基于labview水力机组运行实时监测系统_毕业设计(编辑修改稿)

基于labview水力机组运行实时监测系统_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

站发电生产过程属于工业过程，所以其计算机控制系统的工作环境相对没有那么完善，而且是处于不同程度的高温、潮湿、粉尘、振动、腐蚀、磁场等诸多不利的条件之下，所以水电站所需要的计算机监控系统必须可以适应现场的环境，而且在恶劣的环境之下可以正常的运行工作。 除此之外，计算机监控系统还要具备与过程设备连接的良好借口，可以适应构成使用硬件系统的需要。 水电站的地理位置特殊，自然条件和电力系统的结构的不同可能会告知不同水电站具有很大的差异。 所以，计算机系统也需要能够做到在改变少量的软、 硬件之后可以适应不同水电站的开发应用，做到一个成熟计算机监控系统的要求，为用户或者设计者省去较多的麻烦，节约资金开发，缩短头晕的周期。 （ 4）人机联系要求完善 发电生产的过程需要及时有效的进行参数监视、运行操作、系统组态和异常情况下的故障诊断和处理，而且需要随时接受运行人员的各种运行工作命令，还要做到人机联系的方式比较简单、只管、明确、方便、快捷、规范、安全。 这都是需要计算机监控系统必须具有完善的人机接口和人机界面。 这些都需要完善的硬件配置和相应的软件支持才能做到。 计算机监控系统的要求会根据电厂设 备和对象不同随之表现出不同，所以系 10 统应具备实现其基本功能，系统结构以满足基本功能要求为前提，全力做到简单实用。 （ 5）软件配备要求齐全 计算机监控系统开发厂商需要根据实际的过程控制的需要配套提供给用户丰富的软件，以此来使得计算机控制系统具备驱动计算机系统各组成部分正常运转和完善的实时操作系统、数据库管理系统、文件管理系统等，满足生产过程所需要用到的控制的需要。 用户也需要在系统选型时高度重视，且关注应用软件的开发和完善。 （ 6）良好的抗干扰和防震性能 水电站一般都是处于有强电磁场 干扰的冮环境之下，其计算机监控系统亦然，而且水电站整个的厂房的中控室和计算机均有明显的机械振动，机械传感等。 所处的环境温度较高，这些都对计算机系统附加了另外的要求。 为了避免疏忽所带来的严重后果，系统的装置技术也必须妥善的进行处理。 监控系统的主要设计任务 监控系统的系统结构设计 计算机监控系统结构模式的划分主要是根据其控制方式或者布局来加以区别的。 一个水电站的装机容量和机组太熟、电站在电力系统中的地位、计算机在电站自动化中的功能等都会影响到计算机监控系统的整个布局。 一、集中式计算 机监控系统 这种模式的监控系统的结构主要是由一台计算机来承担整个水电站的所有监控任务，比较依赖于一台计算机，可靠性比较差。 一般是将采集到的数据全部集中到计算机来进行分析和处理，然后更具计算机计算和处理的结果来传送到各测控点进行控制和调节。 集中式监控系统的发展历程如下 （ 1） 单计算机系统 （ 2） 双计算机系统 （ 3） 双主计算机带双前置计算机系统 （ 4） 以数据库为核心的多计算机系统 以上也是通常会采用的计算机系统配置。 二、分散式处理计算机监控系统 11 这种的监控系统是新一代的继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表等之后的 控制系统。 其具体是强调了水电站生产设备的地理位置和控制系统的功能所具有的的“分散”性。 它是一种能对水电站机组运行进行集中式的监视和管理，控制功能分离，物理位置分散，依靠微型计算机，利用数据通信模块懂得功能将所有的信息全部相连的新型的自动控制系统。 分散式控制系统的热点是控制比较分散但是管理比较集中，而且功能比较全面，计算机的算法很多样，可以做到自治性和协调性兼顾，先进性和继承性兼顾，还比较灵活可靠，适应性也很好，扩展范围广，人机界面友好。 三、分布式计算机监控系统 由于 20世纪 80年代的时候，新开发 的计算机处理器的性能价格比非常的高，但是绝对的性能不够完善，没有用来完成大型计算机所具有的一些功能。 所以当时的人们把硬件和相应的软件都使之在大量重复的大规模的集成电路芯片中分布出来，来构成一个新兴的计算机系统。 这就是分布式计算机控制系统发展初期的基本思想。 分布式计算机系统的优点在于它具有多个分布的资源，即计算机硬件、外部的设备、程序和数据库。 这些资源都是独立的但是却又相互作用，可以独立万层其自身的功能任务，也可以一起搭配协调完成一些列任务。 但是该系统要求的操作系统非常高级，要对整个系统进行统一的控制和管理 ，然后按部就班的完成所需要的任务，所以这种系统也就有了非常统一的操作系统，而且系统中的个资源运行之间没有主从关系，不存在层次控制。 四、分层控制系统 分层控制系统的意义在于可以把整个水电站的控制系统分成几个相应的不同层次来进行逐一控制，电厂的层次大致可分为梯级调度层、厂站监控层、机组操作层、辐设控制层等，这其中梯级调度只适用于梯级的电厂。 综上所述： 以上所有的水电监控系统而言，中小型的水电站在电力系统中的地位相对较低，作用相对比较弱，而且生产的过程也比较的单一，设备层次比较低。 综合考虑之下，计算机 系统结构“分布”，系统控制理论“分层”的综合性监控系统，在可靠性、灵活性和投资少的前提下，性价比比较高，所以中小型水电站系统结 12 构首选分层分布式监控系统非常的好。 由于分层分布式监控系统的优点比较突出，它已取代了其他类型的监控系统。 水电站的电厂的分层控制 本文主要是讲述中小型水电站采用的分层分布式控制系统。 水电厂是处于在庞大的电力系统中的基层工作，这是电力系统的分层控制。 每个水电厂的本身也是可以分为几个不同的层次： 电厂控制层、机组控制层、功能控制层、现场设备驱动层。 电厂控制层 属于厂级计算机系统，机组层以下的都是现地层或者现地单元。 具体如图 ： 自 水 电厂控制层 厂级计算机系统 动 电 厂 化 的 机组控制层 监 复 控 系 功能控制层 杂 统 现地层（现地单元） 分 程 层 现场设备驱动层 度 图 水电厂分层 （ 1） 电厂控制层 这个水电厂控制系统的最高层“领导” ,整个水电系统的机组 运行、管理、发电等都是由这层来协调、控制，也把电厂信息，监控数据等与电网监控层进行传递和联络。 （ 2） 机组控制层 机组控制层通过现在单元的 I/O装置等自动化的装备来对发电机组的启停、工况的转换等进行直接的控制，并且将运行信息数据进行采集处理。 13 （ 3） 功能控制层 功能控制层不由监控系统承担，而是由另外专门设置的装置完成历次调节、调速、继电保护、水利机械保护、事故录波等功能任务 [5]，它与监控系统之间的联系仅仅依靠简单的信息转换来完成。 （ 4） 现场设备驱动层 水电站厂房中现场的机械、电器设备（水泵、阀门、开关等）和现场的驱动设备 （电机、电磁阀、电磁驱动机构等）都是由这一层来进行放大控制，而不是通过计算机监控系统直接驱动。 14 第 3 章 上位机软件的设计 水力机组运行实时监测系统的硬件结构如图 31 所示，主要包括传感器、信号调理装置和数据采集卡三部分。 其中，传感器的功能是将被测量的水力参数转化为相应的电信号，信号调理装置将输出的电信号进行放大、隔离、滤波等预处理，而数据采集卡将模拟信号转化为数字信号，送入计算机处理系统，实现数据的分析、处理、显示、存储等操作。 图 31 硬件结构图 虚拟仪器及 LabVIEW 概述 虚拟仪器技术 虚拟仪器（ Virtual Instrument， VI）的概念是美国国家仪器公司于 20 世纪 80 年代最早提出的，它是继第一代仪器（模拟式仪表）、第二代仪器（分立元件式仪表）、第三代仪器（数字式仪表）、第四代仪器（智能仪器）之后的新一代仪器 [28]，它引发了传统仪器领域的一场重大变革，使网络技术和计算机进入仪器领域，开创了“软件就是仪器”的先河。 虚拟仪器是指，在以通用计算机为核心的硬件平台上 ，用途由用户自己定义、 测试功能由测试软件实现的、具有虚拟面板的一种计算机仪器系统。 虚拟仪器可 以集成为自动控制系统；可自由构建成专用仪器系统；可代替传统的测量仪器， 如逻辑分析仪、示波器、频谱分析仪、信号发生器等，使得测量人员从繁杂的仪 器堆中解放出来。 任何形式的虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到台式 PC、工作站或笔记本电脑等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。 虚拟仪器通过软件将仪器硬件与计算机硬件资源有机地融合为一体，从而把仪器硬件的控 15 制、测量能力和计算机强大的计算处理能力结合在一起，大大缩小了 仪器硬件的成本和体积。 虚拟仪器与传统仪器的对比 相比于传统仪器，虚拟仪器具有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少、 完美的集成功能。 虚拟仪器与传统仪器的性能比较见表 41 所示。 表 31 虚拟仪器与传统仪器性能对比表 虚拟仪器 传统仪器 功能由用户定义 功能由厂家定义 与网络及其他外围设备连接方便 与其他设备连接受限 虚拟仪器 传统仪器 信号电缆少，采用虚拟旋钮，操作简单 信号电缆开关多，操作复杂 系统开放、灵活、可构成多种仪器 系统封闭，功能固定，扩展性低 系统开发时间短 系统开发时间长 数据可编辑、存储、打印 数据无法改变 关键技术是软件，升级维护方便 关键是硬件，由专业厂家升级 仪器间资源可重复利用，整体价格便宜 仪器间无法通用 ，整体价格较昂贵 开发与维护费用低 开发与维护费用高 软件技术更新快（周期为 1～ 2 年） 技术更新慢（周期为 5～ 10 年） 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。 （ 1）虚拟仪器的硬件结构 硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测信号的采集、传输、存储处理和输入/输出等工作，由计算机和 I/O 接口设备组成。 其硬件结构如图 41 所示。 ① 计算机 一般为一台 PC 或工作站，是硬 件平台的核心。 ② I/O 接口设备 16 I/O 接口设备即采集调理部件，包括 PC 总线的数据采集卡、 VXI 总线仪器模块、 GPIB 总线仪器、 LXI 总线仪器模块、 PXI 总线仪器模块、现场总线仪器模块和串口总线仪器模块等标准总线仪器，主要完成被测输入信号的采集、放大和模数转换。 （ 2）虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的关键技术是软件，通过运行计算机上的软件，一方面实现虚拟仪器的图形化仪器界面，给用户提供一个设置仪器参数、修改仪器操作、检验仪器通信和实现仪器功能的人机接口；另一方面 使计算机直接参与测量特征的分析与测试信号的产生，完成数据的输入、输出、存储及综合分析等功能。 虚拟仪器软件由 3 部分构成。 ① 输入 /输出（ I/O）接口软件 I/O 接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，它具有以下功能： a 对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作； b 为仪器驱动程序提供信息传递； c 是实现开放统一的虚拟仪器系统的核心和基础。 ② 仪器驱动程序 仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集，它是连接顶层应用软件和底层 I/O 软件的纽带与桥梁，每个仪器模块都有自己对应的仪器驱动程序，仪器生产厂家在提供仪器模块的同时也会提供仪器。