韓玉仲 焦衛(wèi)強(qiáng) 中國(guó)建筑科學(xué)研究院宋立軍 中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心

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基于虛擬儀器的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

韓玉仲 焦衛(wèi)強(qiáng) 中國(guó)建筑科學(xué)研究院
宋立軍 中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心

【文章摘要】

【關(guān)鍵詞】

水電站；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；虛擬儀器

引言

在我國(guó)的電力工業(yè)發(fā)展中一直將水力發(fā)電作為一項(xiàng)重要內(nèi)容，這是由于水力資源是一種可再生資源、清潔資源，水力發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染和影響較少，而且供電質(zhì)量較好。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程中，水電站應(yīng)該不斷提高供電的質(zhì)量和可靠性，這就需要積極開(kāi)發(fā)基于虛擬儀器的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.虛擬儀器技術(shù)

以計(jì)算機(jī)數(shù)字化測(cè)量測(cè)試儀器系統(tǒng)為基礎(chǔ)的虛擬儀器，能夠運(yùn)用軟件平臺(tái)構(gòu)建可視化界面，與真實(shí)儀器的界面類(lèi)似。底層硬件主要由軟件控件進(jìn)行控制，軟件具有強(qiáng)大的功能，能夠采集和分析處理信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。虛擬儀器技術(shù)是一種非常先進(jìn)的技術(shù)，使用軟件來(lái)對(duì)儀器中的硬件進(jìn)行替代，對(duì)儀器的各項(xiàng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。儀器的功能可以根據(jù)用戶的個(gè)性化需要進(jìn)行定義。用戶只需更新相關(guān)軟件，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器的功能擴(kuò)展和性能改進(jìn)，這樣一來(lái)可以節(jié)約大量的購(gòu)買(mǎi)新的儀器的資金。與此同時(shí)，與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合是虛擬儀器技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)儀器的單一功能得到了極大的突破，使儀器的功能更加多樣化，經(jīng)濟(jì)效益得到顯著的提高。

對(duì)虛擬儀器進(jìn)行開(kāi)發(fā)的主要工具是Labview，Labview是一種開(kāi)放式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)效率高、直觀性強(qiáng)、簡(jiǎn)單實(shí)用，其中的Activex、 DDE、 DLL等編程語(yǔ)言接口都具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，而且其具有通信模型，網(wǎng)絡(luò)通信功能較強(qiáng)［1］。

2.基于虛擬儀器的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾個(gè)功能：①能夠監(jiān)測(cè)水電站的運(yùn)行參數(shù)，例如機(jī)組的無(wú)功功率、有功功率、電流、定轉(zhuǎn)子電壓、擺度、振動(dòng)、溫度、流量、轉(zhuǎn)速、開(kāi)度等。然后使用圖表和數(shù)值來(lái)表示參數(shù)檢測(cè)結(jié)果。與此同時(shí)還可以存儲(chǔ)和回放測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)開(kāi)關(guān)命令進(jìn)行調(diào)整。②對(duì)檢測(cè)所得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的異常情況進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的控制，對(duì)整個(gè)事件過(guò)程進(jìn)行記錄。③對(duì)早期的故障征兆進(jìn)行及時(shí)的捕捉，并以歷史記錄和發(fā)展趨勢(shì)為依據(jù)，開(kāi)展故障分析，進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)報(bào)和故障診斷。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可以將水電站內(nèi)需要控制的輸入信號(hào)分為開(kāi)關(guān)量和模擬量?jī)蓚€(gè)部分，信息采集和錄入主要通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的Labview數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠分析和處理相應(yīng)的信號(hào)，并對(duì)開(kāi)關(guān)量命令進(jìn)行控制，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在相關(guān)的元器件和設(shè)備中輸入數(shù)據(jù)。與此同時(shí)以Labview為基礎(chǔ)的結(jié)果輸出與顯示系統(tǒng)，能夠?qū)μ幚斫Y(jié)果進(jìn)行輸出和顯示。通過(guò)人機(jī)交互，操作人員能夠獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)輸入進(jìn)行控制。Labview開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件模塊和數(shù)據(jù)采集硬件共同組成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，Labview開(kāi)發(fā)的軟件模塊和結(jié)果輸出與顯示系統(tǒng)共同組成的數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)。信號(hào)的輸入和輸出主要依靠硬件，而系統(tǒng)的主體為軟件［2］。

2.3設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成了硬件系統(tǒng)，主控單元為計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則包括數(shù)據(jù)采集軟件模塊和數(shù)據(jù)采集一點(diǎn)系統(tǒng)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，如果使用計(jì)算機(jī)來(lái)構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、分析和運(yùn)算往往需要配備專(zhuān)門(mén)的智能儀器，如果需要變更功能或者改進(jìn)系統(tǒng)的性能，還需購(gòu)置昂貴的儀器。以虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠使用變送器對(duì)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，能夠?qū)χ悄軆x器的硬件實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過(guò)硬件系統(tǒng)的各接口，能夠?qū)⑤o機(jī)設(shè)備和自動(dòng)化元器件的開(kāi)關(guān)量，以及輔機(jī)設(shè)備的模擬量等數(shù)據(jù)采入計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)的軟件和硬件具有良好的統(tǒng)一性和兼容性，通過(guò)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)的接口，也能夠輸出控制開(kāi)關(guān)量。

2.4設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)

軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)傳統(tǒng)儀器中的一些硬件功能進(jìn)行取代，如果由于功能擴(kuò)展和系統(tǒng)改進(jìn)的需要，水電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要進(jìn)行更新，也只需更新相關(guān)軟件。

圖1　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4.1軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用模塊化結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)共包括，8個(gè)功能模塊，分別為輔助系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、故障報(bào)警系統(tǒng)、文件管理系統(tǒng)、控制輸入系統(tǒng)、結(jié)果輸出系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)置系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖1。

2.4.2設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能

虛擬儀器程序（VΙ）指的是用LabVΙEW編制的程序，其特點(diǎn)為模塊化和層次化，主要包括連接器/圖標(biāo)、程序框圖，和前面板。人機(jī)交互的用戶接口是前面板，其代替了儀器的操作面板，操作面板中的控制窗口、旋鈕、按鈕、開(kāi)關(guān)等輸入控件在前面板中也同樣存在，能夠進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)控制，并發(fā)揮了顯示面板的作用，能夠?qū)?shù)值、圖表和圖形進(jìn)行顯示，并輸出信號(hào)。人機(jī)交互主要是通過(guò)前面板來(lái)實(shí)現(xiàn)的通過(guò)圖形編程語(yǔ)言，能夠在后臺(tái)編制框圖程序，主要包括連線、圖框、端口和節(jié)點(diǎn)［3］。

基于虛擬儀器的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊，包括以下幾個(gè)方面：①數(shù)據(jù)采集，將計(jì)算機(jī)和測(cè)試信號(hào)連接起來(lái)，在計(jì)算機(jī)中輸入測(cè)試信號(hào)，可以積極利用Labview的數(shù)據(jù)采集接口函數(shù)來(lái)采集信號(hào)。對(duì)各數(shù)據(jù)通道的信號(hào)連接方式、采樣率、增益、量程，都可以進(jìn)行設(shè)置，并生成數(shù)據(jù)采集程序，滿足水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集要求。②系統(tǒng)設(shè)置，主要包括三級(jí)權(quán)限，分別為用戶管理設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與修改、用戶管理，三級(jí)權(quán)限管理與密碼相結(jié)合能夠最大限度的保障計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的安全。③輸出結(jié)果，主要包括打印和屏幕顯示，輸出結(jié)果的形式包括圖形、文本、表格、波形和數(shù)值。④文件管理，主要包括工作日志數(shù)據(jù)管理和測(cè)量值數(shù)據(jù)管理。⑤控制輸出，對(duì)設(shè)備的控制主要通過(guò)輸出控制開(kāi)關(guān)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，將相應(yīng)的中間繼電器啟動(dòng)就能夠進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備動(dòng)作。⑥故障報(bào)警，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，就要顯示故障信息，啟動(dòng)指示燈和蜂鳴器的動(dòng)作。

3.結(jié)語(yǔ)

基于虛擬儀器的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)鹘y(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行突破，其具有良好的開(kāi)放性、統(tǒng)一性、軟硬件兼容性，用戶可以對(duì)計(jì)算機(jī)的軟件、硬件和平臺(tái)進(jìn)行自由的定義和組合，并根據(jù)水電站發(fā)展的實(shí)際需要對(duì)模塊進(jìn)行增添、擴(kuò)展和升級(jí)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 何倩.應(yīng)懷樵:做中國(guó)原創(chuàng)的“虛擬儀器”［J］.科學(xué)新聞.2011（11）

［2］ 徐軍.虛擬儀器在計(jì)量測(cè)試中的應(yīng)用［J］.信息系統(tǒng)工程.2013（01）

［3］ 劉璇，賈靜. 2013全國(guó)虛擬儀器大賽實(shí)體培訓(xùn)（北京站）成功舉辦［J］.電子測(cè)量技術(shù).2013（01）

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有利于提高水電站的工作效率，并對(duì)水電站運(yùn)行過(guò)程中的潛在問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，最大限度的避免事故的發(fā)生。本文簡(jiǎn)要介紹了虛擬儀器技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，供相關(guān)人員參考借鑒。