應用領域： 研究和開發 挑戰： 應用虛擬儀器技術，實時在線仿真船舶磁場的特征，為現代船舶設計提供科學的理論依據，并且縮短了船舶設計的周期、降低了研制經費，具有較大的經濟和社會效應。應用方案：應用NI 公司的虛擬儀器技術，采用PXI 體系結構和CANBUS 作現場總線，以LabVIEW 6i 為軟件開發平臺，開發了一套基于PC的分布式實時在線半實物船舶仿真系統。 使用的產品： PXI LabView CANBUS 介紹： 船舶的特性曲線是現代船舶設計的依據，為了實時在線仿真其特性，在分析船舶設計理論的基礎上，應用NI 公司的虛擬儀器技術，采用PXI體系結構和CANBUS 作為現場總線組成現場網絡控制網絡，以LabVIEW 6i 為軟件開 發平臺，開發了一套基于PC的分布式實時半實物在線船舶仿真裝置。該裝置的研制，不僅為船舶設計提供了科學理論依據，而且縮短了船舶設計周期、降低了研制經費，具有較大的經濟和社會效應。 1 開發的背景與意義 現代大型遠洋船舶均采用重型鋼材制造，由于地球磁場的影響，導致船舶被磁化，極大影響遠洋船舶的正常航行和船舶內儀器儀表的正常工作，因此要定期到專業消磁站進行必要的消磁，不僅耗時、耗力，而且由于各種船舶的特性不同。不僅給消磁工作帶來了極大的困難，而且船舶有時還得不到有效地消磁。假如能實時在線仿真該種船舶的磁場特性，在船舶上安裝必要的消磁裝置，便可以隨時按需、有的放矢地進行正確的消磁工作。針對此特殊情況，在充分進行市場調研的基礎上，結合船舶磁場的特性以及船舶設計原理，應用NI 公司的虛擬儀器技術，采用PXI體系結構，并通過CANBUS 作為現場總線傳輸各個分布式單元的控制參數， 同時以LabVIEW 6i為軟件開發平臺用以實時分析采集到的三維磁場信號，開發了一套基于PC 的分布式實時半實物在線船舶仿真裝置。該裝置的研制，不僅為船舶設計提供了科學理論依據，而且縮短了船舶設計周期、降低了研制經費，具有較大的經濟和社會效應。 2 系統結構設計與解決方案 要掌握某型船舶的磁場特性，必須要掌握其三維磁場分布特性，因此測量其三維磁場分布是關鍵。如要對其進行消磁，則可以利用測試的磁場分布特性，在適當的船舶部位安裝與船舶磁極相反的消磁磁極，并根據不同的部位，施加不同的消磁磁場，從而到達消磁的目的。 一艘船舶通常可分為艦艏、建中和艦艉三個部位，并且不同部位的磁場分布特性以及強弱不同，為了真實模擬出船舶的磁場特性，在三個部位分別放置三個三維磁極（X、Y、Z 三個方向），磁極通過不同的磁極電流，可以產生不同的三維磁場，三個磁極的三維磁場進行疊加，就可在不同地位置產生不同地磁場。這樣在每個部位，通過調整三個磁極安放的位置，并改變每個磁極通過的電流便可較為真實地仿真出不同部位地磁場特性。然后三個部位的磁極磁場疊加，便又可較為真實仿真出整個船舶的磁場特性，從而構成了一個分布式的仿真系統。系統結構示意圖見圖1 所示。 [align=center] 圖1：系統結構示意圖[/align] 2.1 系統的工作原理 第一步：每種船舶的磁場均有不同的磁場特性，這種特性可以通過測量手段獲得。假如要仿真某種船舶的磁場，通過已知的船舶磁場特性，分別計算出三個不同部位的三個不同位置的船舶磁極所需產生的磁場，然后根據計算出每個磁極通過的磁場電流。 第二步：根據計算的磁場電流，分別由1＃、2＃、3＃PXI 儀器的D/A 模塊給船舶磁場電流擴大機提供一定的勵磁電流，經其放大直接輸送個相應的磁場磁極，使其產生規定大小的三維磁場。 第三步：待每個磁極產生的磁場穩定后，分別由5＃、6＃、7＃PXI 儀器的A/D快速采集船舶模型下方的28 個三維磁場傳感器（共28×3＝84個模擬量），每個PXI 儀器將采集的磁場信號通過CANBUS 傳輸到仿真服務器上，由仿真服務器格局每個PXI儀器采集的磁場信號擬合出船舶的磁場特性，并與真實船舶的磁場特性進行比較。假如有差別，則由仿真服務器計算出差值通過CANBUS 分別將調整的數據傳輸到1＃、2＃、3＃PXI 儀器，再由其D/A模塊給船舶磁場電流擴大機提供一定的勵磁電流，以糾正磁場。這樣由1＃、2＃、3＃PXI儀器和5＃、6＃、7＃PXI儀器便構成了分布式的閉環仿真系統，從而可以逼真仿真船舶的磁場特性。 第四步：待真實仿真出船舶磁場后，固定船舶的磁場磁極種的電流不變，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大機提供消磁電流。 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 個磁場傳感器的值，并將測試結果通過CANBUS 傳輸到仿真服務器，從而又構成了一消磁環境的閉環系統。 2.2 系統硬件模塊及其功能 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（消磁磁場）電流擴大機提供勵磁電流信號； 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（ 消磁磁場） 電流擴大機的起、停； PXI － 8461/2 ：CANBUS 適配器，用于各個分布式控制器以及與仿真服務器的信息傳輸； PXI8170/850MHz：PXI 儀器的主板； PXI－ 1000B： PXI儀器的機箱。 2.2.2 5＃、6＃ 、7＃ PXI儀器中采用的模塊： PXI－ 6071E：A/D數采模塊，用于實時在線快速采集船舶下方的磁場信號； 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，用于各個分布式控制器以及與仿真服務器的信息傳輸； PXI8170/850MHz：PXI 儀器的主板； PXI－ 1000B ： PXI儀器的機箱。 2.2.3 4＃ PXI 儀器中采用的模塊 PXI－7324：伺服電機運動控制卡，用于實時定位船模的位置。 PXI－6527（ 1 塊）：光隔離DI/DO 模塊，和繼電器組配合使用，控制伺服電機的起停等； PXI － 8461/2 ：CANBUS 適配器，用于各個分布式控制器以及與仿真服 務器的信息傳輸； PXI8170/850MHz：PXI儀器的主板； PXI－ 1000B： PXI儀器的機箱。 2.3 NI CAN 在本系統中， 采用了CANBUS 作為現場總線，參與仿真實時控制， PXI －8461/2 CAN適配器由于板載Intel 80386EX 作為CANBUS控制器的協處理器，極大減輕了CANBUS 控制器以及系統控制器（CPU）的負擔，提高了系統的可靠性，極大降低了CANBUS 丟失數據報的幾率。CANBUS 由于其具有抗干擾能力強、可靠性高、實時性好和易于使用等特點，已經廣泛應用于工業自動化、交通工具、醫療儀器、樓宇自動化等多個領域，是公認為最有前 途的現場總線技術之一，這正是本系統選用CANBUS 的理由。 2.4 系統軟件結構 本系統對軟件的要求較為嚴格，根據每個控制單元的功能不同，選用了不同的操作系統和工具軟件。在1＃～3＃、5＃～7＃控制單元主要任務是數據的采集、模擬信號的輸出以及數據通信，4＃控制單元主要控制牽引電機的運行狀態，因此在1＃～7＃控制單元中，選用了Win98 作為操作系統，并以Visual C++作為開發平臺，并內嵌NI 的DAQ ActiveX 控件完成數據的采集與輸出、數據的通信任務。 在仿真服務器上，由于要進行大量的數據分析，因此選用了Windows2000 作為操作系統，并以LabVIEW 6i 專業版的強大數據分析、圖象處理、人機交互等功能，完成數據的分析。磁場擬合以及仿真評估。系統軟件的整體結構見圖2 所示。 [align=center] 圖2：系統軟件框圖[/align] 3 系統四大功能 1） 仿真已有船型的特征磁場參數，校正已有船型設計缺陷； 2） 為新研制的船舶設計提供仿真測試平臺； 3） 為船舶的消磁磁場的確定提供較為科學的依據； 4） 為船舶設計工程人員提供一較為完善的試驗、測試、實習、評估的場所。 4 結束語 本文應用虛擬技術和總線控制網絡技術，較好地解決了傳統SCADA 系統的時間協同性問題，較好地滿足了仿真系統的可視化、高逼真度，可操作性/重用性、強實時性、可伸縮性及強交互性等要求。NI 公司致力于世界測控領域的發展，以專業品牌、專業技術為用戶提供了高品質、高可靠性的產品，值得NI 用戶信賴。