吳羅長，南海鵬，余向陽

（西安理工大學，陜西西安 710048）

隨著專業(yè)建設的發(fā)展和人才培養(yǎng)要求的進一步提高，改革實驗教學模式，提高實驗教學質量勢在必行。虛擬儀器技術在實驗平臺的應用方面已經(jīng)日趨成熟。為了提高熱能與動力工程專業(yè)（水動方向）的實驗教學水平，通過分析本專業(yè)課程的特點和教學內容，研究了在目前技術條件下實驗教學系統(tǒng)的構成要求，開發(fā)了一種基于虛擬儀器的綜合實驗平臺。該實驗平臺把原有模型試驗機組和虛擬儀器測試系統(tǒng)結合起來，構成一個綜合實驗系統(tǒng)，內容包括流體機械原理、水輪機技術、水電廠自動運行、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、水輪機調節(jié)系統(tǒng)、水電站測試技術等，基本囊括了專業(yè)課階段的實驗內容要求。該實驗平臺的核心是使學生了解和掌握水電機組的運行和實驗信息的獲取、傳輸、處理和利用[1]。在實驗教學中引入虛擬儀器技術，開展實際操作與虛擬實驗相結合的教學模式，能夠有效地改進實驗教學，彌補傳統(tǒng)儀器的不足，可以成為現(xiàn)有實驗教學條件的有力補充，使實驗室能夠更好地為培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才服務[2]。

1 虛擬儀器技術

虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器不同，是先進的計算機技術和儀器技術相結合的產(chǎn)物。以計算機為核心，通過軟件程序將高性能的模塊結合起來，形成一個完整的全新的專用測試系統(tǒng)。虛擬儀器的各種面板上的“控件”功能是通過軟件來實現(xiàn)的，用戶可通過圖形化應用程序界面來操控儀器系統(tǒng)，從而完成對各類測試信號的采集、分析處理、顯示和存儲等功能。虛擬儀器具有很好的靈活性，只要做出不同的應用程序面板，就可以完成各種測試任務[3]。虛擬儀器技術在測試領域已經(jīng)比較成熟，可以很好地滿足對于水電機組在線狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷的性能需求。

虛擬儀器技術在實驗教學中的應用有著明顯的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器實驗平臺可以根據(jù)用戶的需求進行定義,這就解決了傳統(tǒng)儀器固定不變與可變的教學需求之間的矛盾。引入虛擬儀器技術，不僅可以提高實驗效率、降低實驗成本，還能增強學生學習的積極性，具有傳統(tǒng)實驗所無可比擬的優(yōu)勢。

2 水電機組振動監(jiān)測和實驗系統(tǒng)設計

通過分析虛擬儀器技術的優(yōu)勢，結合水電機組狀態(tài)監(jiān)測和實驗系統(tǒng)的需求，以機組振動監(jiān)測為例，設計開發(fā)了一種基于虛擬儀器技術的振動監(jiān)測與實驗系統(tǒng)，通過對水電機組振動信號的采集、分析，可對機組的振動狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并可以進行機組穩(wěn)定性實驗，通過系統(tǒng)分析，充分發(fā)掘機組振動信號中所包含的故障信息，為機組的狀態(tài)檢修和故障診斷奠定基礎[4]。

2.1 系統(tǒng)硬件結構設計

本系統(tǒng)采用PC-DAQ結構，硬件系統(tǒng)主要由機組各測點的傳感器、信號調理、數(shù)據(jù)采集卡和工控機等組成，結合LabVIEW開發(fā)的功能軟件構成虛擬儀器測試系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖Fig.1 The structure of the system hardware

通過水輪發(fā)電機組各位置測點安裝的傳感器采集得到的信號，經(jīng)過信號調理后進入采集卡，然后進入信號采集IPC，同時從現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信接口將水輪機導葉開度、水頭、流量、等信號引入信號采集IPC，再經(jīng)通信網(wǎng)絡輸入內網(wǎng)主數(shù)據(jù)服務器和LabVIEW監(jiān)測分析站，在這里進行信號的分析、顯示、存儲等功能，最終通過遠程監(jiān)測與故障分析IPC實現(xiàn)遠端實時監(jiān)測及診斷分析。

2.2 系統(tǒng)軟件結構設計

本系統(tǒng)選用NI公司的LABVIEW8.20作為軟件開發(fā)平臺，采用模塊化思想設計振動監(jiān)測與實驗系統(tǒng)的軟件部分，系統(tǒng)軟件功能規(guī)劃了七大模塊，包含:數(shù)據(jù)采集，在線數(shù)據(jù)分析，機組振動試驗，數(shù)據(jù)庫管理、遠程監(jiān)控、歷史報表和用戶管理。將各功能模塊做成各自獨立的可執(zhí)行模塊，再將各功能模塊嵌入系統(tǒng)。軟件結構如圖2所示[5]。

數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)對水電機組原始振動信號的采集與處理功能，數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)地采集單元進行軟件濾波和必要的數(shù)據(jù)壓縮處理后，并保證采集信號的有效性和準確性，上傳至數(shù)據(jù)庫服務器作進一步的故障診斷分析。

圖2 系統(tǒng)軟件功能框架圖Fig.2 The structure of the system software

在線數(shù)據(jù)分析模塊完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能。在線數(shù)據(jù)分析的常用方法可分為時域、幅值域和頻域、相位域分析及相應的趨勢分析。本軟件平臺中的信號處理項包括：FFT變換、譜分析、濾波器、窗函數(shù)、波形測量、波形調理、信號運算等模塊庫。用戶可以方便地調用相應的模塊來實現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)分析。

機組試驗模塊包含常規(guī)的穩(wěn)定性試驗項目有：啟動試驗、停機試驗、變速試驗、勵磁試驗、帶負荷試驗、甩負荷試驗、調相運行試驗等。在試驗模式下，以毫秒級高采樣率進行錄波，以便對機組進行有效的試驗數(shù)據(jù)分析。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理模塊包括基本信息數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫。選擇微軟的SQLSever2000作為數(shù)據(jù)庫軟件，利用LabVIEW中的ActiveX功能插件，建立應用界面與數(shù)據(jù)庫互訪接口。

遠程監(jiān)控模塊用以實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡化監(jiān)控功能，本系統(tǒng)中利用LabVIEW軟件具備的遠程功能，通過Datasocket技術以C/S和B/S兩種模式可為用戶端提供數(shù)據(jù)傳輸，從而方便遠程專家系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和診斷分析。

歷史報表功能，可以方便快速地制作出自定義內容的歷史報表。本模塊中將水電機組各次試驗的采集數(shù)據(jù)、試驗結果分析及其評價以文字、圖表、數(shù)據(jù)表格的方式自動生成HTML格式的文檔，方便后期的查閱和管理。

用戶管理模塊設置了不同的用戶等級的操作權限，方便系統(tǒng)的開發(fā)、管理和使用。

3 實驗平臺應用效果

基于虛擬儀器技術的水電機組實驗平臺，將實驗數(shù)據(jù)通過采集卡輸入計算機，充分利用計算機技術，一方面可以節(jié)約硬件資源，另一方面可以通過計算機來進行后期的數(shù)據(jù)處理和分析。引入虛擬儀器技術，將實物操作和虛擬實驗平臺結合起來，使實驗教學內容的更新更易于實現(xiàn)。在此平臺中，可以直觀顯示水電機組的各項參數(shù)、曲線，減少學生在實驗數(shù)據(jù)記錄處理上的時間花費，改善了實驗條件，提高了實驗效率，教學效果明顯。該實驗平臺測試精度高，功能拓展性好，方式靈活，可應用于多種型號水電機組，可以根據(jù)實驗教學及科研的實際需求開發(fā)新的測試項目。為實驗教學中下一步進行設計性、綜合性實驗提供了更為便捷的基礎。開發(fā)和利用虛擬儀器系統(tǒng)已經(jīng)成為高校進行實驗室建設，改革實驗教學的一個新的發(fā)展方向[6]。

1）融合專業(yè)知識，增強學生的綜合實踐能力

通過對該實驗平臺的建設，將虛擬儀器技術應用于專業(yè)課程實驗教學中，不僅使學生學會應用虛擬儀器軟件進行編程，而且將多門專業(yè)課程的內容有機整合，加強了不同的專業(yè)課理論知識間的聯(lián)系，使學生更加容易理解本專業(yè)的課程內涵，鍛煉了學生的綜合實踐能力。

2）調動了學生的學習積極性，發(fā)揮了主觀能動性

虛擬儀器實驗平臺所采用的開放式結構，使實驗內容和方式靈活多樣，給學生留下很大的創(chuàng)造空間，從而激發(fā)了學生的求知欲，學生可以按照自己的思路和想法進行發(fā)揮，提高了學習興趣，發(fā)揮了學生的主觀能動性[7]。

3）培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識

本實驗平臺與傳統(tǒng)的實驗方法有很大差別,可實現(xiàn)由學生自己設計實驗方案編寫應用程序，獨立完成各項設計任務，將學習的主動權交給學生,使學生成為專業(yè)課實驗的主體。綜合性、設計性實驗使學生動腦和動手有機地結合起來,培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識[8]。

4 結語

近幾年，熱能與動力工程實驗室完成了兩項中省共建項目，實驗室的軟、硬件建設均得到了較大改善，本專業(yè)被評為國家級特色專業(yè)，依托本實驗室成立了陜西省水力機械及其控制工程技術研究中心，提升了教學科研水平。實驗室給學生提供了施展自己創(chuàng)造能力的空間,激發(fā)了學生的積極性和主動性,提高了學生工程設計的能力和處理實際問題的能力，為應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供了基礎。

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