Авторы: Осипенко Л.Е.,Лызо О.М.
Руководитель: Штыкин М.Д.
Разработка виртуальных приборов для исследования асинхронного электропривода на основе АСНИ LabVIEW
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня уделяется значительное внимание разработке и использованию в учебном процессе электронных образовательных ресурсов (ЭОР). Исследователю и экспериментатору предоставляется широкий выбор обучающих программ, электронных энциклопедий и справочников и т.п. Примером использования таких ресурсов в учебном процессе могут служить виртуальные лаборатории, позволяющие моделировать объекты и процессы окружающего мира, а также организовывать компьютерный доступ к реальному лабораторному оборудованию. Их использование актуально при преподавании многих технических дисциплин. Примером такой лабораторной установки является комплект ЭМП1-Н-К. Упрощенная структурная схема комплекта ЭМП1-Н-К приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Упрощенная структурная схема комплекта ЭМП1-Н-К
Для осуществления требуемых измерений используется плата ввода-вывода, устанавливаемая на PCI-шине лабораторного компьютера.
LabVIEW или Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (Среда разработки лабораторных виртуальных приборов) представляет собой среду графического программирования, которая широко используется в промышленности, образовании и научно-исследовательских лабораториях в качестве стандартного инструмента для сбора данных и управления приборами.
Концепция LabVIEW отличается от последовательной природы традиционных языков программирования, предоставляя разработчику легкую в использовании графическую оболочку, которая включает в себя весь набор инструментов, необходимых для сбора данных, их анализа и представления полученных результатов. С помощью графического языка программирования LabVIEW, именуемого G (Джей), можно программировать задачу из графической блок-диаграммы, которая компилирует алгоритм в машинный код. Сфера применимости LabVIEW непрерывно расширяется. В образовании она включает лабораторные практикумы по электротехнике, механике, физике. В фундаментальной науке LabVIEW используют такие передовые центры как CERN (в Европе), Lawrence Livermore, Batelle, Sandia, Oak Ridge (США), в инженерной практике - объекты космические, воздушного, надводного и подводного флота, промышленных предприятий и т.д.
Для проведения экспериментальных испытаний имеется лабораторная установка ЭМП1-Н-К (рис. 2).
Модульная конструкция комплекта обеспечивает возможность сборки электрической цепи требуемой конфигурации, с необходимыми параметрами её элементов и измерения параметров режима этой цепи.
Рисунок 2. Лабораторный комплекс
Через плату ЦАП-АЦП компьютер получает исходные данные. Далее они обрабатываются в приложении, которое можем разработать под требуемые задачи, используя возможности LabVIEW.
Проектирование Виртуального Прибора «Управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором в автоматическом режиме»
Сигналы от реальных промышленных объектов являются непрерывными функциями. Для обработки на компьютере требуется перевести сигналы в цифровую форму. Один из способов сделать это - равномерно по времени измерить значения сигнала на определенном промежутке времени и ввести полученные значения амплитуд в компьютер. По полученному дискретному сигналу можно будет достаточно точно восстановить вид исходного непрерывного сигнала.
Процесс создания начинаем с определения функциональных действий подприбора. Управление реверсивным ходом асинхронного двигателя осуществляется при помощи двух выключателей, управление выключателями будет осуществляться с помощью воздействия сигнала 24 В на катушку, имеющую выводы 1-2 к терминальному шлейфу, терминальный шлейф подключен к терминалу, который соединён с блоком усиления цифровых сигналов. Так же выключатель конструктивно реализует блокировку от одновременного включения движения «вперёд» и «назад», для реализации блокировки используются выводы 7-8 к терминальному шлейфу. Следовательно, необходимо задействовать два дискретных выхода 5В, которые соединены шлейфом с блоком усиления цифровых сигналов, и на выходе дают сигнал в 24В. Для измерения величин необходимы 3 аналоговых выхода. Для управления аналоговыми и дискретными сигналами необходимо в приложение Measurement & Automation Explorer создать соответствующие каналы.
Для канала тока создаём виртуальный канал аналогового входа, в нашем случае он будет назван Аi6, и соединён с выходами ACH3-ACH11, что соответствует виртуальному аналоговому выводу номеру 3. Для напряжения создаём виртуальный канал аналогового входа BI_1, который соединён с выводами ACH1-ACH9, который соответствует виртуальному аналоговому выходу 1. Для канала измерения частоты вращения создаём виртуальный канал аналогового выхода n, соединённый с выводами ACH1-ACH8, который соответствует виртуальному аналоговому выходу 0.
Рисунок 3 - Лицевая панель подприбора
Добавим требуемые для прикладной задачи структуры и функции на функциональную панель (блок-схему). Чтобы сделать это, выберем в меню Window=>Show Block Diagram. На блок схеме видны прямоугольные терминалы, соответствующие органам управления и индикаторам лицевой панели. Терминалы окрашены в различные цвета (в зависимости от формата представляемых данных) и имеют те же метки, что и соответствующие им объекты на лицевой панели. Чтобы вывести на экран палитру Functions (функции), выберем из меню Window=>Show Functions Palette.
Функции для получения и формирования аналоговых сигналов располагаются в палитре Functions - Data Acquisition. Перечислим основные из них (рисунок 4 ):
Рисунок 4 - Функции сбора данных
Для всех функций входными параметрами являются:
- Device (устройство) - номер устройства присвоенный плате;
- Channel (канал) - определяет физический канал на DAQ устройстве;
- Number of samples - количество выборок на канал;
- Sample rate - частота, с которой производиться считывание;
- High, Low limit - верхнее и нижнее ограничение по уровню сигнала.
Из подменю Data Acquisition палитры Functions выбираем 3 элемента AI Acquire Waveform, так как нам необходимо непрерывное считывание по одному каналу и записать данные в виде одномерного массива чисел.
Рисунок 5 - Элемент Basic Averaged DC-RMS (Базовое среднее DC-RMS)
Объектом управления является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Исследуемыми величинами - электрический ток, напряжение и частота вращения ротора. Управление движением и частотой вращения асинхронного двигателя осуществляется при помощи преобразователя частоты. Преобразователь частоты имеет возможность работы в ручном и автоматическом режимах. В ручном режиме выбор направления вращения осуществляется нажатием на кнопки «вперед» и «назад» на блоке преобразователя частоты, изменение частоты питающей сети осуществляется при помощи вращения регулятора. В автоматическом режиме пуск, выбор направления вращения и останов осуществляются по средством дискретных сигналов, изменение частоты осуществляется аналоговым сигналом 0-10В, что соответствует изменению частоты с 0-100Гц.
Из подменю I/O палитры Controls выбираем 3 элемента DAQ Channel Name, который предназначены для выбора каналов, переносим их на лицевую панель и размещаем в левой части. Вводим название «Выберите канал тока», «Выберите канал напряжения». «Выберите канал частоты». С помощью 3 элементов DAQ Channel Name мы может одновременно получать данные с 3 каналов, в нашем случае считываем информацию о токе и напряжении действующих в сети, а так же частоте вращения ротора асинхронного двигателя.
Из подменю I/O палитры Controls выбираем 3 элемента DAQ Channel Name, который предназначены для выбора каналов, переносим их на лицевую панель и размещаем в левой части. Ставим галочку в настройках объекта на digital output, тем самым мы создали каналы для управления пуском вперёд, назад и остановом.
Из подменю Numeric палитры Controls выбираем 3 элемента Meter для обозначения амперметра и вольтметра, а так же тахометра, предназначенные для регистрации мгновенного значения тока и напряжения, а так же частоты вращения.
Из подменю Numeric палитры Controls выбираем один элемент Dial, который будет служить регулятором частоты.
Добавляем 2 кнопки и 3 светодиода, которые будут соответствовать кнопки движения вперёд, кнопки движения назад, а так же индикатором движения вперёд, назад и останов.
В итоге получаем лицевую панель нашего виртуального прибора, представленную на рисунке 6.
Рисунок 6 - Лицевая панель виртуального прибора
Для достижения необходимой задачи на функциональной панели (блок диаграмме) добавим необходимые математические функции.
Из подменю Data Acquisition палитры Functions выбираем 3 элемента AI Acquire Waveform, т. к. нам необходимо непрерывное считывание по 3 каналам и запись данных в виде одномерного массива чисел.
Для расчета значений действующих величин добавим Basic Averaged DC-RMS для каждого измеряемого параметра, из палитры Functions меню Analyze . Создаём иконку нашего подприбора и задаём параметры соединительной панели. Сохраняем подприбор под названием ASDV. В итоге получим очередной subVI, который можно использовать в блок схеме другого VI.
Построение механической характеристики происходит с помощью функции Bundle (объединение в кластер), которая находиться в подменю Claster меню Function .
Рисунок 7 - Функциональную панель
В итоге по окончании эксперимента с применением разработанного виртуального прибора получаем механическую характеристику исследуемого асинхронного двигателя, по которой можно оценить основные параметры этой электрической машины.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7/ Под. ред. Бутырина П. А. -М.: ДМК Пресс, 2005. - 264 с.
2. Виноградова Н. А., Листратов Я. И., Свиридов Е. В. Разработка прикладного программного обеспечения в среде Labview: Учебное пособие. - М.: МЭИ, 2005. - 47 с.
3. Евдокимов Ю. К. Labview для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора / Ю. К. Евдокимов, В. Р. Линдваль, Г. И. Щербаков. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 400 с.
4. Трэвис Дж. Labview для всех. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 544 с.
