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LabVIEW在水電廠發電機組狀態監測上的應用

LabVIEW在水電廠發電機組狀態監測上的應用

2009/2/4 14:32:00

【摘要】LabVIEW結合了簡單易用的圖形式開發環境與強大的G(圖形化)編程語言,與測量緊密結合,能讓工程師與科學家們迅速開發出有關數據采集、分析及顯示的解決方案。本文簡單介紹了LabVIEW在水電廠發電機組狀態監測系統中的應用。
【關鍵詞】 LabVIEW 水電廠電機組  狀態監測  在線  虛擬儀器

       隨著水輪發電機組單機容量的不斷增長,對機組的檢修、維修、運行、管理提出了更高的要求。一旦發生事故,輕則影響機組的正常運行,重則造成水輪發電機組損壞,甚至影響電網的安全和穩定。目前國內大中型水電廠基本實現“無人值班,少人值守”的管理模式,因此加強水電廠發電機組的在線狀態監測,進行機組故障及時預測預報,對于大中型水電廠發電機組安全運行具有重要的意義。反映水電廠發電機組運行狀態的主要參數有溫度、振動、擺度、定轉子電流、電壓等。溫度和電量的監測一般由計算機監控系統提供,而功能較為完善的在線狀態監測系統卻很少。近年來,國外以PC微機為基礎,應用傳感器對機組的狀態進行監測分析的系統相繼面世,而國內也有不少單位開始研究開發機組狀態監測系統。我們借鑒國內外相關產品的經驗,以工業PC機為主體,以美國國家儀器公司的虛擬儀器開發平臺LabVIEW為軟件開發平臺,以信號處理分析軟件為核心, 研制開發了水電廠的狀態在線監測分析系統。

1、LabVIEW簡介
       LabVIEW是美國NI (National Instrument)公司推出的一個圖形化軟件,是世界上目前最優秀的虛擬儀器軟件開發平臺。LabVIEW又叫圖形語言(G語言),被譽為“科學家和工程師”的語言,它為不熟悉文本式語言編程的人們在開發虛擬儀器時提供了一個較為便捷、輕松的圖形化設計環境。其最大的優勢是在于測控系統的開發,因為它不僅提供了幾乎所有經典的信號處理函數和大量現代的高級信號分析工具,而且LabVIEW程序還非常容易和各種數據采集硬件集成,可以和多種主流的工業現場總線通訊以及與大多數通用標準的實時數據庫鏈接。設計者利用LabVIEW可以像搭積木一樣,輕松組建一個測量系統以及構造自己的儀器面板,而無需進行仟何繁瑣的程序代碼的編寫。也就是說,用戶只要熟悉測量系統的基本原理,掌握數字信號處理的基本知識,就能利用LabVIEW的豐富功能完成過去力所不及的各種復雜的在線測量和數據分析。
        虛擬儀器的功能是隨著計算機技術的發展而發展。它將傳統儀器由硬件電路實現的數據分析處理與顯示功能,改由功能強大的計算機來執行;并配置以獲取調理信號為主要目的I/O接口設備(如數據采集卡DAQ等);在編制不同測量功能的軟件對采集來得信號數據進行分析處理及顯示。可見,當硬件平臺計算機和I/O接口設備確定后,根據不同的測量原理,編制不同的軟件就可以實現不同的測量功能,即軟件是整個儀器的關鍵,所以有“軟件就是儀器”的說法。從另外一個角度來看,就是用戶需要什么樣的儀器,就自己可在軟件平臺上“制造”什么樣的儀器。這樣,用戶不必購買多臺不同功能的新儀器,也不必購買價格昂貴的集多種功能于一身的傳統儀器,更不必不斷地購買新的儀器。甚至有人說虛擬儀器就是可以一個拎著的實驗室。

2、系統的結構與特點
       系統采用了新的層次概念,將整個系統分為監測(保護)系統、分析系統和網絡發布系統三個子系統。各個層次子系統之間相互獨立又相互輔助,形成了一個鮮明的體系結構。
2.1 系統結構開放,可擴展性強
       當用戶需要增加測點,只要增加相應的底層峰值檢測模塊和A/D卡,就可接入系統。工控軟件用NI LABWIE工具生成,具有良好的柔韌性。
2.2 監測(保護)系統
       獨立的監測(保護)系統,由傳感器系統和監控器系統(包括NI采集卡、NI模擬量輸出卡、NI開關量輸出卡及其它硬件)組成。獨立完成基本的峰峰值監測功能,從而大大降低了監測(保護)系統的成本。監控器系統將模擬量(4~20 mA)和開關量報警信號輸出到機組LCU,不依賴于上層分析系統。
2.3 分析系統
        獨立的分析系統,采用世界著名的美國國家儀器公司(NI)的高效能采集卡和開放式專業軟件開發平臺(LabVIEW專業開發包),利用軟件平臺提供的豐富的高效分析庫,在軟件平臺上快速搭建而成的。此平臺是一種圖形化、搭積木式的開發方式,由于頻譜分析、數字濾波、小波變換等功能均作為一種控件的形式提供,所以,現場工程師無須學習復雜的數字信號處理和數學理論,同樣可以參與進一步的系統開發,不斷地將自己的實踐經驗融入到系統中去。
2.4 網絡發布系統
       獨立的網絡發布系統,利用NI公司的LabVIEW專業開發包提供的網絡發布功能將分析系統的數據和分析結果在工廠現有的網絡和將來組建的網絡上發布,并可建立網絡共享的數據庫。另外,系統還提供了RS232串口和RS485網絡接口和驅動模塊,為未來系統多種網絡的接入提供了解決方案。

3軟件特點
3.1 虛擬分析儀器
        NI LabVIEW開發平臺提供了豐富的虛擬分析儀器庫,囊括了各種各樣的數學模型和算法,包括頻譜分析(FFT)、數字濾波、小波變換、開窗功能等等,僅僅通過鼠標的點擊和拖動來完成過去復雜的數字信號處理和數學計算。
3.2 網絡發布
       通過網絡發布程序包可以將測量數據和分析結果在網絡上發布,為應用程序系統的網絡可視化提供有力的技術支持。
3.3 二次開發
        NI LabVIEW開發平臺是一種開放式的平臺系統,用戶可以根據自己的需要對標準的虛擬儀器庫進行修改和擴充。因此,此開發平臺可適用于各種應用場合的功能擴充。應用軟件在NI LabVIEW圖形界面開發系統下生成,NI LabVIEW直觀的流程圖編程風格使得工程師們可以快速創建符合自己特定要求的應用程序,不管他以往有沒有過編程經驗。NI LabVIEW正是這樣一個革命性的工具,它為工程師們提供的幫助就好像電子表格(EXCEL)軟件簡化財務會計們繁重的工作量一樣。而且,與硬件設備的緊密集成使它更簡單地實現測量和控制自動化,同時能充分利用工業控制計算機的分析、顯示和網絡連接功能。隨著測量和控制應用領域對系統性能和靈活性要求的不斷提高,軟件的設計功能也日漸重要。NI LabVIEW6.0擁有其最佳性能,可以使企業大大縮短開發時間并提高每個工程師的工作效率。配備了這樣強有力的武器,使得工程師們可以專注于他們應用系統的開發而非花大量的時間去迎合操作系統的升級或網絡的轉移等變化,從而實現工程資源的有效利用。用戶專業技術人員使用NI LABVIEW工具,只需具備數字信號處理基本知識,無需編寫復雜的數學計算程序就可重新構建軟件系統,使系統更適應現場要求,并可不斷升級。由于美國國家儀器公司(NI)的NI LabVIEW開發平臺已經成為一種國際標準的平臺,世界各大生產廠商都為自己的采集設備提供NI LabVIEW驅動程序。所以,使用NI LabVIEW開發平臺相當于擁有了一個世界級的生產工廠。
       NI LabVIEW開發平臺提供了豐富的虛擬儀器(VI Library)庫,為應用系統提供了搭積木式的開發環境。應用系統需要的每一種功能都是一種虛擬儀器,相當于一塊磚或一個預制件,應用系統則是用這樣的磚或預制件建造起來的雄偉建筑。
3.4 分析系統的新特點
       除了常規的表格、棒圖、數字濾波、頻譜分析、趨勢分析、軸心軌跡、階比分析和故障分析等功能之外,系統還增加了一些新的分析特性。
 抗干擾
高頻干擾:系統采用模擬濾波和數字濾波可以有效地控制信號的通頻帶,剔除信號中無用的高頻成分,使分析系統可以對真實的振動和擺度信號進行分析。
共模干擾:系統通過差分輸入和軟件差分的方法有效地抑制了共模干擾。由于傳感器安裝分散和傳輸距離遠,即便使用屏蔽信號電纜,外界寬帶噪聲無可避免地通過探頭和傳輸電纜耦合到系統中來,用常規的模擬濾波和數字濾波是無法有效地抑制通頻帶內的干擾信號。而這類干擾信號的特點是信號線上與信號地線上的干擾成分相同,所以通過差分輸入和軟件差分的方法可以有效地抑制共模干擾。
 角譜分析
分析系統可選擇外部脈沖觸發的方式來實現等間隔采樣,使采樣與轉動頻率無關,而只與角度有關,即大軸不論以什么速度旋轉,旋轉一周的采樣數都是相同的。引入此概念為啟、停機過程中的振動分析提供了可靠的保證。
 映射曲線
分析系統為用戶提供了靈活的數據映射功能,用戶可以任意指定參數的映射關系,顯示、存儲和打印這些參數的映射曲線,為人工對照分析提供方便。例如,不同的負荷、不同的導葉開度、不同的水頭、不同的尾水位一個點或多個點的振動/擺度的映射關系。
 數據庫功能(按工況自動數據管理)
分析系統為用戶提供靈活的影射功能的同時,還建立了特征數據庫和各種實時數據庫,提供了自動數據管理功能,自動按工況分類存儲特征數據,便于工況趨勢數據的積累和分析,為預測檢修和綜合狀態檢修數據庫的建立提供有力的基礎。
 錄波
由于采用高效能的數據采集卡,分析<

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