摘 要：启动冲击是造成带载启动机械设备损坏或缩短其使用寿命的主要原因，本文设计了机电液一体化的软启动系统。为验证软启动系统的启动效果、评价设计的优劣、并求得最优化的启动参数，利用基于LabVIEW开发平台的虚拟仪器技术对软启动系统进行数据采集、实时显示、数据存储以及数据后处理。
关键字：软启动;虚拟仪器;数据采集
1 引言
启动冲击是造成带载启动机械设备损坏或缩短其使用寿命的主要原因。随着现代化工业的快速发展，大型化、重型化成为重载机械设备的一个发展趋势，启动冲击的破坏性影响越来越严重，对这类重载机械进行软启动已经势在必行。
本文设计的机电液一体化的软启动系统，不仅能够极为有效地减小启动时传动系统对工作机械的破坏性冲击，消除启动时产生的振荡，延长其使用寿命，同时还能大大缩短电动机启动电流的冲击时间，减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响。
为验证机电液一体化的软启动系统的启动效果、评价设计的优劣、并求得最优化的启动参数，需要在工程现场进行一系列的实验。传统的数据采集方法耗时耗力，而且容易受到外界的干扰，准确性不高，而虚拟仪器技术能克服这些缺点。本研究试图利用基于LabVIEW开发平台的虚拟仪器技术对软启动系统进行数据实时采集和存储。
2 虚拟仪器及其开发环境
所谓的虚拟仪器（Virtual Instrument），就是在以计算机为核心所组成的硬件平台上，利用其显示功能虚拟仪器控制面板，测试分析功能由软件实现的一种计算机仪器系统。这种新型的仪器充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，它的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛，尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。[1]
虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种：一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有Lab-Windows/CVI、VB、VC++等;一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有LabVIEW和HP-VEE，但最早和最具影响力的是NI公司的LabVIEW开发环境。LabVIEW是一个完全开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，它使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替传统的程序代码。利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计，相比传统的编程语言，效率提高很多。
LabVIEW编程语言中的基本编程单元是VI，VI包括三个部分：前面板（ Front Panel）、框图程序（Block Diagram）和图标（ Icon）连接器（Connector）。前面板具有与传统仪器相类似的界面，可以接受鼠标和键盘指令，用于设置输入和观察输出。每一个VI程序的前面板都对应着一段框图程序。框图程序用G语言编写。LabVIEW中的VI具有模块化结构和层次化结构，每一个VI可以单独执行，或者作为子VI（SubVI）被其他程序调用。图标连接器就是子VI被其它VI调用的接口。图标是SubVI在其它框图程序中被调用的节点表现形式，而连接器则表示该SubVI与调用它的VI之间进行数据交换的输入输出口，就像函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控件和指示器一一对应。该图形编程的一个重要的特点是程序的执行次序是数据流控制。
3 软启动数据采集系统总体设计
数据采集系统一般由数据采集硬件、硬件驱动程序和数据采集函数及应用程序几个部分组成，其基本任务就是物理信号的测量和存储。本系统是对工业现场的软启动过程进行实时监测，主要选择电网参数和负载参数进行监测。针对这样的情况，我们采用RS485总线组成虚拟仪器系统，通过RS485与上位机通信。系统的硬件组成包括:
（1）电流、电压、扭矩、功率、转速传感器。选用的传感器是北京森社电子有限公司的工业级模块。
（2）数据采集模块。采用研华PCI1710L模块，它是一款PCI总线的多功能数据采集卡，包含最常用的测量和控制功能：12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能。
（3）工控机。由于工业现场的诸多干扰，因此选用研华610H型工控机。上位机的软件部分是由LabVIEW应用开发平台、VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture，可视化仪器软件结构）以及研华数据采集模块的驱动程序组成。借助工控机这个操作平台来提供实时高效的数据处理功能。VISA是计算机与仪器之间的软件层连接，用以实现对仪器的控制。它具有通用的应用程序接口（API），通过调用低层的驱动程序来控制仪器。
4 软启动实验系统功能实现
4.1 数据采集
由于在软启动的检测系统中，有各种不同的信号需要采集，如转速、转矩、功率、外加电流、电压等。这些信号的采集要用一块数据采集卡完成。在信号的导入过程中，外界会对信号造成不同的干扰，使采集的信号不稳定。对于不同的信号就要运用不同的信号调理方法，将干扰信号过滤掉，获得有用的信号，使数据的分析结果准确可靠，提高控制精度。在数据采集的过程中，采样频率的设定是非常重要的，因为采样太慢，就会产生波形失真。选取适当的采样方法可以提高工作效率，充分发挥硬件的优势。选定采样的分辨率和信号范围， 就是控制采样的精度。本系统中的数据采集板PCI1710L，具有16个模拟输入通道，AD采样分辨率12位，最大采样频率100KS/S，输入电压范围±10V。其性能完全满足系统的需要。充分利用LabVIEW中提供的工具和数据采集卡的硬件优势，实现机构的数据准确、迅速地采集。其框图程序如图1所示。
图1 数据采集VI的框图程序
4.2 数据实时显示
利用Build Array函数对采集来的五组数据进行处理，然后和Waveform Chart连接，并在前面板的Chart图形显示中， 以Stack Plots显示电流、电压、扭矩、功率和转速五条曲线。五条曲线以不同的颜色显示，刷新模式为默认的Scroll，并设置Show Digital Displays。前面板界面如图2所示。
图2 实验系统的实时显示窗口
4.3 数据存储
在数据存储中，利用低层函数和VI保存为文本文件。这样在程序运行过程中，文件一直处于打开状态，避免了每次写文件前后程序都要与计算机操作系统去交互操作去打开文件和关闭文件，这样提高了程序执行的效率，称这种方式为磁盘流技术。在保存文件的字符串中加入制表位（Tab Constant）和行尾符号（End of Line Constant），这样保存的文本文件既可用记事本打开，也便于用诸如Excel的电子表格程序打开，如图3所示。保存成文本文件时，内容包括对应的时间信息和数据。
图3 已存储的数据记录
4.4 数据后处理
最小二乘法拟合是来源于实际、又广泛应用于实际的两种重要方法。随着计算机的不断发展及计算水平的不断提高，它已在国民生产和科学研究等方面扮演着越来越重要的角色。这里选用正交函数作最小二乘拟合。根据节点x0，x1，…，xm及权函数ω（x）>0，造出带权ω（x）正交的多项式｛Pn（x）｝。用递推公式表示Pn（x）即
这里Pk（x）是首项系数为1的k次多项式。根据Pk（x）的正交性，得
利用以上两公式逐步求Pk（x）的同时，相应计算出系数
并逐步把 累加到F（x）中去，最后就得到所求的拟合曲线
5 结论
在本文中，利用LabVIEW 软件平台和研华公司的硬件设备建构了软启动实验的数据采集系统。同运用传统仪器建构系统的方法相比，采用虚拟仪器的方法效率要高得多，且性能好，控制灵活方便，从而间接降低了成本，创造了经济效益。
参考文献
[1]毛建东.基于LabVIEW的单片机数据采集系统的设计[J],微计算机信息, 2006,11:41- 42.