應(yīng)用領(lǐng)域： 研究和開發(fā) 挑戰(zhàn)： 應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，實(shí)時(shí)在線仿真船舶磁場(chǎng)的特征，為現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論依據(jù)，并且縮短了船舶設(shè)計(jì)的周期、降低了研制經(jīng)費(fèi)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。應(yīng)用方案：應(yīng)用NI 公司的虛擬儀器技術(shù)，采用PXI 體系結(jié)構(gòu)和CANBUS 作現(xiàn)場(chǎng)總線，以LabVIEW 6i 為軟件開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了一套基于PC的分布式實(shí)時(shí)在線半實(shí)物船舶仿真系統(tǒng)。 使用的產(chǎn)品： PXI LabView CANBUS 介紹： 船舶的特性曲線是現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)的依據(jù)，為了實(shí)時(shí)在線仿真其特性，在分析船舶設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)用NI 公司的虛擬儀器技術(shù)，采用PXI體系結(jié)構(gòu)和CANBUS 作為現(xiàn)場(chǎng)總線組成現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)，以LabVIEW 6i 為軟件開 發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了一套基于PC的分布式實(shí)時(shí)半實(shí)物在線船舶仿真裝置。該裝置的研制，不僅為船舶設(shè)計(jì)提供了科學(xué)理論依據(jù)，而且縮短了船舶設(shè)計(jì)周期、降低了研制經(jīng)費(fèi)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。 1 開發(fā)的背景與意義 現(xiàn)代大型遠(yuǎn)洋船舶均采用重型鋼材制造，由于地球磁場(chǎng)的影響，導(dǎo)致船舶被磁化，極大影響遠(yuǎn)洋船舶的正常航行和船舶內(nèi)儀器儀表的正常工作，因此要定期到專業(yè)消磁站進(jìn)行必要的消磁，不僅耗時(shí)、耗力，而且由于各種船舶的特性不同。不僅給消磁工作帶來(lái)了極大的困難，而且船舶有時(shí)還得不到有效地消磁。假如能實(shí)時(shí)在線仿真該種船舶的磁場(chǎng)特性，在船舶上安裝必要的消磁裝置，便可以隨時(shí)按需、有的放矢地進(jìn)行正確的消磁工作。針對(duì)此特殊情況，在充分進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶磁場(chǎng)的特性以及船舶設(shè)計(jì)原理，應(yīng)用NI 公司的虛擬儀器技術(shù)，采用PXI體系結(jié)構(gòu)，并通過CANBUS 作為現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸各個(gè)分布式單元的控制參數(shù)， 同時(shí)以LabVIEW 6i為軟件開發(fā)平臺(tái)用以實(shí)時(shí)分析采集到的三維磁場(chǎng)信號(hào)，開發(fā)了一套基于PC 的分布式實(shí)時(shí)半實(shí)物在線船舶仿真裝置。該裝置的研制，不僅為船舶設(shè)計(jì)提供了科學(xué)理論依據(jù)，而且縮短了船舶設(shè)計(jì)周期、降低了研制經(jīng)費(fèi)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與解決方案 要掌握某型船舶的磁場(chǎng)特性，必須要掌握其三維磁場(chǎng)分布特性，因此測(cè)量其三維磁場(chǎng)分布是關(guān)鍵。如要對(duì)其進(jìn)行消磁，則可以利用測(cè)試的磁場(chǎng)分布特性，在適當(dāng)?shù)拇安课话惭b與船舶磁極相反的消磁磁極，并根據(jù)不同的部位，施加不同的消磁磁場(chǎng)，從而到達(dá)消磁的目的。 一艘船舶通常可分為艦艏、建中和艦艉三個(gè)部位，并且不同部位的磁場(chǎng)分布特性以及強(qiáng)弱不同，為了真實(shí)模擬出船舶的磁場(chǎng)特性，在三個(gè)部位分別放置三個(gè)三維磁極（X、Y、Z 三個(gè)方向），磁極通過不同的磁極電流，可以產(chǎn)生不同的三維磁場(chǎng)，三個(gè)磁極的三維磁場(chǎng)進(jìn)行疊加，就可在不同地位置產(chǎn)生不同地磁場(chǎng)。這樣在每個(gè)部位，通過調(diào)整三個(gè)磁極安放的位置，并改變每個(gè)磁極通過的電流便可較為真實(shí)地仿真出不同部位地磁場(chǎng)特性。然后三個(gè)部位的磁極磁場(chǎng)疊加，便又可較為真實(shí)仿真出整個(gè)船舶的磁場(chǎng)特性，從而構(gòu)成了一個(gè)分布式的仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1 所示。 [align=center] 圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[/align] 2.1 系統(tǒng)的工作原理 第一步：每種船舶的磁場(chǎng)均有不同的磁場(chǎng)特性，這種特性可以通過測(cè)量手段獲得。假如要仿真某種船舶的磁場(chǎng)，通過已知的船舶磁場(chǎng)特性，分別計(jì)算出三個(gè)不同部位的三個(gè)不同位置的船舶磁極所需產(chǎn)生的磁場(chǎng)，然后根據(jù)計(jì)算出每個(gè)磁極通過的磁場(chǎng)電流。 第二步：根據(jù)計(jì)算的磁場(chǎng)電流，分別由1＃、2＃、3＃PXI 儀器的D/A 模塊給船舶磁場(chǎng)電流擴(kuò)大機(jī)提供一定的勵(lì)磁電流，經(jīng)其放大直接輸送個(gè)相應(yīng)的磁場(chǎng)磁極，使其產(chǎn)生規(guī)定大小的三維磁場(chǎng)。 第三步：待每個(gè)磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)穩(wěn)定后，分別由5＃、6＃、7＃PXI 儀器的A/D快速采集船舶模型下方的28 個(gè)三維磁場(chǎng)傳感器（共28×3＝84個(gè)模擬量），每個(gè)PXI 儀器將采集的磁場(chǎng)信號(hào)通過CANBUS 傳輸?shù)椒抡娣?wù)器上，由仿真服務(wù)器格局每個(gè)PXI儀器采集的磁場(chǎng)信號(hào)擬合出船舶的磁場(chǎng)特性，并與真實(shí)船舶的磁場(chǎng)特性進(jìn)行比較。假如有差別，則由仿真服務(wù)器計(jì)算出差值通過CANBUS 分別將調(diào)整的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?＃、2＃、3＃PXI 儀器，再由其D/A模塊給船舶磁場(chǎng)電流擴(kuò)大機(jī)提供一定的勵(lì)磁電流，以糾正磁場(chǎng)。這樣由1＃、2＃、3＃PXI儀器和5＃、6＃、7＃PXI儀器便構(gòu)成了分布式的閉環(huán)仿真系統(tǒng)，從而可以逼真仿真船舶的磁場(chǎng)特性。 第四步：待真實(shí)仿真出船舶磁場(chǎng)后，固定船舶的磁場(chǎng)磁極種的電流不變，再由1＃、2＃、3＃PXI 儀器的D/A 模塊的不同通道分別給消磁磁極電流擴(kuò)大機(jī)提供消磁電流。 第五步：再由5＃、6＃、7＃PXI 儀器的A/D 快速采集船舶模型下方的84 個(gè)磁場(chǎng)傳感器的值，并將測(cè)試結(jié)果通過CANBUS 傳輸?shù)椒抡娣?wù)器，從而又構(gòu)成了一消磁環(huán)境的閉環(huán)系統(tǒng)。 2.2 系統(tǒng)硬件模塊及其功能 2.2.1 1＃、2＃、3＃PXI 儀器中采用的模塊 PXI－6713（ 3 塊）：D/A 模塊，用于給船舶磁場(chǎng)（消磁磁場(chǎng)）電流擴(kuò)大機(jī)提供勵(lì)磁電流信號(hào)； PXI－ 6527（1 塊）：光隔離DI/DO 模塊，和繼電器組配合使用，控制船舶磁場(chǎng)（ 消磁磁場(chǎng)） 電流擴(kuò)大機(jī)的起、停； PXI － 8461/2 ：CANBUS 適配器，用于各個(gè)分布式控制器以及與仿真服務(wù)器的信息傳輸； PXI8170/850MHz：PXI 儀器的主板； PXI－ 1000B： PXI儀器的機(jī)箱。 2.2.2 5＃、6＃ 、7＃ PXI儀器中采用的模塊： PXI－ 6071E：A/D數(shù)采模塊，用于實(shí)時(shí)在線快速采集船舶下方的磁場(chǎng)信號(hào)； PXI－6527（ 1 塊）：光隔離DI/DO 模塊，和繼電器組配合使用，控制傳感器的供電電源； PXI － 8461/2 ：CANBUS 適配器，用于各個(gè)分布式控制器以及與仿真服務(wù)器的信息傳輸； PXI8170/850MHz：PXI 儀器的主板； PXI－ 1000B ： PXI儀器的機(jī)箱。 2.2.3 4＃ PXI 儀器中采用的模塊 PXI－7324：伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，用于實(shí)時(shí)定位船模的位置。 PXI－6527（ 1 塊）：光隔離DI/DO 模塊，和繼電器組配合使用，控制伺服電機(jī)的起停等； PXI － 8461/2 ：CANBUS 適配器，用于各個(gè)分布式控制器以及與仿真服 務(wù)器的信息傳輸； PXI8170/850MHz：PXI儀器的主板； PXI－ 1000B： PXI儀器的機(jī)箱。 2.3 NI CAN 在本系統(tǒng)中， 采用了CANBUS 作為現(xiàn)場(chǎng)總線，參與仿真實(shí)時(shí)控制， PXI －8461/2 CAN適配器由于板載Intel 80386EX 作為CANBUS控制器的協(xié)處理器，極大減輕了CANBUS 控制器以及系統(tǒng)控制器（CPU）的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的可靠性，極大降低了CANBUS 丟失數(shù)據(jù)報(bào)的幾率。CANBUS 由于其具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時(shí)性好和易于使用等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、交通工具、醫(yī)療儀器、樓宇自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域，是公認(rèn)為最有前 途的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，這正是本系統(tǒng)選用CANBUS 的理由。 2.4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)對(duì)軟件的要求較為嚴(yán)格，根據(jù)每個(gè)控制單元的功能不同，選用了不同的操作系統(tǒng)和工具軟件。在1＃～3＃、5＃～7＃控制單元主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的采集、模擬信號(hào)的輸出以及數(shù)據(jù)通信，4＃控制單元主要控制牽引電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，因此在1＃～7＃控制單元中，選用了Win98 作為操作系統(tǒng)，并以Visual C++作為開發(fā)平臺(tái)，并內(nèi)嵌NI 的DAQ ActiveX 控件完成數(shù)據(jù)的采集與輸出、數(shù)據(jù)的通信任務(wù)。 在仿真服務(wù)器上，由于要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，因此選用了Windows2000 作為操作系統(tǒng)，并以LabVIEW 6i 專業(yè)版的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析、圖象處理、人機(jī)交互等功能，完成數(shù)據(jù)的分析。磁場(chǎng)擬合以及仿真評(píng)估。系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)見圖2 所示。 [align=center] 圖2：系統(tǒng)軟件框圖[/align] 3 系統(tǒng)四大功能 1） 仿真已有船型的特征磁場(chǎng)參數(shù)，校正已有船型設(shè)計(jì)缺陷； 2） 為新研制的船舶設(shè)計(jì)提供仿真測(cè)試平臺(tái)； 3） 為船舶的消磁磁場(chǎng)的確定提供較為科學(xué)的依據(jù)； 4） 為船舶設(shè)計(jì)工程人員提供一較為完善的試驗(yàn)、測(cè)試、實(shí)習(xí)、評(píng)估的場(chǎng)所。 4 結(jié)束語(yǔ) 本文應(yīng)用虛擬技術(shù)和總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，較好地解決了傳統(tǒng)SCADA 系統(tǒng)的時(shí)間協(xié)同性問題，較好地滿足了仿真系統(tǒng)的可視化、高逼真度，可操作性/重用性、強(qiáng)實(shí)時(shí)性、可伸縮性及強(qiáng)交互性等要求。NI 公司致力于世界測(cè)控領(lǐng)域的發(fā)展，以專業(yè)品牌、專業(yè)技術(shù)為用戶提供了高品質(zhì)、高可靠性的產(chǎn)品，值得NI 用戶信賴。