基于LabVIEW的电气控制柜虚拟维修训练系统的仿真方法

【信息科学与控制工程】

基于LabVIEW的电气控制柜虚拟维修训练系统的仿真方法

来德宝，吴强，向东

(海军工程大学 电气工程系， 武汉430033)

摘要：针对电气控制柜虚拟维修训练系统仿真可对任意节点进行故障设置的需求。提出了结合逻辑仿真和电路仿真的方法对电气控制虚拟维修训练系统进行仿真建模。利用LabVIEW工程库实现对象的程序设计思想，建立电气控制柜虚拟维修系统元件模型和故障模型，将电气控制线路抽象为网络拓扑图，通过电路搜索算法，完成相应系统功能。结合逻辑仿真与电路仿真的方法，更贴合电气电路的实际工况，使虚拟维修训练系统更具有真实性和逻辑性。

关键词：面向对象；电气控制；虚拟维修；仿真

收稿日期：2014-09-16

作者简介：来德宝(1985—)，男，硕士研究生，主要从事电力系统自动化研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.035

中图分类号：TM645；TP391.9

文章编号：1006-0707(2015)01-0124-04

本文引用格式：来德宝，吴强，向东.基于LabVIEW的电气控制柜虚拟维修训练系统的仿真方法[J].四川兵工学报，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

针对舰船电力拖动装置长期处在振动，高温及潮湿等条件下工作。舰船的电气设备维修时有发生。而由于现实维修过程中，故障问题多变，维修效率低，操作的失误还有可能导致设备的损坏。未经训练操作人员的心里素质不高容易造成错误操作。考虑到设备按需按时使用，维修大多还需请专家，人员的维修水平得不到提升。开发虚拟维修训练系统，对电气设备的维修保障具有重大意义。

虚拟维修训练系统利用虚拟现实技术创建装备维修训练的虚拟环境，通过对虚拟装备进行维修作业，了解和掌握新装备的维修技术和技能,从而达到在实装上进行维修训练的效果[1]。意义主要体现在：① 系统建立与真实装备一致的三维实体模型，维修人员在该模型上进行维修作业，不会对新设备造成磨损、毁坏，可有效地保持装备的完好率。② 虚拟维修方式与真实维修方式相比，可以灵活的设置更多类型的故障方案。③ 系统可以提前训练的开始时间点，甚至在没有实物对象时就可以开展部分的训练工作，可大幅度降低该装备形成维修能力所需要的费用及时间[2]。

虚拟维修训练系统的结构可划分为4个部分，这4个部分为虚拟现实、仿真模型、人机交互、维修评估[3]。如图1所示，本文对系统进行仿真建模，实现对三维模块的底层支持。

图1　电气控制柜虚拟维修系统功能模块

1电气控制柜功能建模

继电控制功能仿真[4]，常用方法有编译仿真方法[5]，事件表驱动仿真算法[6]，时间映射法，按时间顺序确定事件，根据事件传播特性给出事件模拟算法。然而此方法有其本身的局限性，适用于延时和动作次序特定的情况，对于电气控制虚拟维修训练系统，若加入元件故障或线路故障设置，特定的动作次序就会发生改变，原有事件模拟就不再适用。逻辑变化在故障点加入后，变得难以确定。驱动元件按照逻辑仿真的方法，检测到的“事件”不一定正确。

本文提出结合逻辑仿真和电路仿真的方法，通过电流值判定驱动元件是否工作。同时电气控制柜虚拟维修训练包括对电路中电阻电压等参数的测量，并且需要获取任意节点间电阻和电压值。经过分析以及验证表明，该方法可以完成电气控制柜虚拟维修训练系统底层电路及逻辑的仿真。

电气控制系统中元件的特点是：① 结构功能相对简单，通常情况下一个开关元件功能为通断切换，接触器元件的控制部分以下称为主元件识别控制条件，如电流、电压达到某个值，控制执行部分以下称为从元件做出相应的接通或关断的动作，② 元件数量较多。基于这种特点用面向对象的概念编程最为合适。LabVIEW并非面向对象的编程语言，然而在8.0以后，LabVIEW推出类的概念，实现了面向对象的部分功能。面向对象OOP，在LabVIEW中称作LVOOP，LabVIEW借助于项目浏览器创建类，这样更有利于类的调试[7]。

电气控制线路的逻辑功能仿真模型可以分为2类：电气元件模型和元件连接关系模型[8]。逻辑功能仿真中的导线仅作为连接关系，用网络拓扑化的方法对整个线路建模。对于电气控制虚拟维修训练系统仿真来说，导线有可能出现故障或者在测量的时候人为脱开。因此导线的处理不能仿照逻辑线路仿真方法简化为网络拓扑而没有属性，应将导线归为元件，建立元件模型。

根据结合逻辑仿真和电路仿真方法的需要，利用LabVIEW工程库，首先建立电气线路工程项目，电气控制系统中大部分元件具有相似的属性，因此可以在项目浏览器中创建抽象的元件类，然而各元件又有特殊性，于是在元件模型类的基础上创建了各种元件的子类，子类继承了元件类。各种元件的类进行相应的组合即可成复杂的类，如接触器类，可以由开关类和线圈类组合而成。

电气控制元件有导线，开关,线圈，指示灯等，是单一元件，是抽象的元件类的特殊化。元件类的私有数据及属性如表1所示，图2给出了LabVIEW中类的私有数据簇。对于元件的特殊性，体现在具体的操作方法上。

表1　元件类私有数据名称及属性

根据仿真的实际需要，从元件的功能的角度，如图2左中电气线路项目浏览器所示，在抽象类的基础上创建以下几类模型：

1) 导线模型

模型类似于开关模型，设定通断的读写属性用于断路等故障的注入，导线模型描述元件之间的网络拓扑结构，导线的节点为连接到元件的节点，本身不设置节点，如果发生断路则将导线的通断值置0。

2) 开关模型

通过改变自身通断状态改变网络拓扑，开关有压弹式开关，有常开型和常闭型。设置读写属性，可以完成手动控制开关通断和主元件控制开关通断。

3) 线圈建模

线圈可以简化为电阻模型，由电流判定是否工作，工作时控制所属开关通断。

4) 接触器模型

接触器为线圈、开关的组合模型，线圈驱动触点的通断，利用类的方法完成这一控制。

5) 指示灯模型

指示灯的状态变化描述电路的工作情况是仿真所要输出的特殊负载元件。以基类元件模型为基础，电流值判定灯是否工作。

图2　电气线路项目浏览器及类的私有数据

2功能仿真算法

电气控制线路逻辑仿真的基本思想是将施加在电路上的激励信号通过电路中的各元件逐级传播，通过更改各元件的状态值改变电路的拓扑结构，进而改变下一级元件的状态，直到电路达到稳定状态为止[9]。

在电路逻辑仿真常用算法中，为了表示动作次序应用时间映射法建立虚拟的“模拟”时钟，使元件状态值得改变按照时间队列链表事件加入的次序[10]。而加入了电路仿真后，事件的发生随电流值得改变而改变，用电流值判定事件加入的次序，不仅更加贴近电气控制柜的逻辑模式，而且加入了运行时的实际工况信息。

电气控制系统元件状态值的改变分为2种:一种是通过外部指令改变，一种由电路中的主元件改变。仿真过程从接收外部指令开始，外部指令引起的元件状态值的改变加入到网络拓扑的变化中，通过运算器计算出各支路电流。通过支路电流判定组合元件的主元件是否工作，将主元件控制的从元件的状态值返回形成新的网络拓扑结构，循环此过程，直到引起系统状态变化的2种改变都不存在的时候，系统达到稳定状态。如图3所示。

仿真算法需要提供虚拟维修所需要的数据，从而使得虚拟现实中的显示界面在时间上，空间上有更接近真实情况的结果，增强维修人员的沉浸感，提升维修训练的可信度，从而达到更好的训练效果。如图3虚拟维修仿真通过相应的功能模块得到所需输出的数据。仿真算法需完成的功能主要为任意两节点之间等效电阻，通过对网络拓扑图的遍历，累加计算得到。等效电阻值可用于支路电流的计算，提供人机界面万用表测量电阻和测量电压所需数据。

3电路元件控制实现

3.1接触器控制实现

逻辑仿真将接触器元件分为单一的功能元件处理，而将所有元件状态值的改变加入到事件队列中，而面向对象设计中将接触器中主元件控制从元件状态值的改变的事件变为接触器类的方法，这样可以减少系统仿真算法的事件量，同时元件状态控制的层次化明显。接触器主从元件控制方法如图4所示，图4为接触器线圈电流值超过电流阀值进入工作状态，控制接触器的所属触点的通断值改变，从而仿真接触器在系统中的功能。图5为接触器常态下的方法。图4和图5构成了接触器正常情况的类的方法，通过对电流值的判断，完成接触器的功能。

图3　虚拟维修系统底层仿真流程

图4　接触器工作状态下类的方法

图5　接触器常态下类的方法

3.2故障属性及方法实现

虚拟维修系统的故障主要体现在元件模型的操作方法上，元件的各类故障可以归结为动作值不能够得到预期的状态值，或者在外部满足动作条件下不动作。仿真中元件故障包括短路，断路，电阻泄漏，此类故障在模型中表示为通断值与等效电阻值之间的关系，是逻辑关系与电路参数关系的综合。如图6所示，接触器触点熔焊故障，开关闭合后，触点由于过载电流大而引起熔焊，按“停止”按钮，开关不断开。在模型方法上，不论主元件是否处于工作状态，触点状态为工作下状态值。如图6所示，方法中在正常状态下，触点不做动作，即保持原有工作状态下的状态值，从而达到元件故障的效果。

图6　触点熔焊故障接触器常态下类的方法

4结论

本文根据仿真实际需要，从电气元件功能与元件数量角度出发，通过LabVIEW工程库用面向对象的思想，对电气控制系统中的各类元件进行仿真建模，利用类的封装性，继承性，多态性，使得各类元件模型具有扩展性和可重用性。虚拟维修系统仿真建模因有故障的注入，与传统建模方法不同，其中导线不仅描述网络拓扑关系，还具有一定的功能。结合逻辑仿真和电路仿真把由逻辑仿真中通过队列来调度的事件驱动仿真算法变为电流控制仿真事件，更加符合实际电气控制系统的情况，继而使得整个虚拟维修训练系统有更好的真实性和逻辑性。

参考文献：

[1]刘佳，刘毅.虚拟维修技术发展综述[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2009，21(17)：1519-1534.

[2]马麟，吕川．虚拟维修技术的探讨[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2005，17(12)：2729-2733.

[3]郝建平．虚拟维修仿真理论与技术[M].北京:国防工业出版社，2008:33-37.

[4]傅红普，邹北骥．“批”概念下的继电控制系统功能仿真[J]．科学技术与工程，2006，16(6)：2468-2472.

[5]Wang Z，PMMaure．A levelized event driven compiled logic simulator[C]//Proc.27thACM/IEEE Design Automation Conference．Orlando，Florida，USA，1990:491-496.

[6]Peter M Maure．Event driven simulation without loops or conditionals[C]//Proc． 2000 IEEE/ACM ICCAD．San Jose， CA，USA， 2000:23-26.

[7]陈树学，刘萱．LabVIEW宝典[M]．北京：电子工业出版社，2011:346-348.

[8]宋政湘，王建华，陈德桂．继电线路的功能仿真与验证系统[J]．电工电能新技术，2000(2)： 53-56.

[9]Ranko Vujosevic．Object orient visual interactive simulation[C]//Proc．22ndconference on winter simulation.LA，USA，1990:490-498.

[10]张颖瑶，耿英三，张国钢，等.基于逻辑功能仿真的继电控制线路的竞争和冒险的检测方法[J]．电工电能新技术，2008，27(2)：77-80．

(责任编辑杨继森)