LabVIEW Grundlagen: Einfache Elektroprojekte sicher umsetzen

Einführung in LabVIEW und grundlegende LabVIEW-basierte Elektroprojekte

Als bewährtes Werkzeug für Prototyping liefert die grafische Entwicklungsplattform LabVIEW zahlreiche Lösungen für vielfältige Anwendungen: Messtechnik & Steuerung, eingebettete Überwachung & Regelung, Datenerfassung & -verarbeitung, Automatisierungstest & Validierungssysteme etc.

LabVIEW enthält hunderte vorgefertigte Bibliotheken, die flexible und skalierbare Systeme ermöglichen – von funktionalen Embedded-Systemen bis zu High-Performance-Test- & Messsystemen.

Was ist LabVIEW?

LabVIEW steht für Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench und wurde von National Instruments entwickelt. Es ist ein leistungsstarkes Programmierungswerkzeug, das Softwarelösungen für wissenschaftliche und ingenieurtechnische Systeme bietet. LabVIEW ist eine grafische Programmiersprache, bei der der Datenfluss die Programmausführung bestimmt – im Gegensatz zu textbasierten Sprachen, wo Anweisungen (Codezeilen) die Ausführung steuern.

LabVIEW ermöglicht den Bau einer Benutzeroberfläche (Front Panel) mit Tools und Objekten. Dann wird Code im Blockdiagramm mit grafischer Darstellung der Funktionen hinzugefügt. Der Code im Blockdiagramm steuert die Front-Panel-Objekte gemäß der implementierten Steuerstruktur. So lassen sich benutzerdefinierte Datenerfassungs-, Test-, Mess- und Steuerlösungen für diverse Anwendungen erstellen.

LabVIEW ist integriert für Kommunikation mit diversen Datenerfassungsgeräten: GPIB, PXI, VXI, RS-232, RS-485, USB. Zudem bietet es Internet-of-Things-Funktionen über LabVIEW Webserver und Software-Standards wie TCP/IP und ActiveX.

Virtuelle Instrumente (VIs)

Programme in LabVIEW heißen Virtuelle Instrumente (VIs), da ihre Bedienung und Erscheinung physischen Instrumenten (Multimeter, Oszilloskope) ähneln.

Ein VI besteht aus drei Komponenten: Front Panel, Blockdiagramm und Icon & Connector Pane. Das Front Panel enthält Controls und Indikatoren als Benutzerschnittstelle. Das Blockdiagramm enthält den Quellcode. Icon & Connector Pane ist die visuelle Repräsentation des VIs mit Ein- und Ausgängen – erlaubt die Nutzung als Sub-VI (VI innerhalb eines anderen VI).

Front Panel

Die folgende Abbildung zeigt ein Front Panel mit diversen Controls und Indikatoren. Es dient als Benutzerschnittstelle für interaktive Ein- und Ausgänge. Controls in LabVIEW: Drehknöpfe, Schieberegler, Tasten, numerische Eingaben, Boolesche Schalter. Controls fungieren als Eingabegeräte, die Daten an das Blockdiagramm übergeben.

Indikatoren sind Ausgänge eines VIs, die Ausgabewerte anzeigen: numerische Anzeigen, Messgeräte, LEDs, Graphen, andere Displays. Indikatoren fungieren als Ausgabegeräte, die Daten vom Blockdiagramm übernehmen und darstellen.

Sowohl Controls als auch Indikatoren werden aus der Control Palette gewählt (nur im Front Panel verfügbar). Rechtsklick im Front Panel öffnet die Control Palette.

Blockdiagramm

Die folgende Abbildung zeigt das zum obigen Front Panel gehörende Blockdiagramm. Es enthält den grafischen Quellcode mit grafischen Funktionsdarstellungen zur Steuerung der Front-Panel-Objekte. Das Blockdiagramm besteht aus Front-Panel-Objekten als Terminals und zusätzlich diversen Funktionen (numerisch, boolesch, Vergleich, Array, Timing etc.) und Strukturen (While-Schleife, For-Schleife, Case-Struktur etc.).

Jeder Indikator oder Control im Front Panel hat ein entsprechendes Terminal im Blockdiagramm. Diese werden mit Funktionen verdrahtet, um eine Steueranwendung zu implementieren.

Funktionen und Strukturen werden aus der Functions Palette gewählt (nur im Blockdiagramm verfügbar). Rechtsklick im Blockdiagramm-Arbeitsbereich öffnet die Functions Palette.

Im obigen Blockdiagramm stellt die äußere Rechteckstruktur eine While-Schleife dar, die innere eine Case-Struktur. Orange, blaue und grüne Linien sind Drähte, die Daten von Controls zu Indikatoren übergeben. Diese Objekte und Strukturen repräsentieren den Code des VIs.

Der VI kann durch Drücken verschiedener Buttons (Pfeil/Run, Pause, Stop) in der oberen Leiste ausgeführt, pausiert oder gestoppt werden.

LabVIEW-Projekte

LabVIEW ist eine ideale Plattform für Prototyping, Design und Entwicklung diverser Projekte in vielen Domänen: Elektrotechnik, Mechanik, Signalverarbeitung, Elektronik, Mess- & Regeltechnik, Biomedizin, Luft- & Raumfahrt.

Durch grafische Programmierung und erweiterte Funktionsblöcke bietet LabVIEW Flexibilität, Lösungen bei minimalem Zeit- und Arbeitsaufwand zu entwerfen. Folgend einige LabVIEW-basierte Projekte aus der Elektrotechnik:

Thermischer Überlastrelais mit LabVIEW

Ziel: Überwachung und Steuerung einer elektrischen Maschine gegen thermische Überlast mit LabVIEW und DAQ-Modul. Im gezeigten VI sind DAQ-Ein- und -Ausgänge zum leichteren Verständnis weggelassen – nur Simulationsmodell.

Das Front Panel zeigt diverse Parameterwerte und die Umgebungstemperatur der Maschine. Es gibt eine Relais-Auslöseanzeige, sobald die Temperatur den sicheren Grenzwert (Umgebungstemperatur) überschreitet. Die Auslösung bei Überschreitung der Umgebungstemperatur zeigt die nächste Abbildung.

Der grafische Code ist im Blockdiagramm implementiert – es repräsentiert die tatsächliche Projektimplementierung. Der Temperaturanstieg wird basierend auf der Temperaturkonstante (°C/kW) der Maschine berechnet.

Im Blockdiagramm erfolgt der Temperaturvergleich zwischen Ist- und Sollwert (Sicherheitsgrenzwert). Eine Realisierung mit Strom- und Temperatursensoren sowie DAQ-Modul für Echtzeitregelung ist ebenfalls möglich.

Kennlinien einer selbstangeregten DC-Shunt-Generators in LabVIEW

Ein Basis-Elektroprojekt im virtuellen elektrischen Maschinenlabor – Maschinenverhalten unter Last. Die Abbildung zeigt das Front Panel mit Controls, Indikatoren und Wellenformdiagramm.

Klemmenspannung, Erregerstrom und Laststrom (inkl. Anker- und Erregerwiderstand) fungieren als Eingaben/Controls. Daraus werden Ankerstrom, Ankerspannungsfall und induzierte Spannung berechnet und im Graphen sowie numerischen Indikatoren dargestellt.

Der Quellcode im Blockdiagramm: Diverse mathematische Funktionen bestimmen Ausgabeparameter basierend auf Eingabeparametern. Ein Datenarray (dicke orangene Linien) wird an verschiedene mathematische Funktionen übergeben. Diese bestimmen passende Ergebnis-Arrays, die an Graphen und Array-Indikatoren weitergegeben werden.

Simulation eines RLC-Reihenschwingkreises in LabVIEW

Dieses Projekt implementiert einen RLC-Reihenschwingkreis und bestimmt seine Resonanzbedingung mit LabVIEW. RLC-Reihenschwingkreise dienen in Abstimmkreisen: Oszillatorschaltungen, Filters, Radio- & TV-Abstimmung.

Im RLC-Reihenschwingkreis ist die Frequenz, bei der induktiver und kapazitiver Blindwiderstand gleich sind, die Resonanzfrequenz. Bei Resonanz heben sich induktiver und kapazitiver Blindwiderstand auf – der Widerstand wird gleich dem ohmschen Widerstand, der Strom maximal.

Dies wird mit dem LabVIEW-Projekt unten bewiesen. Das Front Panel hat Controls und Indikatoren für Dateneingabe und -erfassung.

Die folgende Abbildung zeigt den grafischen Code für den RLC-Reihenschwingkreis im Blockdiagramm. Durch mathematische Operationen an den Eingängen (Induktivität, Kapazität, Spannung) werden Parameter wie induktiver Blindwiderstand, kapazitiver Blindwiderstand, Impedanz und Strom im Blockdiagramm bestimmt.

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