基于虚拟仪器的移动电站动力检测平台设计

Ｍｏｖａｂｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　＆　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｎｏ．２　２Ｏｌ１　基于虚拟仪器的移动电站动力检测平台设计　彭鹏，殷木一，周则平　４３００７５）　（武汉军械士官学校电源教研室，武汉摘要：基于ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器开发工具，设计完成了移动电站动力检测平台，能够实现　作者简介：彭鹏　竺　釜鍪　苎：空　具有集成性、竺：　；平台设计　文献标识码：Ａ　关键词：移动电站；ＬａｂＶｒＥＷ；￣中图分类号：ＴＭ６２４　实时性、可控性、开放性及易操作性等特点。　．　及满足科学研究的需求；平台测试系统十（１９堰８５人－）　裴　主。　菇　，车辆动力系统状态　甬　ｄｏｌ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－４２５０．２０１　１．０２．００６　文章编号：１００３－４２５０（２０１１）０２－００２０－０３　监测与故障诊断。　０　引言　虚拟仪器（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，简称ＶＩ）是现代　用途和较大的推广价值。它应该具备以下功能：　（１）基本参数测量：能测量转速、扭矩、功率、排气温　度、机油温度、机油压力、曲轴箱压力、燃油消耗量、　冷却水温等内燃机常规参数；（２）内燃机性能试验：　包括速度特性、负荷特性、外特性、万有特性及调速　计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今　计算机辅助测试（ＣＡＴ）领域的一项重要技术。虚拟　仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源　和虚拟仪器软件资源三者的有效结合　’　。虚拟仪　器作为一种新型的测试方法，具有许多其他仪器所　不具备的特点ｌ３　Ｊ：（１）虚拟仪器系统中大部分的硬　件是通用的，各种系统的主要差别在于其软件部分；　（２）充分发挥了计算机强大的数据处理功能，大大　提高了仪器的数据处理能力；（３）用户可根据自己　的实际需要和爱好，定义、设计和制造仪器，这样就　可以避免仪器中出现不必要的功能，节省资源。　本检测平台以某新型移动电站动力机为参照对　特性；（３）内燃机故障模拟：气缸失火、气门配气相　位不当、提前供油角不当、柴油机超速、机油压力低、　机油温度超限、冷却水温超限等；（４）科学研究试　验：内燃机示功图绘制、内燃机高压系统故障模拟、　内燃机燃烧状态分析。　１．２检测平台设计要求　根据以上功能需求，检测平台设计应满足如下　要求：（１）集成性：检测平台要实现内燃机多路信号　的采集，并且要实现对内燃机故障的模拟与分析，需　要参数测量具有同步性，这就要求检测平台是一个　集成性的系统；（２）实时性：要实现内燃机状态监　测，就要求进行实时地数据采集，从而为后期内燃机　故障诊断奠定数据基础。内燃机的运行工况是不稳　象，拟设定额定输出功率为５　ｋＷ。平台的建立将围　绕《内燃机构造与原理》课程展开，满足内燃机原理　的试验课程需求。该动力检测平台将秉承现代化系　统测试理念，借鉴当前先进的测试手段，应用目前国　内成熟测试技术，实现检测平台搭建的系统化、简洁　化、高效化。检测平台采用ＮＩ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）　定的，受外界负载影响较大，参数的测量实现实时　性、连续性，将有助于分析外部环境变化对内燃机产　生的影响；（３）可控性：要实现对内燃机状态的控　公司推出的ＬａｂＶＩＥｗ软件开发设计。　制，例如，能够改变内燃机的负载和油门大小，实现　１检测平台功能与设计要求　１．１检测平台功能　内燃机和测功器的可操控；（４）开放性：开放性好将　会提高检测平台的后期的可维护性；（５）易操作性：　检测平台要实现半自动化操作，以减少操作过程的　难度和调整时间，提高授课效率，增强授课效果。　检测平台是一个集试验教学、故障模拟、科学研　究为一体的测控系统，开发成功后将具有较广泛的　收稿日期：２０１１－０４－１１　２０１１年第２期　移动电源与车辆　２１　２检测平台总体构建　２．１总体设计方案　检测平台有五大部分组成，包括平台基座、测功　器、柴油机、传感器和测控系统，如图１所示。其中　平台基座应具有支撑能力和隔振效果，同时平台下　方要设地槽，以实现平台的简洁性、安全性和易维护　性；测功器的功能是对内燃机加负载，同时测量内燃　机的扭矩和转速；柴油机是平台的核心部分，选型要　具有针对性；传感器是检测平台的各个“器官”，柴　油机的运行状态参数依靠传感器来“感知”；测控系　统是检测平台的“大脑中枢”，不仅要对内燃机运行　状况进行显示，还要对故障的出现给出反映，并能手　动或自动控制动力检测平台的运行状态。　圃固　圉　圆　圃　圃尉　　：　，————臣　田　—一————　————————、：～　图１检测平台总体设计方案　２．２硬件设施组成　检测平台的硬件设施主要包括：某型单缸柴油　机、某型水力测功器、平台基座、传感器、采集卡、控　制器、水泵、传输导线、笔记本电脑、打印机、控制台　等，如图２所示。　图２检测平台硬件设施组成　２．３软件系统组成　检测平台软件系统由监测和控制两部分组成，　具体包括数据采集、显示、保存、故障报警、数据处理　和油门、转速及水流量控制八个模块，如图３所示。园圆　　园圄　图３检测平台软件系统组成　２．４软件系统设计流程　本文设计的系统是为了测试内燃机的状态参　数，并进行内燃机的状态监测与故障模拟。为了实　困圄　现以上所述的功能，根据发动机性能试验原理，设计　了如图４所示的流程图　。　＜＜益　　塑＞　１凸ｒ　匪区　困　Ｎ　臣困　臣函　函　ｌ墼塑竺型Ｉｒ——。。。　。。。—。１　　臣固　回　图４软件设计流程图　３软件模块设计　检测平台的软件开发采用目前国内外先进的虚　２２　Ｍｏｖａｂｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　＆　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｎｏ．２　２０１ｌ　拟仪器技术，进行可视化编程开发，系统将具有高度　的集成性和封装性，有助于推广应用。　３．１显示面板设计　由模拟ＰＩＤ控制器和被控对象组成，其控制原理如　图６所示　。　ＰＩＤ控制器根据给定值　ｎ（￡）与实际输出值　ｙｏｕｔ（ｔ）构成控制偏差，即：　ｅｒｒｏｒ（ｔ）＝ｒｉｎ（ｔ）一ｙｏｕｔ（ｔ）　其控制规律为：　（１）　检测平台系统主界面包括有五个区域，分别是　内燃机运行参数显示区、报警提示区、参数设置区、　数据处理区和操作说明区，如图５所示。参数显示　区有柴油机实际转速、齿杆位置、机油压力、冷却水　ｕ（　）＝哆　（ｅ　ｒ。ｒ（ｔ）＋　ｅｒｒ。ｒ（ｔ）ｄｔ＋！　）　温和排气温度六个参数；报警显示区与参数显示区　相对应。功能参数设置区，主要有通道设置、采样设　置、开始采集、停止采集、数据保存、数据读取等几个　按钮，其功能如同现实中设备的按钮，当按下其中一　个按钮时系统执行某一种功能。　图５检测平台监控界面　３．２采集模块设计　ＬａｂＶＩＥＷ的ＤＡＱ程序包括模拟输人、输出，计　数器操作以及数字输人、输出等，本系统所用到的主　要是模拟量的输入。这一程序用于多通道信号的实　时监测，采用了Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ中Ａｎａｌｏｇ　Ｉｎｐｕｔ功　能下的ＡＩ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ　ＮＣｈａｎ　ＮＳａｍｐ固模块进行采集　的控制。　３．３报警模块设计　报警模块的功能是监视内燃机运转参数是否在　安全范围内。当运行参数超出设定值时，在测试界　面前面板上会显示出，同时内燃机的主控程序会采　取相应的保护措施，避免由于违规操作造成对内燃　机的损害。　３．４控制模块设计　控制模块采用ＰＩＤ控制算法，主要实现的是对　内燃机油门大小，水力测功器进水口和出水口水量　大小的控制，以达到对检测平台状态调整的目的。　其中通过检测平台软件系统输入参数值，传递到测　控系统驱动层，然后驱动控制执行器实现对油门大　小和水流量的调节。ＰＩＤ控制器自问世至今已有近　７Ｏ年历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调　整方便而成为工业控制的主要技术之一。控制系统　（２）　式中：　为控制器的比例系数；ｅｒｒ０ｒ为偏差；　为积　分时间；　为微分时间。　图６　ＰＩＤ控制系统原理框图　３．５保存模块设计　数据保存对于测试系统至关重要，其保存格式　可以设定为　．ＸＬＳ和　．ＴＸＴ两种，表格格式有利　于在Ｅｘｃｅｌ中进行数据处理，文本格式方便在ＭＡＴ—　ＬＡＢ中进行处理。其中主要调用了困格式化写入文　件ＶＩ，圃写入文本文件ＶＩ，圈数组至电子表格字符　串转换ＶＩ等内置库函数。　３．６数据读取模块设计　数据读取是针对采集保存的数据进行重采样的　过程。使用Ｆｉｌｅ　Ｉ／Ｏ中的Ｒｅａｄ　Ｔｅｘｔ　Ｆｉｌｅ回、Ｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｒｅｐｌａｃｅ　Ｓｔｒｉｎｇ圜、Ｓｃａｎ　Ｆｒｏｍ　Ｓｔｒｉｎｇ圈三个控件和　一个Ｆｏｒ循环语句实现对历史数据的读取控制，应用　Ｗａｖｅｆｏｒｍ　Ｃｈａｒｔ进行显示。其中文件名为“截取文　件．ＴＸＴ”。读取历史数据程序框图，如图７所示。　图７历史数据程序框图　（下转第４８页）　Ｍｏｖａｂｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　＆　Ｖｃｈｉｃｌｅ　Ｎｏ．２　２Ｏｌ１　电需求量持续上升的国家。　参考文献：　第四，密切与行业协会的联系，及时掌握国内外　［１］　内燃机电站行业年鉴［ｚ］．中国电器工业协会内燃发　市场动态、积极参与制定具有国际先进水平的标准，　电设备分会．　占据国际竞争的主动权。　Ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｚｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｄａｔｅ　ｉｎ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｅｔｓ　Ｉｍｐｏｒｔ　ａｎｄ　Ｅｘｐｏｒｔ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｄｕｒｉｎｇ“Ｔｈｅ　１　ｌ　ｔｈ　Ｆｉｖｅ－ｙｅａｒ　Ｐｌａｎ’’　ＺＥＮＧ　Ｘｉａｎ．ｈｕ　，ＷＡＮＧ　Ｆｅｎｇ—ｙｕ　（１．Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇａｎｓｕ　Ｐｒｏｖ．，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｇｑ，＠ｍｅ，ｕ　Ｓｕｂｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，Ｇａｎｓｕ｜Ｐｒ０口．，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｄａｔｅ　ｏｆ　ｉｍｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｅｘｐｏｒｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｓｅｔｓ　ｄｕｒｉｎｇ“ｔｈｅ　１　ｌ　ｔｈ　ｉｆｖｅ－ｙｅａｒ　ｐｌａｎ”ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，ｆｏｒｅｃａｓｔ　２０１　１　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｍｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｅｘｐｏｒｔ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｓｅｔｓ，ｐｕｔ　ｏｆｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ．　Ｋ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｓｅｔｓ；ｉｍｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｅｘｐｏｒｔ；ｄａｔｅ；ａｎａｌｙｓｉｓ　（上接第２２页）　现检测平台方案设计中的功能。　４结论　参考文献：　［１］林正盛，韩惠莲．虚拟仪器技术及其应用［Ｊ］．微型机　以虚拟仪器技术为基础，通过ＬａｂＶＩＥＷ平台进　与应用，１９９７（８）：２—５．　行模块化编程，实现了对移动电站动力机数据的实　［２］　刘君华．基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟仪器设计［Ｍ］．北京：电　时、快速的采集，避免了繁琐的单片机编程，提高了　子工业出版社，２００３．　工作效率，通过对检测平台进行实验验证，得到如下　［３］　杨运强．测试技术与虚拟仪器［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，２０１０．　结论：　［４］　彭鹏．使用电控柴油机的装甲车辆动力性经济性测　（１）检测平台工作稳定，可靠性高；　试与评价研究［Ｄ］．北京：装甲兵工程学院，２０１０．１２．　（２）数据采集完整、正确、实时陛好；　［５］　王春梅．测控技术与仪器专业实验［Ｍ］．北京：国防工　（３）能够实现对检测平台的实时控制，能够实　业出版社，２００７．８．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ＰＥＮＧ　Ｐｅｎｇ，ＹＩＮ　Ｍｕ－ｙｉ，ＺＨＯＵ　Ｚｅ－ｐｉｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＰｏｗｅｒ　ｆｏＷｕｈａｎ　ＯｒｄｎａｎｃｅⅣ．Ｃ．０．Ａｃａｄｅｍｙ，Ｈｕｂｅｉ　Ｐｒ０　．，Ｗｕｈａｎ　４３００７５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｖｉｔｒｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｔｏｏｌｓ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔ，ｆａｕｌｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｄ　ｍａｎｙ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ，ｏｐｅｎｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｅｔｃ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ；ＬａｂＶＩＥＷ；Ｐｏｗｅｒ；Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｄｅｓｉｇｎ