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基于虚拟仪器的水电厂状态监测系统 摘要 随着经济与社会的高速发展，我国大型机组不断投产，各种不同单机容量的机组 不断增多，如何对水力发电机组运行过程中的振动状态进行实时监测使机组稳定运 行，是我们所要面临的重要问题。 现阶段水轮发电机组状态监测大多数仍然采用以硬件为主体的传统测量仪器系 统，它是由厂家事先定义好并且固定不可变更的传统仪器来完成的。传统仪器有功能 固定，可扩展性和通用性差，开发周期长，维护费用亦高等不足。为了避免这些不足， 本文以l a b v i e w 为平台的虚拟仪器技术，开发了一套面向水力发电机组的、具有较为 完善的数据采集、信号分析、状态监测以及数据库管理功能的水力发电机组状态监测 系统。本论文首先分析了水力发电机组状态监测的意义，简要概述了水力发电机组状 态监测的概念、技术和发展趋势。通过回顾水力发电机组状态监测系统的构成、监测 方法、分类及演变，提出了构建状态监测系统所遇到的问题。针对提出的问题，结合 当前最具发展潜力的图形编程软件l a b v i e w 的特点及其强大的功能函数库，详细论述 了水力发电机组状态监测系统的中各个功能模块的实现。最后对全文进行了总结并对 今后状态监测系统的研究方向做了展望。 关键词：水力发电机组，状态监测，虚拟仪器，l a b v i e w ，数据采集，信号处理 c o n d m o nm o n 啪r i n gs y s t e mo fh y d r o p o w e r s i ：f 鲴【i o nb a s e do n r t u a i ，i n s t r u m e n t a b s t r a c t w i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y , t h el a r g e - s c a l eu n i tu n c e a s i n g l y p r o d u c e si no u rc o u n t r y , d i f f e r e n tk i n d so fs i n g l ec a p a c i t yu n i tu n c e a s i n g l yi n c r e a s e s i t w i l lb ea ni m p o r t a n tq u e s t i o nt ou sw h i c hh o wt om o n i t o rt h ev i b r a t i o no ft h eh y d r o p o w e r a n dm a d et h eu n i ts a f er u n n i n g t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go fh y d r o p o w e ru n i ts t i l lt a k et h eh a r d w a r ea st h em a i nb o d y o ft r a d i t i o nm e t e r i n gi n s t r u m e n t , t h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n tw h i c hd e f i n e da n d 丘x e db yt h e f a c t o r y t h et r a d i t i o n a li n s t n n n e n ts t i l lh a v es e v e r a ld i s t i n c ts h o r t a g e ss u c ha sf u n c t i o n 丘】【el , b a de x p a n s i b i l i t ya n dc o m m o n a b i l i t y , l o n gd e v e l o p i n gc y c l e h i g h c o s to f m a i n t e n a n c e t og e tr i do ft h e s es h o r t a g e s ，t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h el a b v i e ws o f to f v i r t u a li n s t r u m e n t ，d e v e l o pas e to fc o n d i t i o nm o n i t o r i n go fh y d r o p o w e ru n i t w h i c hh a s r e l a t i v e l yp r e f e c tf u n c t i o n si nd a t aa c q u i s i t i o n , s i g n a la n a l y s i s ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d d a t a b a s e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , f i r s ts t a r t sw i t hd e s c r i b i n gt h es i g n i f i c a n c ea n dt h ec o n c e p t i o n o fc o n d i t i o nm o n i t o r i n g , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fv i b r a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo f h y d r o p o w e ru n i t r e v i e wt h ec o n s t i t u t i o n , t h em e t h o d , t h ec l a s s i f i c a t i o na n dt h ee v o l u t i o n o ft h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gi nh y d r o p o w e ru n i t , t h e nt a k et h eq u e s t i o nw h e nw ef a c e di n f o u n d i n gt h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m t h e nc o n t r ap o s et h i sq u e s t i o n , c o m b i n e dw i t h t h em o s td e v e l o p m e n t g r a p hp r o g r a m m i n gs o f t l a b v i e wi n n o w a d a y s , u s e dt h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h el a r g ef u n c t i o nl i b r a r yi nt h es o f t , i n t r o d u c et h er e a l i z a t i o no f r e s p e c t i v ef u n c t i o nm o d u l e su n d e rl a b v i e we n v i r o n m e n ti nd e t a i l s l a s t l y ，t h ew h o l e p a p e ri ss u m r a a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r kt h a tc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mt ob e d e v e l o p e di sa l s op o i m c do u l k e yw o r d s ：h y d r o p o w e ru n i lc o n d i t i o nm o n i t o r i n g , v n t u a li n s t r u m e n t , l a b v i e w , d a t aa c q u i s i t i o n , s i g n a la n a l y s i s 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规 范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构 的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：痞红呻 觚m 剔神鹳：伊 签字嗍卅 解醐。哆 学位论文版权使用授权书 量 6 ， 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北 水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密 后应遵守此规定) 学位论文作者签名：杰勿叶导师签名： 签字日期：7 唧r 伽毯 擀濑- | j 5 ls 1 绪论 1 1 水电厂状态监测的意义 1 绪论 近几年，随着大、中、小型水电厂的建设，水电系统的状态监测工作已越来 越受到重视。其原因在于以下两方面：首先，水电厂电气设备的安全运行非常重 要，任何意外故障都可能造成重大事故，停电会带来巨大的经济损失，这在当前 竞争日趋激烈的环境下尤为显著，而设备本身是发电厂的贵重资产并消耗大量维 护费用，应用状态监测技术可以避免意外停机，最大限度缩短停机时间，减少维 护费用，延长机器寿命，它为最优使用机器提供了大量有价值的信息，有很大的 经济效益。其次，计算机技术、传感器技术、信号处理技术以及人工智能技术的 发展使得对电气设备实施有效的状态监测成为可能1 1 j 。因此，水电厂的状态监测 作为水电厂自动化进程中的一项重大革命，已愈来愈受到人们的重视。 水电厂最关键的设备就是水力发电机组，而对于水力发电机组来说，工作稳 定性是其工作性能中的重要指标，具体指以下一系列指标：机组工作水头和出力 的波动；水压力脉动、水流周期性冲击；机组支撑部分的振动；机组转子振摆； 调速系统的振荡：机组内部不正常的音响等【2 l o 这些稳定性问题，都是不同形式 的振动问题。随着运行时间的增长，其零部件必然磨损，再加上气蚀、泥沙磨蚀、 振动等破坏因素的作用，机组的运行性能势必下降，各种事故和故障也会相继发 生1 3 1 。所以水力发电机组的振动是一种非常有害的现象，它严重威胁着机组的供 电质量、机组的使用寿命和安全经济运行。水轮机组的振动，多是由于水力、电 磁、机械等因素耦合作用的结果，振动机理比较复杂，直观判断和简单的测试， 常常难以找到本质原因，有些故障与运行参数有关，出现的偶然性较大，数据不 易捕捉 水电厂状态监测系统的使用，可及时记录水轮机故障信息，捕捉偶然性大的 运行参数，分析产生振动的本质原因，避免突发性事故和控制渐发性故障的发生。 因此，对水力机组运行过程中的振动状态的实时监测和对机组状态的正确评估是 保证机组安全、经济运行的重要措施之一，也是实现水电生产企业的状态检修制 度的重要基础【4 l 。 华北水利水电学院工学硕士学位论文 1 2 水电厂状态监测的基本概念 状态监测可定义为一种监测机器运行特性的技术或过程，通过提取故障特征 信号( 故障先j 6 ) ，被监测特性的变化或趋势可用于在严重故障发生前预知维护 需要，或者评估机器的“健康”状况。水电厂状态监测主要是对水力发电机组整体 或局部在运行过程中的物理现象进行随机或定期检测，为状态监测提供切实依 据，以便合理安排维修，确保设备的安全经济运行。状态监测利用了整个设备或 者设备的某些重要部件的寿命特征，开发应用一些具有特殊用途的设备，并通过 数据采集以及数据分析来预测设备状态发展的趋势。状态监测是为基于状态的维 护或预知性维护服务的一种技术。在应用状态监测技术以前，一直采用基于时间 的维护策略。基于时间的维护根据检修时间表或运行时间离线检修设备，可以防 止许多故障，然而在检修间隔期内仍会发生意外故障。由于没有设备当前状态的 任何信息，维护活动的安排具有盲目性，浪费了大量人力、时间和金钱嘲。状态 监测的关键是在线监测技术，包括信息采集、数据处理与分析、处理意见与决策。 1 3 水电厂状态监测的项目 机组状态监测的项目直接影响采集到的信息能否真实反映机组的情况，项 目太多，不仅使状态监测复杂化，而且成本高；项目太少则不能反映机组运行状 态的真实情况，故监测项目需合理选择。通过对水电机组特点的分析，找出最具 有代表性和最能反映机组状态的监测项目【q ，具体如下：( 1 ) 振动监测( 上、下机 架和项盖) 。( 2 ) 摆度监测( 上导轴承、推力轴承和水导轴承) 。( 3 ) 空气间隙监测( 发 电机定、转子) 。( 4 ) 绝缘监测( 发电机定子线棒) 。( 5 ) 水轮机汽蚀监测。( 6 ) 水压 脉动监测( 尾水管、蜗壳进口和顶盖) 。( 7 ) 水轮机过机流量监测。( 8 ) 压力监测( 调 速器油压、储气罐压力和冷却器水压) 。( 9 ) 流量监测( 辅机系统管道) 。位移监 测( 主接力器行程和大轴轴向位移) 。n d 温度监测( 推力轴承和导轴承的瓦温和油 温、定子温度、冷却器风温) 。液位监测( 油槽油位、上、下游水位和集水井 水位) 。电压和电流监测( 三相定子电压和电流、转子电压和电流) 。o 毋功率监 测( 有功和无功功率) 。转速监测( 调速系统) 。 2 1 绪论 1 4 水电厂状态监测技术的构成和发展趋势 1 4 1 监测技术的构成 2 0 世纪9 0 年代以来，在水电厂中应用状态监测技术以及发展新的状态监测 技术已成了水电厂最重要的任务之一。随着状态监测系统在可靠性、智能化和经 济性方面的进一步提高，状态监测技术将在电力系统中获得广泛应用。现代测量 技术主要有以下几个方面： ( 1 ) 传感技术m 传感技术是利用机械、物理、化学、生物学的基本原理感知被测量的变化， 并将这些变化转换为电量进行输出的技术。由传感技术所制成的测量仪器称为传 感器。传感器常利用电磁感应、热电效应、光电效应、压电效应等物理学原理乃 至化学、生物学原理，将一些机械变化或其他物理量( 非电量) 转变为电阻、电 感、电容等变化，进而通过一些放大或转换电路将它们再转化为电流、电压的变 化，供仪表显示和计算机数据采集。传感技术是现代测量技术的基础，也是现代 测量技术的核心。传感器的选用主要考虑以下几个方面的问题：可靠性，对于 工作在工业现场的传感器，可靠性包含两个方面，一方面是在标明的工作条件下 传感器要能正常工作，能适合环境温度、湿度、介质条件、振动与冲击、电磁干 扰、电源波动等因素。另一方面是传感器都有自己特定的适用范围，设计时要仔 细观察现场的实际工况。灵敏度，传感器的灵敏度应保证在测量范围内，被测 参量能有效地转换为电压或电流的输出。响应特性，传感器频率响应特性的选 择应与待测机械参量的变化特点有关，还与测试系统要实现的目的有关。线性 范围，传感器的工作量程内都要求输出与输入成比例关系。线性范围越宽则表明 传感器的工作量程越大。精确度，传感器的精确度是反映它能感知被测量的细 微分辨能力。精度越高，价格就越贵，应从实际需要和经济性角度选择合适精度 的传感器。 ( 2 ) 自动显示技术 由传感器感知的被测量，最终要以电量输出，并且用模拟式仪表、数字式仪 表或计算机屏幕显示出来，才能便于人们观察。显示技术也经历了机械显示( 指 示) 、电气显示和信息化( 计算机) 显示三个阶段。自动显示技术是测量技术的 3 华北水利水电学院工学硕七学位论文 一个重要环节，现代测量技术中，显示技术式测量更加便于观察和记录，也同时 有更高的精度，由于电子技术与计算机技术的应用，集传感技术与显示技术为一 体化仪表以及独立的通用显示仪表取得了很大的发展和广泛的应用。 ( 3 ) 数据采集与处理技术 数据采集与处理技术是现在监测技术的另一个重要方面。上面所说的自动显 示技术中，也包含了数据采集与处理技术。在智能仪表中，数据采集与处理是其 中重要的一部分。在目前的水电厂状态监测系统中，数据采集与处理是一个重要 的基础。在控制系统中，各种设备的参数通过数据采集装置获得各种数据，这些 数据是水电厂监测、控制的重要依据。数据采集与处理系统包括数据采集与数据 分析、数据传输几部分内容。一般控制系统中数据采集包括以下3 种数据类型： 模拟量，通过a d 转换装置输入计算机；开关量，通过开关量输入装置输 入计算机；数字量，通过计算机( 串、并口) 通讯方式输入计算机。 数据采集与处理的另一部分重要内容是数据分析。通过数据分析，进一步掌 握各种参数之间相互关系、相互影响以及某种设备所处的状态。数据分析包括下 述基本内容：波形检测；波形的振幅大小；相关分析；频谱分析与相位 分析。数据分析也是设备故障分析、预报与诊断的重要基础n 。 ( 4 ) 监测诊断系统 随着电子技术与计算机技术的发展，监测诊断系统经历了从离线式、在线单 机式、在线集中式、在线分布式到远程在线分布式的发展历程嗍。诊断方法主要 有对比诊断、统计诊断、模式识别、模糊诊断、专家系统和人工神经网络智能诊 断等。由于水电厂设备出现故障时，常有一种故障多种表现或多种故障一种表现、 故障与征兆之间不确定、多种故障并存以及人员知识经验不足而导致误诊和漏报 的问题，模糊诊断、专家系统和人工神经网络智能诊断等方法应运而生。其中专 家系统和人工神经网络的应用研究是这个领域的研究热点【9 ，埘。 1 4 2 水电厂状态监测技术发展趋势 国外从2 0 世纪8 0 年代开发了许多在线监测和故障诊断设备，同时在理论研 究方面也取得了较大进展，状态监测应用比较普遍并有了经济效益。1 9 8 6 年美 国国家电力研究院所属的监测与诊断中心在艾迪斯通电厂采用4 0 多种在线和周 4 1 绪论 期监测、诊断技术，对该电厂的设备状况进行评估和论证，取得明显效益，检修 时间由原来的8 周减少到4 周，延长设备寿命1 0 1 5 ，提高运行能力1 0 一3 0 【1 1 l 。 当前，状态监测技术在电力系统中己得到广泛重视。随着社会的发展，用户 对电力质量的要求越来越高，电力企业的竞争将越来越激烈，这必将促进状态监 测技术的进一步发展和应用。未来电力系统状态监测技术的发展趋势将体现在以 下几方面： ( 1 ) 由于水电厂设备状态监测获取的数据量很大，常规的数据处理方法会遇 到极大的困难，开发新的数据分析技术和故障诊断软件很有必要，智能状态监测 系统将得到进一步研究，尤其是神经网络技术、知识系统、模糊逻辑等会得到更 广泛的应用。 ( 2 ) 对如何根据检测到的数据做出相应的判断，以及对新的更有效的检测项 目和检测方法等方面的基础研究将得到进一步加强，专家经验的积累和应用也将 得到更多的重视和加强。 ( 3 ) 多功能、多状态的在线监测系统将得到进一步发展。 ( 4 ) 发展水电厂远程监测与诊断技术可充分实现诊断知识与数据共享，弥补 现场工作人员经验的不足，提高故障诊断的准确性。同时，状态监测系统与继电 保护将有机地结合起来，尤其在分布式的监控系统中。 笺 最近十年来的研究表明，在发展新型的状态监测系统方面，先进的信号处理 技术和人工智能技术是必不可少的。随着计算机技术和通信技术的快速发展，信 号处理和人工智能己成为下一代状态监测系统( 具有高灵敏度、高可靠性、高智 能性和价廉的特征) 的最强有力的工具，其中，小波变换、神经网络和专家系统 将得到特别的重视【蜘。 1 5 论文主要工作 本论文将在分析介绍了水电厂状态监测系统的构成、分类等的基础上，以 l a b v i e w 为软件平台，开发了一套面向水力发电机组的具有比较完善功能的水电 厂状态监测系统。 本论文的内容及章节组织安排如下： 5 华北水利水电学院工学硕士学位论文 第一章，介绍了水电厂状态监测的意义、概念、项目，水电厂状态监测用到 的技术及发展趋势。 第二章，分析了水电厂状态监测系统的构成、方法、分类、演变，总结出了 水电厂状态监测系统存在的问题。 第三章，介绍了以l a b v i e w 为平台的虚拟仪器技术的概念、特点、程序的基 本构成以及支持的总线，最后还介绍了l a b v l e w 的发展趋势。 第四章，分析了现场监测系统需求，设计水电厂现场监测系统的总体结构， 详细介绍如何用l a b v i e w 提供的各种模块来实现现场监测系统的数据采集、实时 监测、信号处理、数据库管理等功能。 第五章，详细介绍了用l a b v l e w 软件开发水电厂状态监测系统时各功能模块 的具体实现。 第六章，对全文工作做了总结并对今后研究工作进行了展望。 6 2 水电厂状态监测系统 2 1 引言 2 水电厂状态监测系统 1 9 9 5 年电力工业颁布的d l t 5 7 8 m 1 9 9 5 水电厂计算机监控系统基本技术 条件对水电厂状态监测系统提出了基本要求和主要性能指标。依据该指标水电 厂监测系统的设计应当考虑如下几点： ( 1 ) 系统的实用性( 即响应速度) ：水电厂状态监测系统要对水电厂的生产过 程进行实时的监视和控制，因此要求有足够的响应速度，也就是要有好的实时性。 设备发生异常时，要很快地检测出来；发生事故时，要能以很快地速度记录下各 项事件地先后顺序；运行操作人员从控制台发出命令后，应能很快得到响应和执 行；实现自动发电控制和自动电压控制时，计算机需进行大量计算，希望能很快 得到计算结果，实现控制。 ( 2 ) 系统的可靠性可利用率：可靠性对电力系统来说是至关重要的，采用计 算机监控后，对计算机监控系统提出了很高的可靠性要求。系统开发时应该努力 加强每一部分的可靠性，提高软件的质量，从而提高系统的可靠性。可利用率是 计算机控制系统的一个重要指标，为了提高整个系统的可利用率，不仅要求组成 系统的各组件有很高的内在利用率，而且要求一旦发生故障时迅速进行检修或更 换。 ( 3 ) 系统的可维修性：系统中的故障要便于发现，有故障的模件要便于更换。 为了便于维护，通常要求控制系统由种类不是很多的硬件组成，这样可以减少备 件的储备。设计上应要求能在控制系统不间断其运行的情况下更换有故障的模 件。 ( 4 ) 系统的安全性：在操作方面，要有防止误操作的措施，如要求设备有各种 闭锁，进行操作时要作各种校核，有误时发出告警；在通信方面，要有各种校核 测试、检错、纠错等措施，接受控制信息时，对信息的合理性进行校核，防止执 行错误命令。 ( 5 ) 系统的可扩展性：水电厂的设备配置与不同的自然条件有很大的关系。由 于自然条件不同，设备的配置就有很大的差别，这要求控制系统的设计要能适应 7 华北水利水电学院工学硕+ 学位论文 这种较大的差别。再者，水电厂实现的控制功能和控制系统的规模也可能随时间 而变化。起初一般要求实现的控制功能不多，后来要求增加，就要求控制系统能 适应这种扩充的要求。为了便于扩展，系统设计时要留有一定的裕度。 ( 6 ) 系统的简单性和经济性：在能完成要实现功能的前提下，系统应力求简单。 系统越简单，可靠性越高，价格也越便宜。一个监测系统要有生命力，一定要在 经济上是合理的，没有必要追求最先进、最复杂的计算机和其他控制设备。 ( 7 ) 系统的使用寿命：状态监测系统的使用寿命有两个不同的含义。一种是物 理上的使用寿命，即不能再继续使用了，这种寿命比较长。另一种是道义( m o r a l ) 的使用寿命，即系统运行一段时间后，虽然还能继续使用，但性能已经下降或不 适合新的要求，再使用下去已经不合算了。还有一种可能，运行若干年后，由于 技术上的落后，制造单位不生产这方面的备件了，而原有的备件用完了，系统也 就不能再运行了。设计计算机监测系统时，必需考虑到所采用的系统不会很快被 淘汰，也就是要有一定的使用寿命，有一定的先进性【伽1 5 l 。 本论文针对水电厂状态监测的这些设计要求，结合最新研究出来图形编程软 件平台l a b v i e w 的性能特点，开发出基于虚拟仪器的水电厂状态监测系统。 2 2 水电厂状态监测系统的基本构成和方法 水电厂状态监测系统以计算机为主导，实现自动监测、网络通讯和实时分析， 使水电厂自动化水平达到更高的水平，提高了设备的安全可靠性和运行效益，以 及供电质量。水电厂的基本部件有：主变压器、发电机、水轮机、发电设备、辅 机、配电盘等。通过各种不同的传感器对这些部件进行监测，采集来原始的机组 数据，传输到发电厂设置的分站，使分站的计算机完成温度输入、电压输入、接 点切入、接点输出等，再通过c p u 连接到通信装置，由网络把这些数据传到控制 中心，使水电厂的工程师和相关技术人员可以直接通过控制中心的计算机来观 察、分析、监控水电厂设备的运行状态，不必专门跑到现场。这样即节省了时间， 又可以及时地发现问题和排除故障。水电厂的监测系统基本构成如图2 1 所示。 8 2 水电厂状态监测系统 分站【发吲设置， 图2 1 监测系统的基本构成 f 噜2 - 1t h ec o n s t i t u t eo f m o n i t o r i n gs y s t e m ( 1 ) 系统功能 系统是由集中控制的中心站、无人值守的电厂分站及联机网络组成。中心站 应易于控制操作，具有扩展系统、能变更分站的设置。分站为满足无人化的要求， 功能控制在最低限度，应大量地标准化。 ( 2 ) 监视方法 明确监测参量，建立监测程序。测量长期数据，实旌事故模拟试验，掌握数 据间的影响程度和相互关系，从而制定监测方案。系统应能判断起动、运行、停 机等工况状态，为此，须对输入数据的采样频率、相互关系、异常判断、表示方 法及人机对话等予以重点研究f 1 6 1 。如下表2 - 1 列出了监测实施方案。 9 华北水利水电学院r t 学硕 二学位论文 表2 - 1 监测实施方法 序号监视项目输入项目 使用传感器 监视内容 轴承温度探测线圈预测各输入项目起动过程的轴承 轴承油温 探测线圈 温度变化率和实测值比较 1 各轴承轴承油丽差压变送器接实际停机过程的轴承温度变化 负荷电流变换器率计算与设定值比较 室温、冷却水温探测线圈从油温预测正常运转时的轴承温 度与实测值比较 线圈温度探测线圈从室温和负荷预测线圈温度与实 2 定子线圈 室温探测线圈测值比较 负荷电流变换器 油压差压传送器从油压和油温预测油槽油面与实 3 油压装置集油槽油面差压传送器测值比较 油温探测线圈依据油压装置型式，监视总油量， 针阀开度行程电压变换器进行油槽油压油面有关的监视 轴承振动 加速度计 4振动噪音轴摆度非接触变位计实测振动、轴摆度的绝对值与设定 噪声微音噪声计值比较 5辅助设备运转时间动作接点从实测值计算运转时间和运转次 运转次数动作接点数与设定值比较 6工况程序经过时间 程序继电器 从实测计算程序经过时间与设定值比 较 2 3 水电厂状态监测系统的分类及特点 随着计算机技术的高速发展，水电厂状态监测系统的种类也多样化，目前应 用于水电厂的主要有以下三种类型。 ( 1 ) 基于工控机的状态监测系统 工业控锚机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用 的计算机，简称工控机。基于工控机的状态监测系统由计算机基本系统和过程 1 0 2 水电厂状态监测系统 i 0 系统组成。计算机基本系统由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板 与e r r 、磁盘机、打印机等通用外设组成【1 刀。过程i 0 系统，由输入信号调理板 和a d 转换器将现场传感器测量的物理信号转变为电信号，模拟量经模数转换 ( a d 转换器) ，变成数字量输入计算机，计算机输出信号经数模( d a ) 转换 和输出调理( 隔离放大) 成执行机构的功率驱动信号控制执行机构。硬件系统一 般有运行操作台，可放计算机、c r t 、外设、主机柜、i o 机柜( 机箱、电源、 接线端子板、接地保护装置等) 等。软件系统由实时操作系统、实时数据库及应 用软件、数据采集与处理软件、各类控制软件( p i d ) 直接数字控制、先进控制 软件组成。 工控机的特点：可靠性，由于工控机的主要器件均不是工业级的，相对单 片机系统，抗干扰性特别是抗电源干扰能力虽然有一定提高，但国内的电源都很 差，加上压片机的变频调速对电源的干扰很大，因此也可能引起系统的不稳定。 可扩展性，要增加一个功能就要重新设计对应的程序，而工控机的编程相对比 较复杂，这样对于开发周期会增加。可维护性：一旦工控机系统出现故障，很 难诊断出故障元件，这样维修周期增加，而且非专业人员不能维修，如果故障由 于程序设计不合理引起，由于缺乏合适的调试工具，要找出故障原因也很困难。 操作：t 控机的操作和通用计算机无任何差别，这就对操作人员的素质有很高 的要求，一般工人看到计算机会产生畏惧心理，虽然操作的界面较为友善，但对 于不熟悉计算机系统的人来说，仍然不够简便易学。价格居中，可靠性改善不 多。 ( 2 ) 基于单片机的状态监测系统 基于单片机的状态监测系统主要应用于结构简单、价格低、测量参数少、功 能相对简单等特点的小型测试系统。对这类小型测试系统，选用功能符合系统设 计要求的单片机作为系统的主机，对模拟信号和数字信号进行分析的数字化测 量，从而获得大量数据。单片机的状态监测系统设计包括两个方面的内容：一是 硬件电路设计；二是软件设计【堋。 单片机的特点：可靠性：由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不 齐，很大一部分还是国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件( 如电阻、电容 等) 的参数离散性也很大，批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此 1 1 华北水利水电学院工学硕：f ：学位论文 这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离设计要 求都会引起系统的不稳定。另外，单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性 特别是抗电源干扰能力很弱，而国内的电源一般都很差，加上压片机的变频调速 对电源的干扰很大，因此，更可能引起单片机系统的不稳定。可扩展性：由于 单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新 设计线路，而且对应的程序都要重新设计。这样对于增加功能的开发成本和周期 都会增加。可维护性：一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简 单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了。操作：现在国内单片机系统 的操作均采用自设计的键盘，设定数据用拨码开关，显示用l e d ，整个面板显得 繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操 作。特别是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障，操作人员必须翻阅说明 书方能发现故障所在，最终按说明书指示排除故障，这样排除故障的时间相对较 长，这样的人机对话不够友善。不可靠，价格便宜。 ( 3 ) 基于虚拟仪器的状态监测系统 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子 测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新 的仪器结构不断涌现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，测量仪器的功能 和作用也发生了质的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ，v i ) 在2 0 世纪8 0 年代最早提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念。在基于虚拟仪器的状态监测系统中，计算机成为仪器的一部分，使计算 机可以得到充分发挥。除了仪器的输入、输出、数据处理分析、结果显示由计算 机完成外，还可组成计算机网络。计算机网络技术、总线技术与数据库技术的发 展，乃至i n t e r n e t 网的发展拓展了虚拟仪器测试系统的应用范围。利用网络技 术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、 软件在网络内得以共享，减少了设备重复投资。重要的数据实行多机备份，提高 了系统的可靠性，对于有些危险的、环境恶劣的不适合人员操作的数据采集工作 可实行远程采集，将采集的数据放在服务器中供用户使用。虚拟仪器的特点将在 第三章详细讲述。 2 水电厂状态监测系统 2 4 水电厂状态监测系统的演变 由于计算机监控设备在水电厂的推广应用，水电厂监控系统的监控方式也发 生了变化。随着计算机技术的发展，计算机系统在水电厂监控系统中的应用及其 与常规设备的关系也发生了变化【堋，其演变过程大致如下： ( 1 ) 以常规控制装置为主、计算机监控为辅的监控方式( c o m p u t e r - - a i d e d s u p e r v i s o r yc o n t r o l ，简称c a s c ) ：早期由于计算机价格比较贵。而且人们对它 的可靠性不信任，因此，水电厂的直接控制功能是由有经验的设备维护人员或工 程技术人员利用常规监测仪表或者较复杂的分析仪器对设备进行人工巡检，根据 自己的经验对设备的状态以及发展趋势等做出判断。计算机只是起到监视、记录 打印、经济运行计算，运行指导等作用。这种方法明显存在不足：属间断性检 查，无法实现实时连续监测；故障判断取决于人员素质和经验；异常识别报 警只能按控制中心约定，无法掌握发展过程和状态；缺少事故过程记录；设 备多，历时长，巡视检查费时；数据人工处理工作量大。这种监测方式，只能 对设备作一些简易的诊断。 ( 2 ) 计算机与常规控制装置双重监控方式( c o m p u t e r c o n v e n t i o n a l s u p e r v i s o r yc o n t r o l ，简称c c s c ) ：随着计算机系统可靠性的提高和价格的下降 以及人们对计算机实现监控的信任度的提高，让计算机直接参加控制已容易被人 们所接受，但对它还是不够放心，所以出现了计算机与常规控制装置双重监控的 方式。此时，水电厂要设置两套完整的监控系统，一套是以常规控制装置构成的 系统，一套是以计算机构成的系统，相互之间基本上是独立的两套控制系统之 间可以切换，互为备用，可靠性是有保证的。采用这种方式由于需要设置两套完 整的控制系统，投资比较大，而且两套系统并存，相互之间要切换，二次接线复 杂，可靠性反而有所降低。 ( 3 ) 以计算机为基础的监控方式( c o m p u t e r - - b a s e ds u p e r v i s o r yc o n t r o l ，简 称c b s c ) ：随着计算机可靠性进一步提高和价格的进一步下降，出现了以计算 机为基础的监控系统。采用此方式时，常规控制部分可以大大简化，平时都采用 计算机控制。因此，对计算机系统的可靠性要求就比较高，这可以采用冗余技术 来解决，要保证系统某一单元或某局部环节发生故障时，整个系统和电厂运行还 能继续进行。采用此种方式时，中控室仅设置计算机监控系统的值班员控制台， 华北水利水电学院工学硕1 二学位论文 模拟屏已成为辅助监控手段，可以简化甚至取消。 ( 4 ) 取消常规设备的全计算机控制方式：随着计算机技术的进一步发展和水电 厂计算机监控系统运行经验的累积，出现了以计算机为唯一监控设备的全计算机 控制方式，实际上它是c b s c 方式的延伸。此时，取消了中控室常规的集中控制 设备，机旁也取消了自动操作盘。中控室还保留模拟显示屏，但其信息取自计算 机系统，不考虑在机组控制单元( 计算机型的) 发生故障时进行机旁的自动操作。 此时，对计算机系统的可靠性提出更高的要求，冗余度进一步要求提高。 以上各种方式的状态监测系统中，其分工在水电站一般是放置于现场，负责 水力发电机组运行信息的实时采集、处理、存储、显示、异常状态报警等功能。 目前，随着计算机和网络技术的发展以及状态监测要求的不断提高，基于i n t r a n c t 和i n t e r a c t 的远程监测技术成为状态监测学科研究的热点。 2 5 水电厂状态监测系统问题的研究 由以上水电厂状态监测系统的构成、分类和演变我们可以看到，监测系统的 功能实现离不开系统硬件平台的支持。我国状态监测系统长期以来与国外状态监 测系统的最大差距就是硬件系统的可靠性。我国早期开发的一些状态监测系统中 基于i s a 或者p c i 总线的硬件产品模块可靠性在水电厂现场恶劣的工况下受到了 严峻挑战，并且这些模块的驱动程序没有统一的规范，相互的兼容性差，状态监 测系统软件部分必须不断修改才能适应硬件模块的变化。而且随着水力发电机组 监测测点的不断增多，增加工控机中i s a 或者p c i 插槽数目成了系统扩展的瓶颈。 在状态监测系统中，所实现的各种监测功能都是由软件来决定的。因此软件 在很大程度上对系统的实用性、先进性和实时性起着举足轻重的作用。早期的状 态监测系统一般是用文本式编程语言来进行开发，程序开发人员熟练掌握并使用 这些编程语言需要相当长的学习时间，开发适合工业现场监测使用的各种人机交 互控件( 比如旋钮、开关、滑动控制条、仪表等) 工作量更是巨大，而且即使开 发出来与用户的实际要求也还有较大的差距。另外，系统中某些关键技术( 比如 内存分配与释放、多线程编程等) 的实现需要非常丰富的编程经验，这对于并非 专业程序设计人员的开发人员来说难度较大，往往使开发人员陷入繁琐的编程细 节中而无心专注于监测功能的实现。 1 4 2 水电厂状态监测系统 另外，针对具体监测对象开发的系统通用性差、产品化程度低，一旦监测对 象或者测点数目发生了变化，监测软件必须进行修改，这样就加重了开发人员的 工作量，并且开发周期长，因此通用化设计工作势在必行。为了解决以上提出的 几个问题，同时在保证系统的可靠性和实时性的基础上，提高系统的先进性增强 系统的通用性、可扩展性和可维护性，降低系统开发维护的成本，将开发人员从 繁琐复杂的编程细节中解放出来，应该选择从先进的系统总线结构和易用的软件 开发平刽捌这个方面来考虑。 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s “，n i ) 提供的虚拟仪器开发平 台l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种 图形化程序语言，又称为“g ”语言。使用这种语言编程时，基本上不需要编写 程序代码，而是“绘制”程序流程图。该编程语言尽可能利用工程技术人员所熟 悉的术语、图标和概念，避免了程序开发人员对各种专业所需细节的研究开发， 更能专注于系统中监测功能的开发。在水电厂状态监测系统中，应用l a b v i e w 灵 活高效的软件可以创建完全按照水电厂需求自定义的用户界面，模块化的硬件能 方便地根据状态监测系统的要求提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满 足同步采集和定时的需求。l a b v l e 薷和计算机结合进行数据存储、数据处理、数 据传输，可以使测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、 存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。随着水电厂的发展测点 的增多，可以通过增加相应的测量硬件设备和改变软件设置来完成监测功能。由 于l a b v i e w 在驱动和应用两个层面上，软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方 面的最新技术结合在一起，可以使监测系统轻松地配置、创建、发布、维护和修 改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 l a b v i e w 开发平台完全解决传统水电厂状态监测系统所遇到的问题，也可以 避免以硬件为主体的传统测量仪器系统存在的功能固定、与其他设备连接受限、 可扩展性差、技术更新慢以及价格高等不足。本文就是以l a b v i e w 为开发平台， 充分利用l a b v i e w 自身所带的强大的函数库和封装好的各种模块开发出一套具 有数据采集、信号处理、数据库管理的最基本功能的水电厂状态监测系统。 华北水利水电学院工学硕士学位论文 3 1 引言 3 基于l a b v i e w 7 1 的虚拟仪器技术 现代计算机技术对监测技术和仪器起了革命性的影响。目前，计算机技术( 包 括网络、多媒体、数据库技术) 对监测技术和仪器的影响有以下几个方面：在 振动理论中。人们早就知道用频率响应特性描述结构的动态性能，傅立叶变换和 反变换为时一频域的相互转换奠定了基础。但是若要将观察( 记录) 到的时域信 号转换成频谱结构，用模拟技术( 滤波技术) 是非常复杂的，谱分辨力也不高。 数字计算机的发展和相应的快速傅立叶算法( f f t ) 为时一频域转换开辟了捷径。 2 0 世纪7 0 年代兴起了大量专用的谱分析仪器，至今不衰。但是进入2 0 世纪9 0 年代，由于p c 的功能变得越来越强大，速度越来越快，价格也越来越低。在标 准p c 上连接一个或多个仪器模块( 独立于p c 之外的仪器，或是插在p c 插槽上 的印刷电路板) 构成一个监测仪器成为一种趋势。 这种仪器没有通常概念上的面板，也没有控制按钮，有的甚至根本没有传统 的硬件取而代之的是p c 的键盘、鼠标、屏幕和软件，通常称为“虚拟仪器”1 2 l l 。 目前网路测试已经成为许多监测系统的一个必备功能。例如许多水电厂、发 电厂、输油管道的监测系统都是几个测试站点( 不同城市) 联结成一个大的测试 网络，互通数据和信息，联合分析测试结果，实现数据和信息共享。 一 多媒体及虚拟现实技术也是目前计算机技术的一个热点问题。虚拟仪器的软 件开发平台l a b v i e w 中，“所见即所得”的可视化技术是多媒体技术应用于测试 领域的雏形。虚拟仪器注重测试人员在进行测试工作中的感觉，用仿真的面板给 人以真实仪器的感觉，用丰富的曲线图像向测试人员传递信息，是多媒体及虚拟 现实技术在测试领域中的一个很有潜力的发展方向阎。 3 2 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是加在计算机上的些软件和或硬件，它们