基于虛擬儀器的小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)然間功能畢業(yè)設(shè)計

1、1 / 46基于虛擬儀器的小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)然間功能設(shè)計基于虛擬儀器的小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)然間功能設(shè)計摘摘 要要 水電是我國重點(diǎn)發(fā)展的綠色能源，水電生產(chǎn)具有開停機(jī)方便、運(yùn)行費(fèi)用低，對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，合理充分地利用水電能源對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著巨大的推動作用，因此有效地對水力機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測、分析、優(yōu)化，對水輪機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行將起到重要作用。本文采用虛擬儀器技術(shù)，通過 LabVIEM 的方法，開發(fā)了一套水力機(jī)組運(yùn)行實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時檢測、分析、計算以與水力機(jī)組能量特性模型的建立，而且為建立水力機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。 本文主體分為三部分，每部分容如下： 第一部

2、分：采用虛擬儀器的概念，構(gòu)建了實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)并詳細(xì)介紹了硬件的選型設(shè)計。該系統(tǒng)的硬件部分主要采用了美國 NI 公司的產(chǎn)品，包括信號調(diào)理設(shè)備以與數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)不論采集精度、速度以與抗干擾能力都能夠滿足實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的要求。第二部分：利用圖形化編程語言 LabVIEM 建立了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)的工作水頭、流量、出力等參數(shù)的實(shí)時在線監(jiān)測、顯示、處理以與存儲，同時可根據(jù)水力機(jī)組實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)計算水輪機(jī)的運(yùn)行效率，并實(shí)時顯示，使工作人員隨時了解水輪機(jī)的運(yùn)行狀況。第三部分：在水力機(jī)組運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用 LabVIEM，構(gòu)建了水輪機(jī)能量特性模型，開發(fā)了

3、水力機(jī)組運(yùn)行工況實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在水輪機(jī)的三維能量特性曲面圖上實(shí)時顯示水輪機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)的功能，以便運(yùn)行人員直觀地了解水輪機(jī)的運(yùn)行狀況，從而對整個機(jī)組進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，2 / 46使機(jī)組運(yùn)行于高效區(qū)。 本系統(tǒng)的開發(fā)對于充分利用水資源，提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)水力機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行與優(yōu)化運(yùn)行均具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：水力機(jī)組；優(yōu)化運(yùn)行；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器；監(jiān)測系統(tǒng)目 錄摘要ABSTRACT第 1 章緒論緒論 11.1 水電站系統(tǒng)的發(fā)展概論 11.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 21.3 水電站控制方式的演變 31.4 小型水電站計算機(jī)監(jiān)控現(xiàn)狀 5第 2 章中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中小型水電站

4、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 72.1 中小型水電站運(yùn)行的特點(diǎn) 72.2 水電站監(jiān)控系統(tǒng)上的設(shè)計要求 82.3 監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計任務(wù) 102.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 102.3.2 水電廠的電廠分層控制 12第 3 章上機(jī)位軟件的設(shè)計上機(jī)位軟件的設(shè)計 143.1 虛擬儀器與 LABVIEM 概述 143.1.1 虛擬儀器技術(shù) 143.1.1.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對比 143.1.1.2 虛擬儀器的構(gòu)成 153.1.1.3 虛擬儀器的特點(diǎn) 173.1.2LABVIEM183 / 463.2LABVIEM 的各種通信方式與介紹 203.3 系統(tǒng)通信方式的數(shù)據(jù)傳遞 213.4 上、下位機(jī)見的數(shù)據(jù)傳遞

5、223.5 數(shù)據(jù)采集 223.6 系統(tǒng)程序前面板 223.7 系統(tǒng)程序框圖 243.8 水利機(jī)組運(yùn)行實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)采集的實(shí)現(xiàn) 25第 4 章基于虛擬儀器的水利機(jī)組運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于虛擬儀器的水利機(jī)組運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 274.1 數(shù)據(jù)庫的訪問技術(shù) 274.1.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺 274.1.2LabVIEW 的數(shù)據(jù)庫訪問方式 274.1.3LabSQL 工具包簡介 284.1.4LabSQL 的安裝與配置 304.1.5LabVIEW 訪問數(shù)據(jù)庫的流程 324.2 數(shù)據(jù)庫表單設(shè)計 334.3 數(shù)據(jù)庫采集系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 374.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能 38第第 5 5 章章結(jié)論與展望結(jié)論與

6、展望 395.1 結(jié)論 395.2 展望 39致致 40參考文參考文獻(xiàn)獻(xiàn) 404 / 461 / 46第一章第一章 緒論緒論1.11.1 水電站控制系統(tǒng)的發(fā)展概況水電站控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 水電站最根本的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,電力需求迅猛增長,興建的水電站越來越多,其容量也越來越大,如正在建設(shè)的三峽水電站,總裝機(jī)容量高達(dá) 18200MW。為了實(shí)現(xiàn)安全發(fā)供電,需要經(jīng)常監(jiān)測的量成千上萬,需要實(shí)現(xiàn)的控制功能也越來越復(fù)雜。特別是抽水蓄能電廠的出現(xiàn),機(jī)組的工況不僅有發(fā)電、調(diào)相、而且還有抽水、各種工況之間的相互轉(zhuǎn)換,使控制功能進(jìn)一步復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)水電站的優(yōu)化運(yùn)行以期達(dá)到整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)

7、運(yùn)行,需要進(jìn)行的計算更為復(fù)雜。以上這些復(fù)雜的工作使原來在水電站上廣泛使用的布線邏輯型自動裝置越來越難以勝任,因此采用更為先進(jìn)的技術(shù)成了迫不與待的任務(wù)。 與此同時,計算機(jī)科學(xué)發(fā)展異常迅猛,技術(shù)日新月異,其性能日趨完善,而價格日益下降,這為計算機(jī)監(jiān)控取代常規(guī)的布線邏輯型自動裝置提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。 早在 20 世紀(jì) 70 年代,計算機(jī)已開始應(yīng)用于水電站,起先用于各項(xiàng)離線計算和工況的監(jiān)測,后來,逐漸進(jìn)入到控制領(lǐng)域。它經(jīng)歷了一段從低級到高級,從順序控制到閉環(huán)調(diào)節(jié)控制,從局部控制到全廠控制,從電能生產(chǎn)領(lǐng)域擴(kuò)展到水情測報、水工建筑物的監(jiān)控!航運(yùn)管理控制等各個方面,從監(jiān)控到實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,從個別電廠監(jiān)控到整

8、個梯級和流域監(jiān)控的發(fā)展過程。出現(xiàn)了一批用微機(jī)構(gòu)成的調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、同期裝置和繼電保護(hù)裝置等。多媒體技術(shù)應(yīng)用使電廠中控室的設(shè)計發(fā)生了巨大的變化。巨大的模擬顯示屏正在逐漸被計算機(jī)顯示器所代替;常規(guī)操作盤基本上已被計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的值班員控制臺所取代;運(yùn)行人員的操作已從過去的扭把手、按開關(guān)轉(zhuǎn)為計算機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)操作。運(yùn)行人員的工作性質(zhì)也發(fā)生了質(zhì)的變化,從過去的日常監(jiān)控和頻繁操作轉(zhuǎn)變?yōu)檠惨?經(jīng)常的監(jiān)測和控制調(diào)節(jié)工作都由計算機(jī)系統(tǒng)去完成。運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度大大減輕,人數(shù)也大大減少,甚2 / 46至出現(xiàn)了“無人值班”(少人值守)的水電站。采用計算機(jī)監(jiān)控已成了水電站主流。1.21.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)展現(xiàn)

9、狀 從 20 世紀(jì) 70 年代起,計算機(jī)監(jiān)控在國外一些水電站上取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,出現(xiàn)了用計算機(jī)控制的水電站最初,由于計算機(jī)價格比較昂貴,全廠只用一臺計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對主要工況的監(jiān)視和操作,通常采用開環(huán)調(diào)節(jié)控制后來,隨著計算機(jī)性能改善和價格下降,出現(xiàn)了采用多臺計算機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制的水電站高性能微機(jī)的出現(xiàn)使微機(jī)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中得到普遍的應(yīng)用?，F(xiàn)在,新投入的水電站大都采用由多臺計算機(jī)構(gòu)成的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。世界各國的發(fā)展是不平衡的,目前關(guān)于水電站實(shí)現(xiàn)計算機(jī)監(jiān)控的情況還缺乏完整統(tǒng)計資料。就國家來說,美國,法國,日本和加拿大等國在這方面是比較領(lǐng)先的。 國外研制水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有許多公司,其中比較著名的

10、有,加拿大的CAE 公司、瑞士和德國的 ABB 公司!德國的西門子公司!、法國的 ALSToM 公司(原 CEGELEC 公司)、日本的日立公司和東芝公司、美國和加拿大的貝利公司!奧地利的依林(ELIN)公司等。各公司都推出自己的系列產(chǎn)品,在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。 我國水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作起步并不晚。早在 70 年代末,原水電部就組織了自動化研究所(現(xiàn)改為電力自動化研究院)、長江流域規(guī)劃辦公室(現(xiàn)改為長江水利委員會)和華中工學(xué)院(現(xiàn)改為華中科技大學(xué))研究洲壩水電站采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)問題隨后,中國水利水電科學(xué)院研究院(簡稱水科院)自動化研究所開始了富春江水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作

11、。電氣傳動設(shè)計研究所(簡稱天傳所)也開始了永定河梯級水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作。這些監(jiān)控系統(tǒng)于 80 年代中期先后投入運(yùn)行。 與此同時,我國也引進(jìn)了一些國外研制的監(jiān)控系統(tǒng)采用 CAE 公司產(chǎn)品的有洲壩大江電廠、隔河巖水電站和龔嘴梯調(diào);采用西門子公司產(chǎn)品的有魯布格水電站、抽水蓄能電廠 C 二期。龔嘴水電站;采用 ABB 公司產(chǎn)品的有家口、天生橋二級、溪口、寶興河梯級和二灘等水電站;采用貝利公司產(chǎn)品的有十三陵抽水蓄能3 / 46電廠和天荒坪抽水蓄能電廠;采用法國 cEGELEC 公司產(chǎn)品的有抽水蓄能電廠(一期)、高壩洲水電站;采用依林公司產(chǎn)品的有小浪底水電站。 十多年來,國的研制單位也取得了很

12、大的成就。己投運(yùn)的幾十個計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中絕大多數(shù)是由國單位研制的。技術(shù)水平也有了很大的提高,達(dá)到了國外 90 年代的水平。許多新技術(shù),如分層分布處理、分布式數(shù)據(jù)庫、開放系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、專家系統(tǒng)等,都得到了相應(yīng)的應(yīng)用。電力自動化研究院和水科院自動化研究所還推出了自己的系列產(chǎn)品,不僅在國電站得到廣泛的應(yīng)用,甚至還出口到國外。 根據(jù)近年來的實(shí)踐,新建的大中型水電站已基本采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),不采用的己是少數(shù)。1.31.3 水電站控制方式的演變水電站控制方式的演變 隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,水電站監(jiān)控的方式也隨之改變,計算機(jī)系統(tǒng)在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的作用與其與常規(guī)設(shè)備的關(guān)系也發(fā)生了變化,其演變過程大致

13、如下。1.以常規(guī)控制裝置為主、計算機(jī)為輔的監(jiān)控方式(Compute Aided Su Pervisory Control,簡稱 CASC) 早期由于計算機(jī)價格比較昂貴,而且人們對它的可靠性不夠信任,因此,計算機(jī)只起監(jiān)視、記錄打印、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計算、運(yùn)行指導(dǎo)等作用,水電站的直接控制功能仍由常規(guī)控制裝置來完成采用此方式時,對計算機(jī)可靠性的要求不是很高,即使計算機(jī)局部發(fā)生故障,水電站的正常運(yùn)行仍能維持,只是性能方面有所降低。采用這種控制方式的典型例子是依泰普水電站運(yùn)行的初期(80 年代上半期)。當(dāng)時采用這種控制方式的理由是,根據(jù)巴西和巴拉圭的國情,認(rèn)為采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)還不夠成熟,缺乏相應(yīng)的技術(shù)力

14、量,故而先采用能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視記錄等功能的計算機(jī)系統(tǒng),而水電站的控制仍由常規(guī)設(shè)備來完成。這樣,可以為將來可實(shí)現(xiàn)控制功能的系統(tǒng)作準(zhǔn)備,同時可以減少前期的投資。后來,依泰普水電站已將它更新為具有復(fù)雜控制功能的、比較完善的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 用這種控制方式的典型例子是富春江水電站綜合自動化的一期工程(80 年4 / 46代上半期)。一期工程是一個實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理!提供機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指導(dǎo)和全廠運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視記錄,計算機(jī)不直接作用于生產(chǎn)過程的控制。這在當(dāng)時是適合的,后來也被更 新為能實(shí)現(xiàn)控制功能的比較完善的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 這種控制方式的缺點(diǎn)是,功能和性能都比較低,并對整個水電站自動化

15、水平的提高有一定的限制,目前新建水電站已很少采用。 對已運(yùn)行的水電站,尤其是在中小型水電站,在常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,加一點(diǎn)專用功能的全廠自動化裝置,如自動巡回檢測和數(shù)據(jù)采集裝置,按水流或負(fù)荷調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行裝置等,也可取得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,投資也不大,對運(yùn)行管理水平要求不太高,這種 CASC 方式還是可以采用的國外也有不少這樣的例子。2.計算機(jī)與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控方式 Computer-ConventionalsuPervi so Control 簡稱 CCSC) 隨著計算機(jī)系統(tǒng)可靠性的提高和價格的下降以與人們對計算機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的信任度的提高,人們較容易接受讓計算機(jī)直接參加控制,但對它還不是很放

16、心,所以出現(xiàn)了計算機(jī)與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控的方式此時,水電站要設(shè)置兩套完整的控制系統(tǒng),一套是以常規(guī)控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng),一套是以計算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng),相互之間基本上是獨(dú)立的兩套控制系統(tǒng)之間可以切換,互為備用,保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行采用這種方式的原因是:(1)有些用戶,特別是大型水電站,對計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性仍有較大的顧慮,總覺得計算機(jī)系統(tǒng)沒有常規(guī)系統(tǒng)可靠,心理上有障礙,要設(shè)一套常規(guī)系統(tǒng)作后備。（2）原來的水電站運(yùn)行值班人員習(xí)慣于常規(guī)設(shè)備的操作,不熟悉計算機(jī)系統(tǒng)的操作,需要一段適應(yīng)過程。（3）計算機(jī)系統(tǒng)檢修時,常規(guī)系統(tǒng)可以投入運(yùn)行,不影響水電站的正常運(yùn)行。（4）如果水電站己有常規(guī)系統(tǒng),加設(shè)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可

17、以減少干擾,不影響電廠的正常運(yùn)行這一點(diǎn)對已運(yùn)行水電站的改造是有現(xiàn)實(shí)意義的。 國外采用這種方式的典型例子是美國邦納維爾第二電廠(558Mw)和巴斯康提抽水蓄能電廠(Z100Mw)。用這種控制方式的典型例子是洲壩大江電廠(1750MW)和龍羊峽水電站(1280MW)。 采用這種方式的缺點(diǎn)是:（1）由于需要設(shè)置兩套完整的控制系統(tǒng),投資比較5 / 46大;（2）由于兩套系統(tǒng)并存,相互之間要切換,二次接線復(fù)雜,可靠性反而有所降低。目前新建水電站已很少采用這種控制方式。3.以計算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式(Computer-Baseds Supervisory Control 簡稱CBSC)隨著計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性

18、進(jìn)一步提高和價格的進(jìn)一步下降,出現(xiàn)了以計算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。采用此方式時,常規(guī)控制部分可以大大簡化,平時都采用計算機(jī)控制。因此,對計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性要求就比較高,這可以采用冗余技術(shù)來解決,保證系統(tǒng)某一單元或局部環(huán)節(jié)發(fā)生故障時,整個系統(tǒng)和電廠運(yùn)行還能繼續(xù)進(jìn)行。 采用此種方式時,中控室僅設(shè)置計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的值班員控制臺,模擬屏已成為輔助監(jiān)控手段,可以簡化甚至取消。 國外采用這種方式的典型例子是美國的大古力水電站(615oMw)。委瑞拉的古里水電站(10000MW)、法國的孟德齊克抽水蓄能電廠(920MW)等。用這種方式的典型例子是漫灣水電站(1250Mw)。 這種控制方式是目前國外水電站普遍采用

19、的計算機(jī)控制方式。4.取消常規(guī)設(shè)備的全計算機(jī)控制方式 隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的累積,出現(xiàn)了以計算機(jī)為唯一監(jiān)控設(shè)備的全計算機(jī)控制方式,實(shí)際上它是 CBSC 方式的延伸。此時,取消了中控室常規(guī)的集中控制設(shè)備,機(jī)旁也取消了自動操作盤。中控室還保留模擬顯示屏,但其信息取自計算機(jī)系統(tǒng),不考慮在機(jī)組控制單元(計算機(jī)型的)發(fā)生故障時進(jìn)行機(jī)旁的自動操作。此時,對計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性提出更高的要求,冗余度也要進(jìn)一步提高。 采用這種方式的典型例子是我國隔河巖水電站(12OOMW),采用 CAE 公司的產(chǎn)品這種方式投資比較大,但它有良好的應(yīng)用前景,將成為未來的水電站計算機(jī)控制方式的主

20、流。1.41.4 小型水電站計算機(jī)監(jiān)控現(xiàn)狀小型水電站計算機(jī)監(jiān)控現(xiàn)狀 由于早期的研制主要集中于大!中型水電站,對小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究較6 / 46少,因此使得我國水電站自動化技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了極不平衡的局面,小型水電站的自動化水平目前還處于比較落后的狀態(tài)在小型水電站自動化裝置的研究方面,與國外的先進(jìn)水平相比還有一段較大的差距。 針對小型水電站的特點(diǎn)而專門進(jìn)行的一項(xiàng)研究是在 20 世紀(jì) 90 年代中期進(jìn)行的,是由國電自動化研究院與石景山發(fā)電總廠合作在下葦?shù)樗娬救萘烤鶠?5Mw 的 5 號和 6 號機(jī)上進(jìn)行的發(fā)電綜合控制裝置(GcU)的研究試驗(yàn)。由于 GCU的設(shè)計構(gòu)想是集調(diào)速、勵磁、順控、同期、

21、測量 5 個功能于一體,因此又稱為“五合一”裝置。經(jīng)一段時間的試運(yùn)行,甩 100%負(fù)荷試驗(yàn),從高井到下葦?shù)?5 號機(jī)的遠(yuǎn)方控制等情況來看,該套裝置運(yùn)行正常,達(dá)到預(yù)期目的。為了促進(jìn)小水電站實(shí)現(xiàn)自動化控制,水利部亞太小水電中心和國家電力公司自動化股份都在小型水電站監(jiān)控方式方面進(jìn)行了一些探討。此外,華工電氣自動化 XX 公司!自動化設(shè)備廠和繼電器集團(tuán)等科研、制造單位也做了不少工作,在我國已形成了 SDJK!DZWX!SSJ 一 3000、CSCS 系列、SD200 和 SJK 一 3000 等多種產(chǎn)品。7 / 46第第 2 2 章章 中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計2.12.1 中小

22、型水電站運(yùn)行的特點(diǎn)中小型水電站運(yùn)行的特點(diǎn) 水電站水電生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)是開發(fā)利用水能。具體是將水能轉(zhuǎn)化為勢能，推動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動來帶動發(fā)電機(jī)組發(fā)電，以攔河壩將水蓄于高處，然后控制水流使之經(jīng)過發(fā)電用水輪機(jī)，利用水的勢能驅(qū)動水輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電。水電站中的水庫中就是具有了一定能量的水，這些水通過過流部件（引水管道和蝸殼）流入水輪機(jī)，驅(qū)動水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)恩呢該，最后通過變電、送電設(shè)備將電能送到用戶。水電站的生產(chǎn)過程具體可以概括為四個部分,如圖 2.1 所示：圖 2.1 水電生產(chǎn)過程（1）集中能量。河川徑流是由集水區(qū)域、降水量與其他影響徑流的因素綜合決定的。修建相

23、應(yīng)的水工建筑物可以匯聚水量、集中水頭，從而達(dá)到集中能量的目的。（2）輸入能量。將集中的水能通過引水管道和蝸殼輸送到水輪機(jī)，使水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生機(jī)械能，產(chǎn)生能量的大小與流量和水頭有關(guān)。（3）變換能量。水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時帶動同軸的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。這是水電站生產(chǎn)過程中最重要一個環(huán)節(jié)。（4）輸送電能。這是水電站生產(chǎn)的最后一個環(huán)節(jié)，就是水電站發(fā)生的電能經(jīng)過變電、配電、送到電力系統(tǒng)或用戶的過程。在這個環(huán)節(jié)中沒有能量的轉(zhuǎn)換，只是改變電能的參數(shù)3。水電廠的生產(chǎn)過程是實(shí)現(xiàn)水能、機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換。與火電廠的生產(chǎn)過程相比，水電廠的生產(chǎn)過程要簡單的多。水電機(jī)組的特點(diǎn)是運(yùn)行靈活、啟停迅速、操作簡便、自動化

24、程度高。這些都是能夠使水力機(jī)組通常在電力系統(tǒng)中擔(dān)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)線路水能水能機(jī)械能機(jī)械能電能電能用戶用戶8 / 46負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)，這就使機(jī)組的符合經(jīng)常變化，而且機(jī)組會經(jīng)常啟停，與之相關(guān)的控制系統(tǒng)則要求快速、準(zhǔn)確。水電機(jī)組各系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)比較容易，各部分的聯(lián)鎖也相對簡單，所以也必須對水電站控制系統(tǒng)的自動化進(jìn)一步加大要求。2.22.2 水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求中小型水電站的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的目的主要是實(shí)現(xiàn)水電站自動化、高效率的電力生產(chǎn)過程，簡單來說，一個成熟的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)需要做到按照“無人值班、少人值班”的原則；PLC 應(yīng)是完整的市局采集和現(xiàn)地控制單元，能夠自我診斷和

25、安全監(jiān)視；要采用可靠、成熟的標(biāo)準(zhǔn)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；而且應(yīng)該有容錯的設(shè)計。這些都具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：水電站電廠發(fā)電生產(chǎn)的過程是很復(fù)雜而且特殊的，所以其所需要的監(jiān)控系統(tǒng)必須擁有強(qiáng)大卓越的數(shù)據(jù)處理能力，而且還必須豐富其競爭的性價比。除了這些，水電站的計算機(jī)控制系統(tǒng)還需要滿足以下的要求： （1）可靠性與有效利用率發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時需要保證其安全性，所以監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性成為了實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。假設(shè)水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)了故障問題，那么對生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的影響是異常嚴(yán)重的，所有具備較高的可靠性是電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所應(yīng)有的。在給定的條件之下，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備能夠持續(xù)保持正確安全的工作能力或者所

26、期待的功能可持續(xù)的時間的長短（平均故障間隔時間）可以用來衡量計算機(jī)系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性。一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后是否可以維護(hù)和所需的維護(hù)時間與系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、修理的難易程度(平均故障修復(fù)時間）也可以用來判定該計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備的優(yōu)良性。綜上所述，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的有效利用率可以表述如下計算機(jī)系統(tǒng)的有效利用率=平均故障時間/（平均故障間隔時間+平均故障修復(fù)時間）如何提高和保證計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性也成為了基礎(chǔ)問題，比如說采用分散結(jié)構(gòu)的計算機(jī)控制系統(tǒng)；增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯率和診斷修復(fù)能力；采用高可靠9 / 46性的器部件；運(yùn)用高可靠性的技術(shù)，這些都是比較有效的措施。 可靠性和可維護(hù)性的指標(biāo)也是有一些明確規(guī)

27、定的：如，系統(tǒng)在電廠驗(yàn)收的可用性指標(biāo)分為 99.9%，99.7%和 99.5%三檔，系統(tǒng)中的任何設(shè)備的單個元件應(yīng)該不能造成關(guān)鍵性的故障等4。 （2）實(shí)時響應(yīng)性計算機(jī)系統(tǒng)完成生產(chǎn)過程中所指定的任務(wù)時，必須具有一定的與時性，這就是實(shí)時響應(yīng)性，即實(shí)時性。水電站發(fā)電生產(chǎn)的過程對于計算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣、數(shù)據(jù)的運(yùn)算和操作速度的速度都有一定的要求，并且做到與它所控制的生產(chǎn)過程的十幾運(yùn)行速度相適應(yīng)，在其生產(chǎn)過程和計算機(jī)的自身運(yùn)動規(guī)律的前提下，能夠與時的檢測出生產(chǎn)過程發(fā)生的微弱變化并且進(jìn)行測試、分析和控制。這樣才能更好的保證系統(tǒng)的優(yōu)良實(shí)時性。電廠控制系統(tǒng)的實(shí)時性是監(jiān)控系統(tǒng)的一個非常重要的指標(biāo)，要求也非常的高，所

28、以計算機(jī)也必須有足夠高的時鐘頻率、品質(zhì)優(yōu)良的操作系統(tǒng)和豐富的操作指令等。在發(fā)生事故之后，要求對時間的幾率分辨率達(dá)到 5ms 以下。 （3）適應(yīng)性要求高水電站發(fā)電生產(chǎn)過程屬于工業(yè)過程，所以其計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境相對沒有那么完善，而且是處于不同程度的高溫、潮濕、粉塵、振動、腐蝕、磁場等諸多不利的條件之下，所以水電站所需要的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)必須可以適應(yīng)現(xiàn)場的環(huán)境，而且在惡劣的環(huán)境之下可以正常的運(yùn)行工作。除此之外，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還要具備與過程設(shè)備連接的良好借口，可以適應(yīng)構(gòu)成使用硬件系統(tǒng)的需要。水電站的地理位置特殊，自然條件和電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的不同可能會告知不同水電站具有很大的差異。所以，計算機(jī)系統(tǒng)也需

29、要能夠做到在改變少量的軟、硬件之后可以適應(yīng)不同水電站的開發(fā)應(yīng)用，做到一個成熟計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，為用戶或者設(shè)計者省去較多的麻煩，節(jié)約資金開發(fā)，縮短頭暈的周期。 （4）人機(jī)聯(lián)系要求完善發(fā)電生產(chǎn)的過程需要與時有效的進(jìn)行參數(shù)監(jiān)視、運(yùn)行操作、系統(tǒng)組態(tài)和異常情況下的故障診斷和處理，而且需要隨時接受運(yùn)行人員的各種運(yùn)行工作命令，還要做到人機(jī)聯(lián)系的方式比較簡單、只管、明確、方便、快捷、規(guī)、安全。這10 / 46都是需要計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)必須具有完善的人機(jī)接口和人機(jī)界面。 這些都需要完善的硬件配置和相應(yīng)的軟件支持才能做到。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求會根據(jù)電廠設(shè)備和對象不同隨之表現(xiàn)出不同，所以系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)現(xiàn)其基本功能，系

30、統(tǒng)結(jié)構(gòu)以滿足基本功能要求為前提，全力做到簡單實(shí)用。 （5）軟件配備要求齊全 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)廠商需要根據(jù)實(shí)際的過程控制的需要配套提供給用戶豐富的軟件，以此來使得計算機(jī)控制系統(tǒng)具備驅(qū)動計算機(jī)系統(tǒng)各組成部分正常運(yùn)轉(zhuǎn)和完善的實(shí)時操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、文件管理系統(tǒng)等，滿足生產(chǎn)過程所需要用到的控制的需要。用戶也需要在系統(tǒng)選型時高度重視，且關(guān)注應(yīng)用軟件的開發(fā)和完善。 （6）良好的抗干擾和防震性能 水電站一般都是處于有強(qiáng)電磁場干擾的冮環(huán)境之下，其計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)亦然，而且水電站整個的廠房的中控室和計算機(jī)均有明顯的機(jī)械振動，機(jī)械傳感等。所處的環(huán)境溫度較高，這些都對計算機(jī)系統(tǒng)附加了另外的要求。為了避免疏忽所

31、帶來的嚴(yán)重后果，系統(tǒng)的裝置技術(shù)也必須妥善的進(jìn)行處理。2.32.3 監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計任務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計任務(wù)2.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的劃分主要是根據(jù)其控制方式或者布局來加以區(qū)別的。一個水電站的裝機(jī)容量和機(jī)組太熟、電站在電力系統(tǒng)中的地位、計算機(jī)在電站自動化中的功能等都會影響到計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的整個布局。一、集中式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 這種模式的監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是由一臺計算機(jī)來承擔(dān)整個水電站的所有監(jiān)控任務(wù)，比較依賴于一臺計算機(jī)，可靠性比較差。一般是將采集到的數(shù)據(jù)全部集中到計算機(jī)來進(jìn)行分析和處理，然后更具計算機(jī)計算和處理的結(jié)果來傳送到各測控點(diǎn)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。集中式監(jiān)控系統(tǒng)

32、的發(fā)展歷程如下（1）單計算機(jī)系統(tǒng)（2）雙計算機(jī)系統(tǒng)（3）雙主計算機(jī)帶雙前置計算機(jī)系統(tǒng)11 / 46（4）以數(shù)據(jù)庫為核心的多計算機(jī)系統(tǒng) 以上也是通常會采用的計算機(jī)系統(tǒng)配置。 二、分散式處理計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 這種的監(jiān)控系統(tǒng)是新一代的繼直接作用式氣動儀表、氣動單元組合儀表等之后的控制系統(tǒng)。其具體是強(qiáng)調(diào)了水電站生產(chǎn)設(shè)備的地理位置和控制系統(tǒng)的功能所具有的的“分散”性。它是一種能對水電站機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行集中式的監(jiān)視和管理，控制功能分離，物理位置分散，依靠微型計算機(jī)，利用數(shù)據(jù)通信模塊懂得功能將所有的信息全部相連的新型的自動控制系統(tǒng)。分散式控制系統(tǒng)的熱點(diǎn)是控制比較分散但是管理比較集中，而且功能比較全面，計算機(jī)的算法

33、很多樣，可以做到自治性和協(xié)調(diào)性兼顧，先進(jìn)性和繼承性兼顧，還比較靈活可靠，適應(yīng)性也很好，擴(kuò)展圍廣，人機(jī)界面友好。三、分布式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 由于 20 世紀(jì) 80 年代的時候，新開發(fā)的計算機(jī)處理器的性能價格比非常的高，但是絕對的性能不夠完善，沒有用來完成大型計算機(jī)所具有的一些功能。所以當(dāng)時的人們把硬件和相應(yīng)的軟件都使之在大量重復(fù)的大規(guī)模的集成電路芯片中分布出來，來構(gòu)成一個新興的計算機(jī)系統(tǒng)。這就是分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展初期的基本思想。分布式計算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它具有多個分布的資源，即計算機(jī)硬件、外部的設(shè)備、程序和數(shù)據(jù)庫。這些資源都是獨(dú)立的但是卻又相互作用，可以獨(dú)立萬層其自身的功能任務(wù)，也可以一起搭

34、配協(xié)調(diào)完成一些列任務(wù)。但是該系統(tǒng)要求的操作系統(tǒng)非常高級，要對整個系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的控制和管理，然后按部就班的完成所需要的任務(wù)，所以這種系統(tǒng)也就有了非常統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，而且系統(tǒng)中的個資源運(yùn)行之間沒有主從關(guān)系，不存在層次控制。四、分層控制系統(tǒng) 分層控制系統(tǒng)的意義在于可以把整個水電站的控制系統(tǒng)分成幾個相應(yīng)的不同層次來進(jìn)行逐一控制，電廠的層次大致可分為梯級調(diào)度層、廠站監(jiān)控層、機(jī)組操作層、輻設(shè)控制層等，這其中梯級調(diào)度只適用于梯級的電廠。綜上所述：以上所有的水電監(jiān)控系統(tǒng)而言，中小型的水電站在電力系統(tǒng)中的地位相對12 / 46較低，作用相對比較弱，而且生產(chǎn)的過程也比較的單一，設(shè)備層次比較低。綜合考慮之下，計算機(jī)

35、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“分布” ，系統(tǒng)控制理論“分層”的綜合性監(jiān)控系統(tǒng)，在可靠性、靈活性和投資少的前提下，性價比比較高，所以中小型水電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)首選分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)非常的好。由于分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)比較突出，它已取代了其他類型的監(jiān)控系統(tǒng)。2.3.2 水電站的電廠的分層控制 本文主要是講述中小型水電站采用的分層分布式控制系統(tǒng)。 水電廠是處于在龐大的電力系統(tǒng)中的基層工作，這是電力系統(tǒng)的分層控制。每個水電廠的本身也是可以分為幾個不同的層次：電廠控制層、機(jī)組控制層、功能控制層、現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動層。電廠控制層屬于廠級計算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)組層以下的都是現(xiàn)地層或者現(xiàn)地單元。具體如圖 2.2： 自 水 電廠控制層 廠級計算機(jī)系

36、統(tǒng) 動 電 廠 化 的 機(jī)組控制層 監(jiān) 復(fù) 控 系 功能控制層 雜 統(tǒng) 現(xiàn)地層（現(xiàn)地單元） 分 程 層 現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動層 度 圖 2.2 水電廠分層 （1）電廠控制層這個水電廠控制系統(tǒng)的最高層“領(lǐng)導(dǎo)”,整個水電系統(tǒng)的機(jī)組運(yùn)行、管理、發(fā)電等都是由這層來協(xié)調(diào)、控制，也把電廠信息，監(jiān)控數(shù)據(jù)等與電網(wǎng)監(jiān)控層進(jìn)13 / 46行傳遞和聯(lián)絡(luò)。（2）機(jī)組控制層機(jī)組控制層通過現(xiàn)在單元的 I/O 裝置等自動化的裝備來對發(fā)電機(jī)組的啟停、工況的轉(zhuǎn)換等進(jìn)行直接的控制，并且將運(yùn)行信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。（3）功能控制層功能控制層不由監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)，而是由另外專門設(shè)置的裝置完成歷次調(diào)節(jié)、調(diào)速、繼電保護(hù)、水利機(jī)械保護(hù)、事故錄波等功能

37、任務(wù)5，它與監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)系僅僅依靠簡單的信息轉(zhuǎn)換來完成。（4）現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動層水電站廠房中現(xiàn)場的機(jī)械、電器設(shè)備（水泵、閥門、開關(guān)等）和現(xiàn)場的驅(qū)動設(shè)備（電機(jī)、電磁閥、電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)等）都是由這一層來進(jìn)行放大控制，而不是通過計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)直接驅(qū)動。14 / 46第第 3 3 章章 實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.13.1 虛擬儀器與虛擬儀器與 LabVIEWLabVIEW 概述概述3.1.13.1.1 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）的概念是美國國家儀器公司于 20 世紀(jì) 80年代最早提出的，它是繼第一代儀器（模擬式儀表） 、第二代儀

38、器（分立元件式儀表） 、第三代儀器（數(shù)字式儀表） 、第四代儀器（智能儀器）之后的新一代儀器28，它引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)進(jìn)入儀器領(lǐng)域，開創(chuàng)了“軟件就是儀器”的先河。 虛擬儀器是指，在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，用途由用戶自己定義、測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的、具有虛擬面板的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器可以集成為自動控制系統(tǒng)；可自由構(gòu)建成專用儀器系統(tǒng)；可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如邏輯分析儀、示波器、頻譜分析儀、信號發(fā)生器等，使得測量人員從繁雜的儀器堆中解放出來。任何形式的虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到臺式 PC、15 / 46工作站或筆記本電腦等各種計算機(jī)平臺上，再

39、加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。虛擬儀器通過軟件將儀器硬件與計算機(jī)硬件資源有機(jī)地融合為一體，從而把儀器硬件的控制、測量能力和計算機(jī)強(qiáng)大的計算處理能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積。3.1.1.13.1.1.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對比虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對比 相比于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有四大優(yōu)勢：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少、完美的集成功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的性能比較見表 3-1 所示。 表 3.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器性能對比表（下頁） 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 功能由用戶定義 功能由廠家定義 與網(wǎng)絡(luò)與其他外圍設(shè)備連接方便 與其他設(shè)備連接受限 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 信號電纜少，采用虛擬旋鈕，操作簡

40、單 信號電纜開關(guān)多，操作復(fù)雜 系統(tǒng)開放、靈活、可構(gòu)成多種儀器 系統(tǒng)封閉，功能固定，擴(kuò)展性低 系統(tǒng)開發(fā)時間短 系統(tǒng)開發(fā)時間長 數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印 數(shù)據(jù)無法改變 關(guān)鍵技術(shù)是軟件，升級維護(hù)方便 關(guān)鍵是硬件，由專業(yè)廠家升級 儀器間資源可重復(fù)利用，整體價格便宜 儀器間無法通用，整體價格較昂貴 開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低 開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高 軟件技術(shù)更新快（周期為 12 年） 技術(shù)更新慢（周期為 510 年）3.1.1.23.1.1.2 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器的構(gòu)成16 / 46 虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。 （1）虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，主要完成被測信號的采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出

41、等工作，由計算機(jī)和 I/O 接口設(shè)備組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖 4-1 所示。 計算機(jī) 一般為一臺 PC 或工作站，是硬件平臺的核心。 I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備即采集調(diào)理部件，包括 PC 總線的數(shù)據(jù)采集卡、VXI 總線儀器模塊、GPIB 總線儀器、LXI 總線儀器模塊、PXI 總線儀器模塊、現(xiàn)場總線儀器模塊和串口總線儀器模塊等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器，主要完成被測輸入信號的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。 （2）虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)是軟件，通過運(yùn)行計算機(jī)上的軟件，一方面實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的圖形化儀器界面，給用戶提供一個設(shè)置儀器參數(shù)、修改儀器操作、檢驗(yàn)儀器通信和實(shí)現(xiàn)儀器功能的人機(jī)接口；另一方面使計算機(jī)

42、直接參與測量特征的分析與測試信號的產(chǎn)生，完成數(shù)據(jù)的輸入、輸出、存儲與綜合分析等功能。虛擬儀器軟件由 3 部分構(gòu)成。 輸入/輸出（I/O）接口軟件 I/O 接口軟件存在于儀器與儀器驅(qū)動程序之間，它具有以下功能： a 對儀器部寄存單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作； b 為儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞； c 是實(shí)現(xiàn)開放統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。 儀器驅(qū)動程序 儀器驅(qū)動程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集，它是連接頂層應(yīng)用軟件和底層 I/O 軟件的紐帶與橋梁，每個儀器模塊都有自己對應(yīng)的儀器驅(qū)動程序，儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時也會提供儀器驅(qū)動程序文件和 DLL 文件。17 / 46 應(yīng)

43、用軟件 頂層應(yīng)用軟件主要包括數(shù)據(jù)分析處理軟件和儀器面板控制軟件，可以完成利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形功能實(shí)現(xiàn)虛擬儀器面板，給用戶提供操作儀器、顯示數(shù)據(jù)的人機(jī)接口，以與數(shù)據(jù)采集、顯示、分析處理和存儲等的功能，應(yīng)用軟件具有良好的開放性和可擴(kuò)展性，目前應(yīng)用軟件開發(fā)工具主要有兩種類型： 文本式編程語言：如 Visual C+，Visual Basic，LabWindows/CVI 等。 圖形化編程語言：如 LabVIEW，HPVEE 等。VC、VB 具有簡單易用、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但開發(fā)人員需要有較多的編程經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的調(diào)試能力。NI 公司的 LabVIEW 和 HP 的 VEE 等具有圖形化的常用模塊，智能化的

44、數(shù)據(jù)連線，逼真的儀器面板元件，豐富多彩、簡便易用的函數(shù)庫和工具包，編程效率高，通用性強(qiáng)，是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具。圖 4-1 虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)18 / 463.1.1.33.1.1.3 虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器的特點(diǎn) 虛擬儀器是儀器測量技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它充分利用了計算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、存儲等方面的限制。虛擬儀器具有如下特點(diǎn)： 1 強(qiáng)大的信號處理能力 通過適當(dāng)?shù)挠布Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)對信號進(jìn)行采集、放大、隔離、濾波以與模/數(shù)轉(zhuǎn)換，虛擬儀器可以利用計算機(jī)的大量實(shí)用軟件工具對信號進(jìn)行各種分析計算、處理和數(shù)字化、圖形化顯示，也可以將信號通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換后控制

45、執(zhí)行器件的執(zhí)行動作。 2 具有標(biāo)準(zhǔn)的、功能強(qiáng)大的接口總線、板卡與相應(yīng)軟件 GPIB 通用接口總線（或稱 IEEE488 國際標(biāo)準(zhǔn)接口總線）近 30 年廣泛應(yīng)用于儀器領(lǐng)域，它只適用于消息級器件的互操作，不適于寄存器級器件。1987 年新推出的 VXI 總線（或稱 IEEE1155 國際標(biāo)準(zhǔn)接口總線）具有通用性和開放性，使任意廠家、各種類型儀器接口不會發(fā)生機(jī)械電氣方面的沖突，VXI 具有 40M Bytes/s 的數(shù)據(jù)傳輸率，能保證儀器間的同步和精確定時，被認(rèn)為是虛擬儀器理想的硬件平臺。為虛擬儀器數(shù)據(jù)采集和控制提供強(qiáng)大支持的還有 VISA、PCI 等標(biāo)準(zhǔn) I/O 卡與其相應(yīng)的驅(qū)動程序庫。 3 具有

46、開發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便和易于應(yīng)用等特點(diǎn) 應(yīng)用虛擬儀器的這些特點(diǎn)可以快速、低成本地開發(fā)出具有相當(dāng)大柔性且易于維護(hù)管理和升級的儀器。 4 具有可變性、多層性、自助性的面板 與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器的面板也可以有旋鈕、開關(guān)按鈕、滑動條，有顯示器顯示波形，有 LED 指示燈，有聲音和報警指示燈，有指針式表頭指示刻度等。但虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器又有不同之處，傳統(tǒng)儀器面板上的元器件是硬件，由出廠廠商確定，不可更改，而虛擬儀器的面板由計算機(jī)顯示器構(gòu)成，面板上19 / 46的各種顯示控制元件是軟件圖庫中的各種功能圖形，由用戶根據(jù)自己的任務(wù)需要隨意設(shè)計，用戶可以增、刪、移動元器件，變化器件外觀，顏色等，而且可

47、以制作多層下拉面板，構(gòu)建大大超出傳統(tǒng)儀器的生動美觀、界面友好的面板。 4 用戶可定義虛擬儀器的功能、性能、指標(biāo)虛擬儀器系統(tǒng)給用戶一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間，用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)計儀器系統(tǒng)，滿足各種應(yīng)用需求。一方面其可根據(jù)用戶不同要求修改同一個儀器的功能、性能和指標(biāo)；另一方面以軟件形式將多種儀器的功能、性能和指標(biāo)集成在虛擬儀器庫，通過它們的不同組合以與與不同類型的硬件系統(tǒng)的搭配在一臺計算機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)各種儀器的功能，極擴(kuò)展了儀器的功能，提高了儀器功能的靈活性。3.1.23.1.2 LabVIEWLabVIEW LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument

48、 Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺）是美國 NI 公司（National Instrument Company）推出的一種基于 G 語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，它被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，不僅提供了遵從 GPIB，RS-232，RS-485 和 VXI 協(xié)議的硬件與數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，而且其庫函數(shù)還支持 TCP/IP，ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)，功能強(qiáng)大且靈活，利用它可方便地組建自己的虛擬儀器。 LabVIEW 被稱為圖形化編程語言，不僅在于它的界面設(shè)計方式，更重要的是它在編寫程序代碼、

49、實(shí)現(xiàn)程序功能的時候，也使用了圖形化的操作方式。LabVIEW 的程序由數(shù)據(jù)流驅(qū)動，數(shù)據(jù)流控制程序執(zhí)行次序，不像文本程序受順序執(zhí)行約束，因此可通過相互連接功能方框圖快速開發(fā)應(yīng)用程序，甚至多個數(shù)據(jù)通道可同步運(yùn)行。LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具，即使是毫無計算機(jī)背景知識的學(xué)習(xí)者，也可以在短期掌握 LabVIEW 的編程方法。 在 LabVIEW 中開發(fā)的程序都被稱為 VI，一個 VI 由三部分構(gòu)成：前面板（FrontPanel） 、程序框圖（Block Diagram）和圖標(biāo)/連接器（Icon and Connector Pane） 。20 / 46 前面板是圖形用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值

50、，觀察輸出量和模擬真實(shí)儀表。在程序前面板上，輸入量稱為控制器（Control） ，輸出量稱為指示器（Indicator） ，控制器包括開關(guān)、旋鈕、按鈕等輸入設(shè)備；指示器包括圖形、圖表、LED 指示燈等顯示輸出對象，這些控制器和指示器使得前面板直觀易懂。 框圖是定義 VI 功能的程序源代碼，一個程序前面板對應(yīng)一段程序框圖?？驁D程序用 LabVIEW 圖形編程語言編寫，由圖框、端口、連線和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中圖框可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令；端口可以完成前面板的控制、顯示以與傳遞數(shù)據(jù)；連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，可以定義框圖中的數(shù)據(jù)流動方向；節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)函數(shù)與功能調(diào)用。 圖標(biāo)和連接器相當(dāng)于文本編程語言

51、中的函數(shù)原型。圖標(biāo)是 VI 的圖形化表示，包含文字、圖形或是圖文組合，當(dāng)把一個 VI 作為子 VI 使用時，在程序框圖上會出現(xiàn)代表該子 VI 的圖標(biāo)，通過雙擊圖標(biāo)對子 VI 進(jìn)行編輯。在創(chuàng)建子 VI 時還需要創(chuàng)建連接器，連接器表明了子 VI 中的全部輸入和顯示控件的接線端，如同文本編程語言中的參數(shù)列表，連接器從輸入端接收數(shù)據(jù)，通過前面板輸入控件傳送到框圖的程序代碼中，再從前面板顯示控件中接收計算結(jié)果傳到輸出端。 LabVIEW 通過圖形符號描述程序行為，代替了復(fù)雜難懂的語法規(guī)則，減輕了用戶負(fù)擔(dān)，提高了編程效率。LabVIEW 具有如下特點(diǎn)： 開發(fā)周期短，不需要硬件面板的制作，只需利用交互式圖形

52、前面板進(jìn)行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示。 具有高效性，以功能強(qiáng)大的 LabVIEW 為軟件開發(fā)平臺，能輕松解決數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、文件管理、數(shù)學(xué)運(yùn)算等。 編程簡單，不需要記憶編程語言，只需利用交互式圖形前面板進(jìn)行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，再利用程序框圖將功能模塊組合起來指定各種功能，即可完成軟件編程。 具有開放性、可擴(kuò)展性，升級維護(hù)方便。 具有自定義性，可在十分廣泛的測量控制應(yīng)用中定義芯片級硬件功能。21 / 46 具有較高的性價比，可以一機(jī)多用。正是 LabVIEW 的這些優(yōu)點(diǎn)使得它具有其他語言所無法比擬的優(yōu)勢，使得它擁有越來越多的用戶，逐漸成為數(shù)據(jù)采集與儀器控制的首選程序設(shè)計語言，可以預(yù)見，LabVI

53、EW 最終將會引發(fā)傳統(tǒng)儀器產(chǎn)業(yè)一場新的革命。水力機(jī)組運(yùn)行實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示，主要包括傳感器、信號調(diào)理裝置和數(shù)據(jù)采集卡三部分。其中，傳感器的功能是將被測量的水力參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，信號調(diào)理裝置將輸出的電信號進(jìn)行放大、隔離、濾波等預(yù)處理，而數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，送入計算機(jī)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示、存儲等操作。3.23.2、LabLab VIEWVIEW 各種通信方式介紹與實(shí)現(xiàn)各種通信方式介紹與實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)通訊是隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展特別是計算機(jī)間通信需求而新興的一種技術(shù)。簡單地說,數(shù)據(jù)通信就是數(shù)字計算機(jī)或其他數(shù)字終端裝置之間的通信。共享變量是 LabV

54、IEW 為簡化網(wǎng)絡(luò)編程邁出的巨大一步通過共享變量用戶可以在不同計算機(jī)上的 Vl 之間、本地不同 Vl 之間或同一個程序框圖的不同循環(huán)之間交換數(shù)據(jù)。共享變量的使用與全局變量類似,用戶在框圖上僅僅看到的是一個變量而己,而變量具體與網(wǎng)絡(luò)中哪臺計算機(jī)中的哪個變量連接,以與各種其他屬性等都己經(jīng)事先在共享變量的屬性中設(shè)定。針對不同的應(yīng)用和不同的層次,LabVIEW 提供了多種網(wǎng)絡(luò)通信供用戶靈活選擇，LabviEW 中的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),包括共享變量 TCP 協(xié)議、IP 協(xié)議、UDP 協(xié)議、ICMP 協(xié)議遠(yuǎn)程面板調(diào)用等。Nl 公司還開發(fā)的一種 Datasoeket 技術(shù),大大簡化了網(wǎng)絡(luò)通信編程,可以使用它很容易

55、的在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時數(shù)據(jù)交換。TCP/IP 協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)連接最基本的協(xié)議,是一種面向連接的協(xié)議,允許從一臺計算機(jī)發(fā)出的字節(jié)流無差錯的發(fā)往互聯(lián)網(wǎng)上的其他計算機(jī)共分為四層:鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。但 TCP 編程較復(fù)雜,需要精深的網(wǎng)絡(luò)通訊知識。TCP 是全雙工通訊方式,如果在主機(jī) A 和主機(jī) B 之間有連接,A 可以向 B 傳輸數(shù)據(jù),而 B 也可以向 A 傳輸數(shù)據(jù) TCP 也是點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸協(xié)議,但不支持多目標(biāo)廣播。22 / 46UDP,用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議,是一不無連接模式協(xié)議。UDP 獲得數(shù)據(jù)單元與 TCP 不同,UDP 不提供數(shù)據(jù)的分組和組裝,也不提供對數(shù)據(jù)的排序,這就意味著 UDP 提供

56、的不是面向連接的!可靠的數(shù)據(jù)傳輸,而是面向操作的；不可靠的數(shù)據(jù)流傳輸,應(yīng)用程序必須自己確定信息是否完全正確地到達(dá)目的地。此外,UDP 還支持廣播和多點(diǎn)播送廣播就好比廣播電臺播送新聞,所有人都可以接收到這個廣播,而具體收不收聽由個人自己決定而多點(diǎn)播送則是只向其中一個子集進(jìn)行廣播3.33.3、系統(tǒng)通信方式的比較與選擇、系統(tǒng)通信方式的比較與選擇本文對 Labview 的各種通訊方式進(jìn)行了比較的,其通訊方式各有其特點(diǎn),對具體使用情況應(yīng)根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的通信方式。通過上述五種通信方式的比較,通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院途幊痰墓ぷ髁縼砜?Datasocket 通信方式是比較適合水輪發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)測,

57、傳輸?shù)膶?shí)時性較好但是對于某些普通用戶無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作,只需要對機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,比較而言通過遠(yuǎn)程 Vl 面板連接通信方式是比較理想,即可滿足用戶對機(jī)組的監(jiān)測也無需對操作進(jìn)行屏蔽。因此,本文采用了 Datasocket 與遠(yuǎn)程 vi 面板連接方式兩種通信方式結(jié)合組建了上位機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信模式。用戶可以根據(jù)需要實(shí)時的對現(xiàn)場狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理,通過廠光纖連接到數(shù)據(jù)服務(wù)器上,再通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程用戶,遠(yuǎn)程不同類型的用戶根據(jù)不同需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理等操作。23 / 463.43.4、上、下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳遞、上、下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳遞(1) 下位機(jī)開機(jī)后默認(rèn)的狀態(tài)是上

58、傳數(shù)據(jù)（機(jī)頻、網(wǎng)頻、導(dǎo)葉開度、PID 調(diào)節(jié)器的輸出、狀態(tài)）無條件傳送。(2) 若上位機(jī)需要其它數(shù)據(jù)，則須由上位機(jī)發(fā)呼叫命令，待下位機(jī)應(yīng)答后，再發(fā)送上傳數(shù)據(jù)命令，下位機(jī)接到該命令后執(zhí)行相應(yīng)的操作。(3) 若要從上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)，需要先發(fā)呼叫命令，待下位機(jī)應(yīng)答后再發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。3.53.5 數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)的采集 數(shù)據(jù)采集是測試系統(tǒng)最主要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，是虛擬儀器的重要組成部分。數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ）是指將被測對象的各種參量（化學(xué)量、物理量、生物量等）通過各種各樣的傳感器件進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)冗^程送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或記錄的過程?？刂破?/p>

59、通常由計算機(jī)來承擔(dān)，計算機(jī)是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，它控制整個系統(tǒng)，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集卡（通常集成模擬多路開關(guān)、采樣/保持器、程控放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器與定時器） 、計算機(jī)與一些外設(shè)等組成。其中，傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電信號，因其產(chǎn)生的電信號一般不能直接輸入到 PC，所以必須經(jīng)過調(diào)理才能被數(shù)據(jù)采集設(shè)備可靠、精確地采集。信號調(diào)理將傳感器輸出的電信號進(jìn)行放大、濾波、隔離等，便于數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡將電信號轉(zhuǎn)化為計算機(jī)系統(tǒng)可識別分析的數(shù)字信號。3.63.6 系統(tǒng)程序前面板系統(tǒng)程序前面板 本系統(tǒng)對某水電站其中的 13

60、號機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測，其程序前面板如圖 3-3 所示。24 / 46 圖 3-3 水力參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前面板 程序前面板分為輸入?yún)^(qū)域、顯示區(qū)域和操作區(qū)域等幾部分。 輸入?yún)^(qū)域 輸入?yún)^(qū)域采用一個選項(xiàng)卡控件，共包含 3 個選項(xiàng)卡，一個選項(xiàng)卡上對應(yīng)一臺機(jī)組技術(shù)參數(shù)的輸入，包括蝸殼流量系數(shù)、進(jìn)出口斷面壓力變送器的安裝高程、蝸殼進(jìn)口斷面面積、尾水管出口斷面面積以與發(fā)電機(jī)效率等。 顯示區(qū)域 顯示區(qū)域包含數(shù)值顯示區(qū)域和曲線顯示區(qū)域，數(shù)值顯示區(qū)域以數(shù)字形式實(shí)時顯示系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，包括水輪機(jī)組的流量、工作水頭和發(fā)電機(jī)的有功功率，波形顯示區(qū)域以曲線形式直觀反映水輪機(jī) Q、H、Pg 的變化趨勢；通過計算得到的水輪機(jī)效率和水