【摘要】LabVIEW結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與強(qiáng)大的G（圖形化）編程語(yǔ)言，與測(cè)量緊密結(jié)合，能讓工程師與科學(xué)家們迅速開發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集、分析及顯示的解決方案。本文簡(jiǎn)單介紹了LabVIEW在水電廠發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】 LabVIEW 水電廠電機(jī)組  狀態(tài)監(jiān)測(cè)  在線  虛擬儀器

       隨著水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)機(jī)組的檢修、維修、運(yùn)行、管理提出了更高的要求。一旦發(fā)生事故，輕則影響機(jī)組的正常運(yùn)行，重則造成水輪發(fā)電機(jī)組損壞，甚至影響電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。目前國(guó)內(nèi)大中型水電廠基本實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班，少人值守”的管理模式，因此加強(qiáng)水電廠發(fā)電機(jī)組的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行機(jī)組故障及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，對(duì)于大中型水電廠發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行具有重要的意義。反映水電廠發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的主要參數(shù)有溫度、振動(dòng)、擺度、定轉(zhuǎn)子電流、電壓等。溫度和電量的監(jiān)測(cè)一般由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供，而功能較為完善的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卻很少。近年來(lái)，國(guó)外以PC微機(jī)為基礎(chǔ)，應(yīng)用傳感器對(duì)機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析的系統(tǒng)相繼面世，而國(guó)內(nèi)也有不少單位開始研究開發(fā)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。我們借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，以工業(yè)PC機(jī)為主體，以美國(guó)國(guó)家儀器公司的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，以信號(hào)處理分析軟件為核心, 研制開發(fā)了水電廠的狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。

1、LabVIEW簡(jiǎn)介
       LabVIEW是美國(guó)NI (National Instrument)公司推出的一個(gè)圖形化軟件，是世界上目前最優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW又叫圖形語(yǔ)言（G語(yǔ)言），被譽(yù)為“科學(xué)家和工程師”的語(yǔ)言，它為不熟悉文本式語(yǔ)言編程的人們?cè)陂_發(fā)虛擬儀器時(shí)提供了一個(gè)較為便捷、輕松的圖形化設(shè)計(jì)環(huán)境。其最大的優(yōu)勢(shì)是在于測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)，因?yàn)樗粌H提供了幾乎所有經(jīng)典的信號(hào)處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級(jí)信號(hào)分析工具，而且LabVIEW程序還非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接。設(shè)計(jì)者利用LabVIEW可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)以及構(gòu)造自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行仟何繁瑣的程序代碼的編寫。也就是說，用戶只要熟悉測(cè)量系統(tǒng)的基本原理，掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)，就能利用LabVIEW的豐富功能完成過去力所不及的各種復(fù)雜的在線測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。
        虛擬儀器的功能是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。它將傳統(tǒng)儀器由硬件電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析處理與顯示功能，改由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行；并配置以獲取調(diào)理信號(hào)為主要目的I/O接口設(shè)備（如數(shù)據(jù)采集卡DAQ等）；在編制不同測(cè)量功能的軟件對(duì)采集來(lái)得信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及顯示?？梢姡?dāng)硬件平臺(tái)計(jì)算機(jī)和I/O接口設(shè)備確定后，根據(jù)不同的測(cè)量原理，編制不同的軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能，即軟件是整個(gè)儀器的關(guān)鍵，所以有“軟件就是儀器”的說法。從另外一個(gè)角度來(lái)看，就是用戶需要什么樣的儀器，就自己可在軟件平臺(tái)上“制造”什么樣的儀器。這樣，用戶不必購(gòu)買多臺(tái)不同功能的新儀器，也不必購(gòu)買價(jià)格昂貴的集多種功能于一身的傳統(tǒng)儀器，更不必不斷地購(gòu)買新的儀器。甚至有人說虛擬儀器就是可以一個(gè)拎著的實(shí)驗(yàn)室。

2、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
       系統(tǒng)采用了新的層次概念，將整個(gè)系統(tǒng)分為監(jiān)測(cè)（保護(hù)）系統(tǒng)、分析系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。各個(gè)層次子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立又相互輔助，形成了一個(gè)鮮明的體系結(jié)構(gòu)。
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放，可擴(kuò)展性強(qiáng)
       當(dāng)用戶需要增加測(cè)點(diǎn)，只要增加相應(yīng)的底層峰值檢測(cè)模塊和A/D卡，就可接入系統(tǒng)。工控軟件用NI LABWIE工具生成，具有良好的柔韌性。
2.2 監(jiān)測(cè)（保護(hù)）系統(tǒng)
       獨(dú)立的監(jiān)測(cè)（保護(hù)）系統(tǒng)，由傳感器系統(tǒng)和監(jiān)控器系統(tǒng)（包括NI采集卡、NI模擬量輸出卡、NI開關(guān)量輸出卡及其它硬件）組成。獨(dú)立完成基本的峰峰值監(jiān)測(cè)功能，從而大大降低了監(jiān)測(cè)（保護(hù)）系統(tǒng)的成本。監(jiān)控器系統(tǒng)將模擬量（4~20 mA）和開關(guān)量報(bào)警信號(hào)輸出到機(jī)組LCU，不依賴于上層分析系統(tǒng)。
2.3 分析系統(tǒng)
        獨(dú)立的分析系統(tǒng)，采用世界著名的美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的高效能采集卡和開放式專業(yè)軟件開發(fā)平臺(tái)（LabVIEW專業(yè)開發(fā)包），利用軟件平臺(tái)提供的豐富的高效分析庫(kù)，在軟件平臺(tái)上快速搭建而成的。此平臺(tái)是一種圖形化、搭積木式的開發(fā)方式，由于頻譜分析、數(shù)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(xiàn)場(chǎng)工程師無(wú)須學(xué)習(xí)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)學(xué)理論，同樣可以參與進(jìn)一步的系統(tǒng)開發(fā)，不斷地將自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)融入到系統(tǒng)中去。
2.4 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)
       獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)，利用NI公司的LabVIEW專業(yè)開發(fā)包提供的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能將分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果在工廠現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和將來(lái)組建的網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，并可建立網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，系統(tǒng)還提供了RS232串口和RS485網(wǎng)絡(luò)接口和驅(qū)動(dòng)模塊，為未來(lái)系統(tǒng)多種網(wǎng)絡(luò)的接入提供了解決方案。

3軟件特點(diǎn)
3.1 虛擬分析儀器
        NI LabVIEW開發(fā)平臺(tái)提供了豐富的虛擬分析儀器庫(kù)，囊括了各種各樣的數(shù)學(xué)模型和算法，包括頻譜分析（FFT）、數(shù)字濾波、小波變換、開窗功能等等，僅僅通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊和拖動(dòng)來(lái)完成過去復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)學(xué)計(jì)算。
3.2 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布
       通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布程序包可以將測(cè)量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，為應(yīng)用程序系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可視化提供有力的技術(shù)支持。
3.3 二次開發(fā)
        NI LabVIEW開發(fā)平臺(tái)是一種開放式的平臺(tái)系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器庫(kù)進(jìn)行修改和擴(kuò)充。因此，此開發(fā)平臺(tái)可適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合的功能擴(kuò)充。應(yīng)用軟件在NI LabVIEW圖形界面開發(fā)系統(tǒng)下生成，NI LabVIEW直觀的流程圖編程風(fēng)格使得工程師們可以快速創(chuàng)建符合自己特定要求的應(yīng)用程序，不管他以往有沒有過編程經(jīng)驗(yàn)。NI LabVIEW正是這樣一個(gè)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(jiǎn)化財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)們繁重的工作量一樣。而且，與硬件設(shè)備的緊密集成使它更簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制自動(dòng)化，同時(shí)能充分利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的分析、顯示和網(wǎng)絡(luò)連接功能。隨著測(cè)量和控制應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)性能和靈活性要求的不斷提高，軟件的設(shè)計(jì)功能也日漸重要。NI LabVIEW6.0擁有其最佳性能，可以使企業(yè)大大縮短開發(fā)時(shí)間并提高每個(gè)工程師的工作效率。配備了這樣強(qiáng)有力的武器，使得工程師們可以專注于他們應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)而非花大量的時(shí)間去迎合操作系統(tǒng)的升級(jí)或網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移等變化，從而實(shí)現(xiàn)工程資源的有效利用。用戶專業(yè)技術(shù)人員使用NI LABVIEW工具，只需具備數(shù)字信號(hào)處理基本知識(shí)，無(wú)需編寫復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算程序就可重新構(gòu)建軟件系統(tǒng)，使系統(tǒng)更適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)要求，并可不斷升級(jí)。由于美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的NI LabVIEW開發(fā)平臺(tái)已經(jīng)成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)，世界各大生產(chǎn)廠商都為自己的采集設(shè)備提供NI LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序。所以，使用NI LabVIEW開發(fā)平臺(tái)相當(dāng)于擁有了一個(gè)世界級(jí)的生產(chǎn)工廠。
       NI LabVIEW開發(fā)平臺(tái)提供了豐富的虛擬儀器（VI Library）庫(kù)，為應(yīng)用系統(tǒng)提供了搭積木式的開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用系統(tǒng)需要的每一種功能都是一種虛擬儀器，相當(dāng)于一塊磚或一個(gè)預(yù)制件，應(yīng)用系統(tǒng)則是用這樣的磚或預(yù)制件建造起來(lái)的雄偉建筑。
3.4 分析系統(tǒng)的新特點(diǎn)
       除了常規(guī)的表格、棒圖、數(shù)字濾波、頻譜分析、趨勢(shì)分析、軸心軌跡、階比分析和故障分析等功能之外，系統(tǒng)還增加了一些新的分析特性。
 抗干擾
高頻干擾：系統(tǒng)采用模擬濾波和數(shù)字濾波可以有效地控制信號(hào)的通頻帶，剔除信號(hào)中無(wú)用的高頻成分，使分析系統(tǒng)可以對(duì)真實(shí)的振動(dòng)和擺度信號(hào)進(jìn)行分析。
共模干擾：系統(tǒng)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(yuǎn)，即便使用屏蔽信號(hào)電纜，外界寬帶噪聲無(wú)可避免地通過探頭和傳輸電纜耦合到系統(tǒng)中來(lái)，用常規(guī)的模擬濾波和數(shù)字濾波是無(wú)法有效地抑制通頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)。而這類干擾信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)線上與信號(hào)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(tǒng)可選擇外部脈沖觸發(fā)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)等間隔采樣，使采樣與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率無(wú)關(guān)，而只與角度有關(guān)，即大軸不論以什么速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周的采樣數(shù)都是相同的。引入此概念為啟、停機(jī)過程中的振動(dòng)分析提供了可靠的保證。
 映射曲線
分析系統(tǒng)為用戶提供了靈活的數(shù)據(jù)映射功能，用戶可以任意指定參數(shù)的映射關(guān)系，顯示、存儲(chǔ)和打印這些參數(shù)的映射曲線，為人工對(duì)照分析提供方便。例如，不同的負(fù)荷、不同的導(dǎo)葉開度、不同的水頭、不同的尾水位一個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)/擺度的映射關(guān)系。
 數(shù)據(jù)庫(kù)功能（按工況自動(dòng)數(shù)據(jù)管理）
分析系統(tǒng)為用戶提供靈活的影射功能的同時(shí)，還建立了特征數(shù)據(jù)庫(kù)和各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供了自動(dòng)數(shù)據(jù)管理功能，自動(dòng)按工況分類存儲(chǔ)特征數(shù)據(jù)，便于工況趨勢(shì)數(shù)據(jù)的積累和分析，為預(yù)測(cè)檢修和綜合狀態(tài)檢修數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供有力的基礎(chǔ)。
 錄波
由于采用高效能的數(shù)據(jù)采集卡，分析<