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(jì)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(jì)摘摘 要要 水電是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的綠色能源，水電生產(chǎn)具有開(kāi)停機(jī)方便、運(yùn)行費(fèi)用低，對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，合理充分地利用水電能源對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用，因此有效地對(duì)水力機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、分析、優(yōu)化，對(duì)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(guò) LabVIEM 的方法，開(kāi)發(fā)了一套水力機(jī)組運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)檢測(cè)、分析、計(jì)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(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)。該系統(tǒng)的硬件部分主要采用了美國(guó) NI 公司的產(chǎn)品，包括信號(hào)調(diào)理設(shè)備以與數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過(guò)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(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。第二部分：利用圖形化編程語(yǔ)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(shí)在線監(jiān)測(cè)、顯示、處理以與存儲(chǔ)，同時(shí)可根據(jù)水力機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算水輪機(jī)的運(yùn)行效率，并實(shí)時(shí)顯示，使工作人員隨時(shí)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(kāi)發(fā)了

3、水力機(jī)組運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)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(duì)整個(gè)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(kāi)發(fā)對(duì)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(cè)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(guó)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(jì)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(jì)中小型水電站

4、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jì)要求 82.3 監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)任務(wù) 102.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jì)上機(jī)位軟件的設(shè)計(jì) 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(duì)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(jiàn)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(shí)監(jiān)測(cè)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(kù)的訪問(wèn)技術(shù) 274.1.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái) 274.1.2LabVIEW 的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)方式 274.1.3LabSQL 工具包簡(jiǎn)介 284.1.4LabSQL 的安裝與配置 304.1.5LabVIEW 訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的流程 324.2 數(shù)據(jù)庫(kù)表單設(shè)計(jì) 334.3 數(shù)據(jù)庫(kù)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,電力需求迅猛增長(zhǎng),興建的水電站越來(lái)越多,其容量也越來(lái)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(cè)的量成千上萬(wàn),需要實(shí)現(xiàn)的控制功能也越來(lái)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(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)

7、運(yùn)行,需要進(jìn)行的計(jì)算更為復(fù)雜。以上這些復(fù)雜的工作使原來(lái)在水電站上廣泛使用的布線邏輯型自動(dòng)裝置越來(lái)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(shí),計(jì)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(jià)格日益下降,這為計(jì)算機(jī)監(jiān)控取代常規(guī)的布線邏輯型自動(dòng)裝置提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。 早在 20 世紀(jì) 70 年代,計(jì)算機(jī)已開(kāi)始應(yīng)用于水電站,起先用于各項(xiàng)離線計(jì)算和工況的監(jiān)測(cè),后來(lái),逐漸進(jìn)入到控制領(lǐng)域。它經(jīng)歷了一段從低級(jí)到高級(jí),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(cè)報(bào)、水工建筑物的監(jiān)控!航運(yùn)管理控制等各個(gè)方面,從監(jiān)控到實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,從個(gè)別電廠監(jiān)控到整

8、個(gè)梯級(jí)和流域監(jiān)控的發(fā)展過(guò)程。出現(xiàn)了一批用微機(jī)構(gòu)成的調(diào)速器、勵(lì)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(jì)發(fā)生了巨大的變化。巨大的模擬顯示屏正在逐漸被計(jì)算機(jī)顯示器所代替;常規(guī)操作盤(pán)基本上已被計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的值班員控制臺(tái)所取代;運(yùn)行人員的操作已從過(guò)去的扭把手、按開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)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(guò)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(cè)和控制調(diào)節(jié)工作都由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)去完成。運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大減輕,人數(shù)也大大減少,甚2 / 46至出現(xiàn)了“無(wú)人值班”(少人值守)的水電站。采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控已成了水電站主流。1.21.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外發(fā)展現(xiàn)

9、狀 從 20 世紀(jì) 70 年代起,計(jì)算機(jī)監(jiān)控在國(guó)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(jì)算機(jī)控制的水電站最初,由于計(jì)算機(jī)價(jià)格比較昂貴,全廠只用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)主要工況的監(jiān)視和操作,通常采用開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)控制后來(lái),隨著計(jì)算機(jī)性能改善和價(jià)格下降,出現(xiàn)了采用多臺(tái)計(jì)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(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。世界各國(guó)的發(fā)展是不平衡的,目前關(guān)于水電站實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控的情況還缺乏完整統(tǒng)計(jì)資料。就國(guó)家來(lái)說(shuō),美國(guó),法國(guó),日本和加拿大等國(guó)在這方面是比較領(lǐng)先的。 國(guó)外研制水電站計(jì)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(guó)的 ABB 公司!德國(guó)的西門(mén)子公司!、法國(guó)的 ALSToM 公司(原 CEGELEC 公司)、日本的日立公司和東芝公司、美國(guó)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(guó)水電站計(jì)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(dòng)化研究所(現(xiàn)改為電力自動(dòng)化研究院)、長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室(現(xiàn)改為長(zhǎng)江水利委員會(huì))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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)問(wèn)題隨后,中國(guó)水利水電科學(xué)院研究院(簡(jiǎn)稱水科院)自動(dòng)化研究所開(kāi)始了富春江水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作

11、。電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所(簡(jiǎn)稱天傳所)也開(kāi)始了永定河梯級(jí)水電站計(jì)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(shí),我國(guó)也引進(jìn)了一些國(guó)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(mén)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(jí)、溪口、寶興河梯級(jí)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(guó) 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(lái),國(guó)的研制單位也取得了很

12、大的成就。己投運(yùn)的幾十個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中絕大多數(shù)是由國(guó)單位研制的。技術(shù)水平也有了很大的提高,達(dá)到了國(guó)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(kù)、開(kāi)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(dòng)化研究院和水科院自動(dòng)化研究所還推出了自己的系列產(chǎn)品,不僅在國(guó)電站得到廣泛的應(yīng)用,甚至還出口到國(guó)外。 根據(jù)近年來(lái)的實(shí)踐,新建的大中型水電站已基本采用計(jì)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(jì)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(jì)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(guò)程大致

13、如下。1.以常規(guī)控制裝置為主、計(jì)算機(jī)為輔的監(jiān)控方式(Compute Aided Su Pervisory Control,簡(jiǎn)稱 CASC) 早期由于計(jì)算機(jī)價(jià)格比較昂貴,而且人們對(duì)它的可靠性不夠信任,因此,計(jì)算機(jī)只起監(jiān)視、記錄打印、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)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(lái)完成采用此方式時(shí),對(duì)計(jì)算機(jī)可靠性的要求不是很高,即使計(jì)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(shí)采用這種控制方式的理由是,根據(jù)巴西和巴拉圭的國(guó)情,認(rèn)為采用計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng),而水電站的控制仍由常規(guī)設(shè)備來(lái)完成。這樣,可以為將來(lái)可實(shí)現(xiàn)控制功能的系統(tǒng)作準(zhǔn)備,同時(shí)可以減少前期的投資。后來(lái),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(jì)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(dòng)化的一期工程(80 年4 / 46代上半期)。一期工程是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)不直接作用于生產(chǎn)過(guò)程的控制。這在當(dāng)時(shí)是適合的,后來(lái)也被更 新為能實(shí)現(xiàn)控制功能的比較完善的計(jì)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(duì)整個(gè)水電站自動(dòng)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(duì)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(dòng)化裝置,如自動(dòng)巡回檢測(cè)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(duì)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(guó)外也有不少這樣的例子。2.計(jì)算機(jī)與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控方式 Computer-ConventionalsuPervi so Control 簡(jiǎn)稱 CCSC) 隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的提高和價(jià)格的下降以與人們對(duì)計(jì)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(jì)算機(jī)直接參加控制,但對(duì)它還不是很放

16、心,所以出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與常規(guī)控制裝置雙重監(jiān)控的方式此時(shí),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(jì)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(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性仍有較大的顧慮,總覺(jué)得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沒(méi)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(lái)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作,需要一段適應(yīng)過(guò)程。（3）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)檢修時(shí),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(jì)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(duì)已運(yùn)行水電站的改造是有現(xiàn)實(shí)意義的。 國(guó)外采用這種方式的典型例子是美國(guó)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(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式(Computer-Baseds Supervisory Control 簡(jiǎn)稱CBSC)隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性

18、進(jìn)一步提高和價(jià)格的進(jìn)一步下降,出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。采用此方式時(shí),常規(guī)控制部分可以大大簡(jiǎn)化,平時(shí)都采用計(jì)算機(jī)控制。因此,對(duì)計(jì)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(lái)解決,保證系統(tǒng)某一單元或局部環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí),整個(gè)系統(tǒng)和電廠運(yùn)行還能繼續(xù)進(jìn)行。 采用此種方式時(shí),中控室僅設(shè)置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的值班員控制臺(tái),模擬屏已成為輔助監(jiān)控手段,可以簡(jiǎn)化甚至取消。 國(guó)外采用這種方式的典型例子是美國(guó)的大古力水電站(615oMw)。委瑞拉的古里水電站(10000MW)、法國(guó)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(guó)外水電站普遍采用

19、的計(jì)算機(jī)控制方式。4.取消常規(guī)設(shè)備的全計(jì)算機(jī)控制方式 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和水電站計(jì)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(jì)算機(jī)為唯一監(jiān)控設(shè)備的全計(jì)算機(jī)控制方式,實(shí)際上它是 CBSC 方式的延伸。此時(shí),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(dòng)操作盤(pán)。中控室還保留模擬顯示屏,但其信息取自計(jì)算機(jī)系統(tǒng),不考慮在機(jī)組控制單元(計(jì)算機(jī)型的)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行機(jī)旁的自動(dòng)操作。此時(shí),對(duì)計(jì)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(guó)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(lái)的水電站計(jì)算機(jī)控制方式的主

20、流。1.41.4 小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控現(xiàn)狀小型水電站計(jì)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(duì)小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究較6 / 46少,因此使得我國(guó)水電站自動(dòng)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(dòng)化水平目前還處于比較落后的狀態(tài)在小型水電站自動(dòng)化裝置的研究方面,與國(guó)外的先進(jìn)水平相比還有一段較大的差距。 針對(duì)小型水電站的特點(diǎn)而專門(mén)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(guó)電自動(dòng)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(hào)和 6 號(hào)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(jì)構(gòu)想是集調(diào)速、勵(lì)磁、順控、同期、

21、測(cè)量 5 個(gè)功能于一體,因此又稱為“五合一”裝置。經(jīng)一段時(shí)間的試運(yùn)行,甩 100%負(fù)荷試驗(yàn),從高井到下葦?shù)?5 號(hào)機(jī)的遠(yuǎn)方控制等情況來(lái)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(dòng)化控制,水利部亞太小水電中心和國(guó)家電力公司自動(dòng)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(dòng)化 XX 公司!自動(dòng)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(guó)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(jì)中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)程的基礎(chǔ)是開(kāi)發(fā)利用水能。具體是將水能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)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(guò)發(fā)電用水輪機(jī)，利用水的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生電。水電站中的水庫(kù)中就是具有了一定能量的水，這些水通過(guò)過(guò)流部件（引水管道和蝸殼）流入水輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)恩呢該，最后通過(guò)變電、送電設(shè)備將電能送到用戶。水電站的生產(chǎn)過(guò)程具體可以概括為四個(gè)部分,如圖 2.1 所示：圖 2.1 水電生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(shí)帶動(dòng)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(guò)程中最重要一個(gè)環(huán)節(jié)。（4）輸送電能。這是水電站生產(chǎn)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，就是水電站發(fā)生的電能經(jīng)過(guò)變電、配電、送到電力系統(tǒng)或用戶的過(guò)程。在這個(gè)環(huán)節(jié)中沒(méi)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(guò)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(guò)程相比，水電廠的生產(chǎn)過(guò)程要簡(jiǎn)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(jiǎn)便、自動(dòng)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(huì)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(duì)簡(jiǎn)單，所以也必須對(duì)水電站控制系統(tǒng)的自動(dòng)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(jì)要求水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求中小型水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的目的主要是實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)化、高效率的電力生產(chǎn)過(guò)程，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一個(gè)成熟的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)需要做到按照“無(wú)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(cuò)的設(shè)計(jì)。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(guò)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(jìng)爭(zhēng)的性價(jià)比。除了這些，水電站的計(jì)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(shí)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)了故障問(wèn)題，那么對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所應(yīng)有的。在給定的條件之下，計(jì)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(shí)間的長(zhǎng)短（平均故障間隔時(shí)間）可以用來(lái)衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性。一個(gè)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(shí)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(shí)間）也可以用來(lái)判定該計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備的優(yōu)良性。綜上所述，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的有效利用率可以表述如下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有效利用率=平均故障時(shí)間/（平均故障間隔時(shí)間+平均故障修復(fù)時(shí)間）如何提高和保證計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性也成為了基礎(chǔ)問(wèn)題，比如說(shuō)采用分散結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)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(gè)元件應(yīng)該不能造成關(guān)鍵性的故障等4。 （2）實(shí)時(shí)響應(yīng)性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成生產(chǎn)過(guò)程中所指定的任務(wù)時(shí)，必須具有一定的與時(shí)性，這就是實(shí)時(shí)響應(yīng)性，即實(shí)時(shí)性。水電站發(fā)電生產(chǎn)的過(guò)程對(duì)于計(jì)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(guò)程的十幾運(yùn)行速度相適應(yīng)，在其生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)的自身運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下，能夠與時(shí)的檢測(cè)出生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生的微弱變化并且進(jìn)行測(cè)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(shí)性。電廠控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，要求也非常的高，所

28、以計(jì)算機(jī)也必須有足夠高的時(shí)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(duì)時(shí)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(guò)程屬于工業(yè)過(guò)程，所以其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境相對(duì)沒(méi)有那么完善，而且是處于不同程度的高溫、潮濕、粉塵、振動(dòng)、腐蝕、磁場(chǎng)等諸多不利的條件之下，所以水電站所需要的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)必須可以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還要具備與過(guò)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(huì)告知不同水電站具有很大的差異。所以，計(jì)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(kāi)發(fā)應(yīng)用，做到一個(gè)成熟計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，為用戶或者設(shè)計(jì)者省去較多的麻煩，節(jié)約資金開(kāi)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(guò)程需要與時(shí)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(shí)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(jiǎn)單、只管、明確、方便、快捷、規(guī)、安全。這10 / 46都是需要計(jì)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求會(huì)根據(jù)電廠設(shè)備和對(duì)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(jiǎn)單實(shí)用。 （5）軟件配備要求齊全 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)廠商需要根據(jù)實(shí)際的過(guò)程控制的需要配套提供給用戶豐富的軟件，以此來(lái)使得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具備驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各組成部分正常運(yùn)轉(zhuǎn)和完善的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、文件管理系統(tǒng)等，滿足生產(chǎn)過(guò)程所需要用到的控制的需要。用戶也需要在系統(tǒng)選型時(shí)高度重視，且關(guān)注應(yīng)用軟件的開(kāi)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(chǎng)干擾的冮環(huán)境之下，其計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)亦然，而且水電站整個(gè)的廠房的中控室和計(jì)算機(jī)均有明顯的機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械傳感等。所處的環(huán)境溫度較高，這些都對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)附加了另外的要求。為了避免疏忽所

31、帶來(lái)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(jì)任務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)2.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)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(lái)加以區(qū)別的。一個(gè)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(jì)算機(jī)在電站自動(dòng)化中的功能等都會(huì)影響到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的整個(gè)布局。一、集中式計(jì)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(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)承擔(dān)整個(gè)水電站的所有監(jiān)控任務(wù)，比較依賴于一臺(tái)計(jì)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(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行分析和處理，然后更具計(jì)算機(jī)計(jì)算和處理的結(jié)果來(lái)傳送到各測(cè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)（2）雙計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（3）雙主計(jì)算機(jī)帶雙前置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11 / 46（4）以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 以上也是通常會(huì)采用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置。 二、分散式處理計(jì)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(dòng)儀表、氣動(dòng)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(duì)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(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 由于 20 世紀(jì) 80 年代的時(shí)候，新開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)處理器的性能價(jià)格比非常的高，但是絕對(duì)的性能不夠完善，沒(méi)有用來(lái)完成大型計(jì)算機(jī)所具有的一些功能。所以當(dāng)時(shí)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(lái)，來(lái)構(gòu)成一個(gè)新興的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這就是分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展初期的基本思想。分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它具有多個(gè)分布的資源，即計(jì)算機(jī)硬件、外部的設(shè)備、程序和數(shù)據(jù)庫(kù)。這些資源都是獨(dú)立的但是卻又相互作用，可以獨(dú)立萬(wàn)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(jí)，要對(duì)整個(gè)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(gè)資源運(yùn)行之間沒(méi)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(gè)水電站的控制系統(tǒng)分成幾個(gè)相應(yīng)的不同層次來(lái)進(jìn)行逐一控制，電廠的層次大致可分為梯級(jí)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(jí)調(diào)度只適用于梯級(jí)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(duì)12 / 46較低，作用相對(duì)比較弱，而且生產(chǎn)的過(guò)程也比較的單一，設(shè)備層次比較低。綜合考慮之下，計(jì)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(jià)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(gè)水電廠的本身也是可以分為幾個(gè)不同的層次：電廠控制層、機(jī)組控制層、功能控制層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。電廠控制層屬于廠級(jí)計(jì)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(jí)計(jì)算機(jī)系

36、統(tǒng) 動(dòng) 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(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層 度 圖 2.2 水電廠分層 （1）電廠控制層這個(gè)水電廠控制系統(tǒng)的最高層“領(lǐng)導(dǎo)”,整個(gè)水電系統(tǒng)的機(jī)組運(yùn)行、管理、發(fā)電等都是由這層來(lái)協(xié)調(diào)、控制，也把電廠信息，監(jiān)控?cái)?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(guò)現(xiàn)在單元的 I/O 裝置等自動(dòng)化的裝備來(lái)對(duì)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(mén)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(jiǎn)單的信息轉(zhuǎn)換來(lái)完成。（4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層水電站廠房中現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械、電器設(shè)備（水泵、閥門(mén)、開(kāi)關(guān)等）和現(xiàn)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備（電機(jī)、電磁閥、電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等）都是由這一層來(lái)進(jìn)行放大控制，而不是通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)。14 / 46第第 3 3 章章 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(guó)國(guó)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(chǎng)重大變革，使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)進(jìn)入儀器領(lǐng)域，開(kāi)創(chuàng)了“軟件就是儀器”的先河。 虛擬儀器是指，在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，用途由用戶自己定義、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的、具有虛擬面板的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器可以集成為自動(dòng)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(cè)量?jī)x器，如邏輯分析儀、示波器、頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器等，使得測(cè)量人員從繁雜的儀器堆中解放出來(lái)。任何形式的虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到臺(tái)式 PC、15 / 46工作站或筆記本電腦等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，再

39、加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。虛擬儀器通過(guò)軟件將儀器硬件與計(jì)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(cè)量能力和計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)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(duì)比虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對(duì)比 相比于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有四大優(yōu)勢(shì)：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)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(jiàn)表 3-1 所示。 表 3.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器性能對(duì)比表（下頁(yè)） 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(hào)電纜少，采用虛擬旋鈕，操作簡(jiǎn)

40、單 信號(hào)電纜開(kāi)關(guān)多，操作復(fù)雜 系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)時(shí)間短 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng) 數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印 數(shù)據(jù)無(wú)法改變 關(guān)鍵技術(shù)是軟件，升級(jí)維護(hù)方便 關(guān)鍵是硬件，由專業(yè)廠家升級(jí) 儀器間資源可重復(fù)利用，整體價(jià)格便宜 儀器間無(wú)法通用，整體價(jià)格較昂貴 開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低 開(kāi)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(cè)信號(hào)的采集、傳輸、存儲(chǔ)處理和輸入/輸出

41、等工作，由計(jì)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(jì)算機(jī) 一般為一臺(tái) PC 或工作站，是硬件平臺(tái)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(chǎng)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(cè)輸入信號(hào)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(guò)運(yùn)行計(jì)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(gè)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(jì)算機(jī)

42、直接參與測(cè)量特征的分析與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生，完成數(shù)據(jù)的輸入、輸出、存儲(chǔ)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(dòng)程序之間，它具有以下功能： a 對(duì)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(dòng)程序提供信息傳遞； c 是實(shí)現(xiàn)開(kāi)放統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。 儀器驅(qū)動(dòng)程序 儀器驅(qū)動(dòng)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(gè)儀器模塊都有自己對(duì)應(yīng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時(shí)也會(huì)提供儀器驅(qū)動(dòng)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(jì)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(chǔ)等的功能，應(yīng)用軟件具有良好的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，目前應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具主要有兩種類型： 文本式編程語(yǔ)言：如 Visual C+，Visual Basic，LabWindows/CVI 等。 圖形化編程語(yǔ)言：如 LabVIEW，HPVEE 等。VC、VB 具有簡(jiǎn)單易用、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但開(kāi)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(jiǎn)便易用的函數(shù)庫(kù)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(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它充分利用了計(jì)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(chǔ)等方面的限制。虛擬儀器具有如下特點(diǎn)： 1 強(qiáng)大的信號(hào)處理能力 通過(guò)適當(dāng)?shù)挠布Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)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(jì)算機(jī)的大量實(shí)用軟件工具對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種分析計(jì)算、處理和數(shù)字化、圖形化顯示，也可以將信號(hào)通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后控制

45、執(zhí)行器件的執(zhí)行動(dòng)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(guó)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(jí)器件的互操作，不適于寄存器級(jí)器件。1987 年新推出的 VXI 總線（或稱 IEEE1155 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口總線）具有通用性和開(kāi)放性，使任意廠家、各種類型儀器接口不會(huì)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(shí)，被認(rèn)為是虛擬儀器理想的硬件平臺(tái)。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(dòng)程序庫(kù)。 3 具有

46、開(kāi)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(kāi)發(fā)出具有相當(dāng)大柔性且易于維護(hù)管理和升級(jí)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(kāi)關(guān)按鈕、滑動(dòng)條，有顯示器顯示波形，有 LED 指示燈，有聲音和報(bào)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(jì)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(kù)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(jì)，用戶可以增、刪、移動(dòng)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(dòng)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(gè)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(jì)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(gè)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(kù)，通過(guò)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(tái)計(jì)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(tái)）是美國(guó) NI 公司（National Instrument Company）推出的一種基于 G 語(yǔ)言（Graphics Language，圖形化編程語(yǔ)言）的虛擬儀器軟件開(kāi)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(kù)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(yǔ)言，不僅在于它的界面設(shè)計(jì)方式，更重要的是它在編寫(xiě)程序代碼、

49、實(shí)現(xiàn)程序功能的時(shí)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(dòng)，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(guò)相互連接功能方框圖快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，甚至多個(gè)數(shù)據(jù)通道可同步運(yùn)行。LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具，即使是毫無(wú)計(jì)算機(jī)背景知識(shí)的學(xué)習(xí)者，也可以在短期掌握 LabVIEW 的編程方法。 在 LabVIEW 中開(kāi)發(fā)的程序都被稱為 VI，一個(gè) 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(kāi)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(duì)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(gè)程序前面板對(duì)應(yīng)一段程序框圖。框圖程序用 LabVIEW 圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，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(guò)程中的數(shù)據(jù)流，可以定義框圖中的數(shù)據(jù)流動(dòng)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(yǔ)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(gè) VI 作為子 VI 使用時(shí)，在程序框圖上會(huì)出現(xiàn)代表該子 VI 的圖標(biāo)，通過(guò)雙擊圖標(biāo)對(duì)子 VI 進(jìn)行編輯。在創(chuàng)建子 VI 時(shí)還需要?jiǎng)?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(yǔ)言中的參數(shù)列表，連接器從輸入端接收數(shù)據(jù)，通過(guò)前面板輸入控件傳送到框圖的程序代碼中，再?gòu)那懊姘屣@示控件中接收計(jì)算結(jié)果傳到輸出端。 LabVIEW 通過(guò)圖形符號(hào)描述程序行為，代替了復(fù)雜難懂的語(yǔ)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(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(jiǎn)單，不需要記憶編程語(yǔ)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(lái)指定各種功能，即可完成軟件編程。 具有開(kāi)放性、可擴(kuò)展性，升級(jí)維護(hù)方便。 具有自定義性，可在十分廣泛的測(cè)量控制應(yīng)用中定義芯片級(jí)硬件功能。21 / 46 具有較高的性價(jià)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(yǔ)言所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，使得它擁有越來(lái)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(jì)語(yǔ)言，可以預(yù)見(jiàn)，LabVI

53、EW 最終將會(huì)引發(fā)傳統(tǒng)儀器產(chǎn)業(yè)一場(chǎng)新的革命。水力機(jī)組運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hào)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(cè)量的水力參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理裝置將輸出的電信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)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(chǔ)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(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展特別是計(jì)算機(jī)間通信需求而新興的一種技術(shù)。簡(jiǎn)單地說(shuō),數(shù)據(jù)通信就是數(shù)字計(jì)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(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)編程邁出的巨大一步通過(guò)共享變量用戶可以在不同計(jì)算機(jī)上的 Vl 之間、本地不同 Vl 之間或同一個(gè)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(gè)變量而己,而變量具體與網(wǎng)絡(luò)中哪臺(tái)計(jì)算機(jī)中的哪個(gè)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(duì)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(kāi)發(fā)的一種 Datasoeket 技術(shù),大大簡(jiǎn)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(shí)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(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)出的字節(jié)流無(wú)差錯(cuò)的發(fā)往互聯(lián)網(wǎng)上的其他計(jì)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(shí)。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(duì)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(bào)協(xié)議,是一不無(wú)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(duì)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(tái)播送新聞,所有人都可以接收到這個(gè)廣播,而具體收不收聽(tīng)由個(gè)人自己決定而多點(diǎn)播送則是只向其中一個(gè)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(duì) 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(duì)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(guò)上述五種通信方式的比較,通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院途幊痰墓ぷ髁縼?lái)看,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(cè),

57、傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較好但是對(duì)于某些普通用戶無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作,只需要對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),比較而言通過(guò)遠(yuǎn)程 Vl 面板連接通信方式是比較理想,即可滿足用戶對(duì)機(jī)組的監(jiān)測(cè)也無(wú)需對(duì)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(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信模式。用戶可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理,通過(guò)廠光纖連接到數(shù)據(jù)服務(wù)器上,再通過(guò)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(duì)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(kāi)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(kāi)度、PID 調(diào)節(jié)器的輸出、狀態(tài)）無(wú)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(cè)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(cè)對(duì)象的各種參量（化學(xué)量、物理量、生物量等）通過(guò)各種各樣的傳感器件進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)冗^(guò)程送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或記錄的過(guò)程?？刂破?/p>

59、通常由計(jì)算機(jī)來(lái)承擔(dān)，計(jì)算機(jī)是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，它控制整個(gè)系統(tǒng)，并對(duì)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(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集卡（通常集成模擬多路開(kāi)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(shí)器） 、計(jì)算機(jī)與一些外設(shè)等組成。其中，傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因其產(chǎn)生的電信號(hào)一般不能直接輸入到 PC，所以必須經(jīng)過(guò)調(diào)理才能被數(shù)據(jù)采集設(shè)備可靠、精確地采集。信號(hào)調(diào)理將傳感器輸出的電信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可識(shí)別分析的數(shù)字信號(hào)。3.63.6 系統(tǒng)程序前面板系統(tǒng)程序前面板 本系統(tǒng)對(duì)某水電站其中的 13

60、號(hào)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(gè)選項(xiàng)卡控件，共包含 3 個(gè)選項(xiàng)卡，一個(gè)選項(xiàng)卡上對(duì)應(yīng)一臺(tái)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(shí)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(shì)；通過(guò)計(jì)算得到的水輪機(jī)效率和水