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船用能耗數據采集與傳輸技術

發布時間:2019-09-20   |  所屬分類:工業設計:論文發表  |  瀏覽:  |  加入收藏

  船舶工業是海上運輸業的基礎,為了提高大型船舶在海上的航行效率,提高資源利用率,有必要對船舶的能耗數據進行采集和分析,實現船舶航運狀態的監控和優化。虛擬儀器是一種基于電工電子、計算機、通信技術產物,近年來獲得了非常廣泛的應用。本文研究的主要目的是建立基于Labview的船用能耗采集和分析系統,提高船舶的控制與管理能力,構建現代化的船舶信息系統,本文分別從硬件設計和軟件程序設計2個方面進行了介紹。

船用能耗數據采集與傳輸技術

  關鍵詞:能耗數據采集;Labview;軟件;硬件

  人類進入工業社會以來,對化石燃料如石油、天然氣的需求越來越大,經過幾百年的開采,地球上的化石燃料等不可再生資源已經逐漸枯竭,能源危機在世界范圍內爆發。船舶工業作為傳統重工業的重要組成部分,一直是能源消耗大戶。目前船舶的節能環保已經成為重要的研究課題,針對船舶的能耗優化技術成為了業內的研究熱點。船舶的節能環保設計有多方面的意義,一方面,可以有效提高化石燃料在船舶上的利用率,減少資源的過度消耗,有利于可持續發展;另一方面,有助于保護海上生態環境,減少船舶尾氣排放,同時降低船舶的運輸成本,提高物流行業的經濟性。在船舶的節能環保設計過程中,現有船舶的能耗數據具有重要的指導意義。通過分析海量的船舶能耗數據,有助于發現船舶運行過程中的能源浪費等問題,通過調整船舶的工況,可以提高船舶的能源利用率。本文研究的重點是船用能耗數據自動化采集與傳輸技術,與傳統的基于PLC和單片機的數據采集技術不同,研究將虛擬儀器技術應用于船用能耗數據采集與傳輸,基于Labview軟件平臺編程,實現了常用能耗數據的采集、傳輸、分析和處理。

  1虛擬儀器技術的發展現狀

  虛擬儀器技術是建立在計算機技術,微電子技術,通信技術等現代科學技術的基礎上,起源于19世紀。虛擬儀器技術經歷了多個發展階段,從最初的模擬儀器到電子儀器,再到數字儀器和智能儀器,已經在各種工業領域有了比較成功的應用,最主要的應用在于數據采集和檢測,以及小型工業系統的控制。Labview是美國NI公司于20世紀初開發的一種圖形化編程平臺,它采用的程序編輯語言為G語言(GraphicsLanguage)。Labview軟件程序具有非常直觀的前面板,采用的設計語言無需編寫任何文本代碼,極大地降低了編程的門檻。Labview軟件平臺具有豐富的數據采集、信號分析和處理的函數模塊,為用戶提供了豐富的模板和數據庫,即使使用者不熟悉各種計算機總線、串口總線的使用方法,工程師仍可以采用其圖像化的設計語言進行編程。此外,Labview平臺還提供了豐富的C語言接口,具有良好的擴展性。Labview程序開發平臺的基本組成包括虛擬儀器面板、驅動程序、開發環境等,原理圖如圖1所示。Labview程序開發平臺在許多領域有成功的應用,具體包括以下幾個方面:1)生產檢測Labview信號測試與測量技術非常成熟,已經成為一個工業標準化的開發工具。工業生產的測試環境中,如產品的質量檢測、供應鏈的測試與執行等,可以用生產環境建立性能良好的檢測管理平臺[1]。2)數據分析與處理在Labview軟件平臺上集成了高性能的運算器和數據存儲器,可實現各類工業系統的數據分析和計算,對聲音信號、振動信號、圖像信息等進行分析和處理。此外,Labview還集成了多種附加工具包,可以幫助開發人員構建數據分析與處理平臺。3)過程控制Labview平臺具有高速、多通道的信號測量功能,可以有效的對工業系統的過程信號進行采集和分析,并通過多通道I/O端口與各類網絡進行通信。4)機器監控Labview可以實現在線式的機器監視和自動控制功能。

  2基于Labview的船用能耗數據采集與傳輸技術研究

  2.1能耗采集系統硬件設計

  船舶的能耗數據是一種長期的在線式的數據類型,為了實現船舶能耗數據的及時、有效采集,必須要配置高效穩定的數據采集卡和數據處理芯片。本文設計了一種以TMS320C52信號處理器和DSP處理器為核心的數據采集系統,該系統包括DSP處理器、A/D接口、上位機、SD卡、時鐘電路、電源、FLASH芯片等,原理圖如圖2所示。1)DSP處理器船舶能耗采集系統的DSP處理器具有高效的數據處理能力和較大的片內資源存儲空間,DSP處理器采用JTAG接口進行調試,能耗數據首先進入A/D芯片進行模擬信號和數字信號的轉換,然后進入DSP中進行分析處理,數據處理后存放在RAM和SD卡中,需要輸出的信號再經A/D轉換器,轉換為模擬信號輸出。DSP處理器可以實現RAM,FIFO,FLASH芯片的控制和匹配[2]。2)TMS320C52數字信號處理器TMS320C52數字信號處理器是TI公司的第5代處理器,具有16位字節數據處理功能,包含8條16位主總線和4條地址總線。TMS320C52數字信號處理器將內部各單元連接在一起,并通過地址總線傳送執行指令。3)AD轉換器與DA轉換器AD轉換器和DA轉換器是進行數字信號與模擬信號轉換的儀器,集成了16位串行I/O端口,具有高達22s/KHz的采樣速率。AD轉換器的信號轉換電路圖如圖3所示。如圖,A/D轉換器采用SN65HD1050芯片作為處理中心,還配置了插值濾波器提高信號的平滑性[3]。4)時鐘電路時鐘電路是指可以產生像時鐘一樣準確運動的振蕩電路,常用的時鐘電路包括DS1302、PCF8485等,以DS1302為例,該時鐘電路具有32.768kHz晶振,可以進行串行數據傳輸,可實現對系統的電源的開關控制。

  2.2軟件程序設計

  本文基于Labview軟件平臺,開發了船舶能耗數據采集與傳輸系統,整個軟件開發過程分為以下3步:1)創建數據采集系統面板程序的面板是用戶進行參數設置和獲取輸出結果的位置,本文在設計船用能耗數據采集與傳輸系統的面板時,采用了按鈕、旋鈕、示意圖等元素,輸入數據采用鼠標和鍵盤輸入,界面具有良好的交互性,且簡單美觀[4]。2)創建圖形化程序圖形化程序的創建是該船舶能耗采集系統的關鍵,將前面板窗口切換到程序框圖窗口,該框圖會顯示面板對應的程序,本文采用多個循環程序,并用數據連線連接程序的端口的圖標。具體的船舶能耗數據采集與傳輸系統程序框圖如圖4所示。3)程序的運行與調試進行程序的試運行,當程序出現錯誤時,進入程序框圖窗口,尋找報錯的位置,并進行修改。

  3結語

  船舶能耗數據的采集對于改善船舶的能源利用率,提高船舶的節能環保設計有重要意義。本文主要的研究內容包括:虛擬儀器技術和Labview軟件平臺的原理研究、數據采集與傳輸系統的硬件設計、基于Labview軟件平臺的能耗數據采集系統軟件編程和面板設計等。經過后期的調試發現,基于Labview軟件平臺的船舶能耗數據采集與傳輸系統的信號采集時效性高,系統運行穩定,有較大應用潛力。

  作者:楊倩 單位:綏化學院


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