波形参数计算如下。

图2 时间计数器PB1时序控制仿真程序

式中:f——方波频率;

T——方波周期;

D——占空比;

P——初始相位。

2.2 继电器控制模块仿真程序设计

以控制“吹除”指示灯亮灭的继电器为例，说明继电器控制模块仿真程序设计原理。图3为控制“吹除”指示灯亮灭的继电器仿真原理。

图3 继电器仿真原理

继电器控制模块程序利用条件结构函数提供的逻辑量真值(True)和假值(False)表示继电器通断，从而实现继电器控制仿真，条件结构的选择器接线端连接至用于控制继电器通断的元器件，其子程序框图为继电器接通或断开后产生的效果仿真。当条件结构为真值时，表示继电器断开，条件结构内的程序为继电器断开后空压机产生的效果仿真程序，此时“吹除”指示灯灭;当条件结构为假值时，表示继电器接通，条件结构内的程序为继电器接通后空压机场所的效果仿真程序，此时“吹除”指示灯亮。

2.3 逻辑控制模块仿真程序设计

逻辑控制模块程序由程序图提供的大量函数模块构成，子程序完成后根据各个模块的逻辑关系，合理摆放，以逻辑函数将各模块有机联系起来，构成空压机控制系统整体，实现空压机控制电路全系统仿真。图4为吸附器加热过程仿真原理。其中将时序产生模块、逻辑控制、继电器控制模块有机结合在一起，实现吸附器加热功能。

图4 吸附器加热过程仿真原理

3 仿真试验

根据上文设计的仿真程序，进行空压机全工作过程中典型环节的仿真试验，试验项目包括:启动、停车过程;吸附器干燥及再生过程;故障模拟。

3.1 仿真试验结果

当空压机正常启动后，时序产生模块产生时序控制信号，建立电动空压机工作时必要的时间间隔，逻辑控制模块按照时序产生模块给定的时间信号，形成逻辑控制信号，继电器控制模块接受逻辑控制信号，驱动执行机构动作。试验结果见图5，其中高电平表示接通控制阀门的继电器;低电平表示切断控制阀门的继电器。

图5 空压机工作时间图表

3.2 故障模拟

利用布尔控件实现空压机故障模拟，当空压机因出现故障停车时，相应故障指示灯亮，空压机停止工作。

4 结论

基于LabVIEW对空压机自动控制电路进行仿真设计，仿真实验测试结果满足目标功能，可有效指导实际电路设计研制调试工作。该仿真设计方法最大的特点是仿真电路可以与外部信号交互以实现全功能仿真测试，设计与仿真测试验证融为一体，设计结论可靠，仿真设计成果经改进后同时可用于实际研制电路模块及全系统的模拟调试，克服了传统软件只适用于对单元电路进行仿真设计且无法进行全系统功能仿真的缺点。由于LabVIEW软件平台是对电路功能进行仿真，无法对电路结构进行验证，但数字逻辑电路具有结构和功能一致性的特点，因此该仿真方法仅适用于数字逻辑电路，具有一定局限性。

［1］冯玉光，林文军，奚文俊，等.数字电路板时序电路测试方法［J］.舰船电子工程，2010，30(2):165-167.

［2］刘翠响，王宝珠，贾志成.LabVIEW在“高频电子线路”实验教学中的应用［J］.电气电子教学学报，2006，28(6):89-91.

［3］武 一，杨瑞霞，郭 峰，等.基于LabVIEW实现数字电路的仿真［J］.微计算机信息，2007，23(10):259-261.

［4］吕治国，龙志强.LabVIEW在数字电路课程教学中的应用［J］.测控技术，2001，20(3):64-66.

［5］费 千.船舶辅机［M］.大连:大连海事大学出版社，2007.