基于LabVIEW的船舶电力推进系统转速检测设计与开发

2016-10-13施伟锋卓金宝

船电技术 2016年9期

潘搏，施伟锋，张威，卓金宝

潘搏，施伟锋，张威，卓金宝

（上海海事大学物流工程学院，上海201306）

电力电子技术和高功率密度器件在船舶领域有着广泛的应用，转速测量的可靠性对于船舶电力系统具有重要的意义。本文设计了一种基于LabVIEW的船舶电力推进装置转速检测系统，选择东风康明斯3971994 M18*1.5转速传感器和NI USB 6259数据采集卡作为采集系统的前端，通过USB串口通信将数据传送至上位机，利用LabVIEW的监视和显示功能，对转速进行同步的显示，处理分析和保存。该设计在船舶电力推进监控装置中进行了实际测试，结果表明，该方法检测精度高，可靠性好，人机交互良好，可作为推广应用。

LabVIEW 船舶电力推进转速检测

0 引言

LabVIEW是美国国家仪器公司推出的一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是实验室虚拟仪器集成环境的简称。是目前应用最广泛，发展速度最快，功能最强的图形化程序开发集成环境。LabVIEW被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件，LabVIEW是一种面向最终用户的开+发工具，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径[1]。

对比以往船舶电力推进装置对转速的采集，文中设计依靠霍尔传感器对转速的采集，大大减少了成本且精度要求较高。现在市场上主要依靠红外转速检测装置，具有体积大成本高等缺点，而东风康明斯3971994 M18*1.5转速传感器价格更低，更为可靠，能最大限度降低因数据误差而造成的系统瘫痪和功能模块失效，有效保障船上人员的生命安全。

1 实验装置结构

本设计针对船舶电力系统的特点，自主设计了模拟系统，其系统结构如图1所示。

系统结构自下而上分为两大部分：

监视层：包括了现场监视层和远程监视层，包括模拟量信号的采集以及数字量信号的采集，这一部分有：SY3000C智能电力参数测试仪通过红外协议将数据实时传递给ASUS A629手持设备；NI USB 6259数据采集卡，通过电压传感器，将模拟量转化为数字量由采集卡接收数据，用LabVIEW对数据进行分析；泰克DPO 3012 示波器采集的数字信号传递给终端PC；ATV61变频器，柴油发电机，电动机，PLC M340对船舶电力系统进行现场级的控制；PM850以及常规数字仪表，其中PM850和常规数字仪表测的是模拟量；EGX300网关和HUB通过Modbus TCP/IP和Modbus RS 485用于实现整个系统的以太网数据共享。管理层：包括了工控机，XBTGT7340触摸屏，服务器，终端PC，实现在集控室、驾驶室对船舶电力进行监控。

而本设计主要对减速电机的转速进行测量，通过霍尔传感器对减速电机的齿轮探测，再把数据传递给NI采集卡，采集卡再将数据传递给上位机LabVIEW，LabVIEW对转速值进行处理，显示和保存等。

2 转速传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。[2]

本设计所采用东风康明斯3971994 M18*1.5转速传感器。目前船舶电力系统中发动机侧所配的转速传感器大多都是电磁式传感器，由转速传感器内的永磁体和线圈以及发动机飞轮齿圈共同作用产生一个交流电压信号，幅值范围为AC 2V~6V。当轴旋转时带动齿轮旋转，根据电磁感应原理在传感器内部线圈的两端产生一个脉冲信号，轴转动一圈时就产生Z个电压脉冲信号，根据转速计算公式

式中：为频率Hz，为被测轴转速单位为rpm，为齿轮齿数，本设计中的减速电机实际齿数为38，故取=38。

3 船舶电力推进装置转速检测

3.1 硬件通信连接

下位机采用NI USB 6259采集卡，结合船舶电力系统的特点和运行要求，搭建NI数据采集卡采集平台，本设计用到USB通信串口，通过以太网连接至工控机，经过简易的设置就能工作。具体参数有：模拟输入32位，模拟输入分辨率16位，模拟输出4位，模拟输出分辨率16位，最大输出率2.8 MS/s，数字I/O口48，采样频率精度50 ppm，采样分辨率50 ns[3]。

前面板由通道设置，采集数据，定时设置，触发装置，波形显示组成的。其中通道参数设置依据NI USB-6259 Screw Terminal[4]。在采集卡中，设置通道名ctr1,模式为边沿计数，脉冲端子连接至/Dev1/PFI3/P1.3，接地端连接至D GND。且控制传感器顶部至齿轮之间的距离小于5mm。而本设计所依托的船舶电力推进装置是基于施耐德Modbus总线协议的分布式现场总线监控装置。装置中工控机和EGX300网关采用RS-485现场串行总线连接方式。RS-485采用查分传输方式，使用一对屏蔽双绞线，通过两线间电压差区分逻辑状态，正电平为+2～+6V，负电平为-2～-6V。

3.2上位机LabVIEW程序设计

上位机的操作界面采用LabVIEW进行可视化编程，主要完成上位机和现场之间的通信，其开发的程序为VI，也就是虚拟仪器，所生成的扩展名为vi。一个完整的vi中包括前面板，程序框图以及图标连接器窗格[5,6]。

在程序设计过程中，一开始船舶电力监视装置还没搭建完成，或者避免每次采集数据都下现场，一套进行模拟运行调试的仿真信号发生系统必不可缺。因此设计一个方波信号发生程序，还要在此基础上加一定的干扰信号。

首先添加基波，设置工频50Hz，幅值为1，相位角为0的方波信号。其次，根据采集卡性能，将采样信息设置为每秒采集1000个点，连续采集199个信号进行分析。同时添加噪声干扰，实际工况中会有各种周期性随机噪声，高斯白噪声，均匀白噪声以及各次谐波叠加的干扰。为了其具体可行性，本次设计添加了均匀白噪声，设置噪声标准差0.6.噪声种子-1，得到的模拟脉冲信号，可以在前面板上观测结果。利用主要函数与VI，可以编写出所需的模拟脉冲信号发生子程序，其程序框图和前面板如图2和图3所示。

图3中已经显示了运行结果：模拟出了周期为50Hz的脉冲信号波形，共有10个脉冲信号，在后续的实际转速测量中，只需修改幅值、频率、相位即可得到所需波形，继而可以进行分析运算。

DAQmx数据模块是NI的DAQ驱动软件配合采集卡而生成的模块，它不仅具有DAQ驱动软件的基本功能，还具备高性能的数据采集能力，和传统的相比具有效率高，速度快的特点。计数器模块中采用计数器U32，1采样，在计数器任务中读取单个32位无符号整数采样。NI-DAQmx返回未换算的计数器采样时,可可用读取32位无符号整数的范例[7]。

该设计方案在船舶电力推进监控装置中的减速推进电机上进行了实际测试，实验中电机的设计系统实时响应快，稳定性机的转速范围为0～150 rpm，对电机的快速启停，稳定运行以及制动进行了实际仿真，仿真结果表明该设计系统实时响应快，稳定性能好，人机交互友好，界面简洁直观。图5为推进减速电机在额定电压380 V，频率50 Hz的工况下，电机转速在2 s左右快速上升到300 rpm左右，在4s之后稳定在320 rpm左右。可知，电机加速启动4秒后进入稳定状态。在界面中可观察到计数器通道Dev1/ctr1，输入接线端Dev1/PFI3，运行11.64 s，共采集到144007个脉冲信号，转速为325.442 rpm。

4 结束语

实验结果验证了设计方案的可行性，还满足了船舶电力系统中稳定可靠经济的要求，同时还具备了LabVIEW编写上位机所特有的界面友好，操作稳定，容易上手等特点。从根本上解决了目前船舶电力系统中测量转速成本高，耗时长，不易读取等特点，满足了工况要求。后续可将LabVIEW中的数据以TDMS文件保存，可以EXCEL和TXT形式进行访问，利用以太网关EGX300和HUB，实现网络互联，协议转换以及数据共享。