【摘要】LabVIEW結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與強大的G（圖形化）編程語言，與測量緊密結(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。本文簡單介紹了LabVIEW在水電廠發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】 LabVIEW 水電廠電機組  狀態(tài)監(jiān)測  在線  虛擬儀器

       隨著水輪發(fā)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(fā)生事故，輕則影響機組的正常運行，重則造成水輪發(fā)電機組損壞，甚至影響電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。目前國內(nèi)大中型水電廠基本實現(xiàn)“無人值班，少人值守”的管理模式，因此加強水電廠發(fā)電機組的在線狀態(tài)監(jiān)測，進行機組故障及時預(yù)測預(yù)報，對于大中型水電廠發(fā)電機組安全運行具有重要的意義。反映水電廠發(fā)電機組運行狀態(tài)的主要參數(shù)有溫度、振動、擺度、定轉(zhuǎn)子電流、電壓等。溫度和電量的監(jiān)測一般由計算機監(jiān)控系統(tǒng)提供，而功能較為完善的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)卻很少。近年來，國外以PC微機為基礎(chǔ)，應(yīng)用傳感器對機組的狀態(tài)進行監(jiān)測分析的系統(tǒng)相繼面世，而國內(nèi)也有不少單位開始研究開發(fā)機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。我們借鑒國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的經(jīng)驗，以工業(yè)PC機為主體，以美國國家儀器公司的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，以信號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)測分析系統(tǒng)。

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(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。LabVIEW又叫圖形語言（G語言），被譽為“科學(xué)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(fā)虛擬儀器時提供了一個較為便捷、輕松的圖形化設(shè)計環(huán)境。其最大的優(yōu)勢是在于測控系統(tǒng)的開發(fā)，因為它不僅提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號分析工具，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)場總線通訊以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的實時數(shù)據(jù)庫鏈接。設(shè)計者利用LabVIEW可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)以及構(gòu)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(tǒng)的基本原理，掌握數(shù)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(fù)雜的在線測量和數(shù)據(jù)分析。
        虛擬儀器的功能是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。它將傳統(tǒng)儀器由硬件電路實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析處理與顯示功能，改由功能強大的計算機來執(zhí)行；并配置以獲取調(diào)理信號為主要目的I/O接口設(shè)備（如數(shù)據(jù)采集卡DAQ等）；在編制不同測量功能的軟件對采集來得信號數(shù)據(jù)進行分析處理及顯示?？梢姡?dāng)硬件平臺計算機和I/O接口設(shè)備確定后，根據(jù)不同的測量原理，編制不同的軟件就可以實現(xiàn)不同的測量功能，即軟件是整個儀器的關(guān)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(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點
       系統(tǒng)采用了新的層次概念，將整個系統(tǒng)分為監(jiān)測（保護）系統(tǒng)、分析系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。各個層次子系統(tǒng)之間相互獨立又相互輔助，形成了一個鮮明的體系結(jié)構(gòu)。
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放，可擴展性強
       當(dāng)用戶需要增加測點，只要增加相應(yīng)的底層峰值檢測模塊和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（保護）系統(tǒng)
       獨立的監(jiān)測（保護）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。獨立完成基本的峰峰值監(jiān)測功能，從而大大降低了監(jiān)測（保護）系統(tǒng)的成本。監(jiān)控器系統(tǒng)將模擬量（4~20 mA）和開關(guān)量報警信號輸出到機組LCU，不依賴于上層分析系統(tǒng)。
2.3 分析系統(tǒng)
        獨立的分析系統(tǒng)，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(yè)軟件開發(fā)平臺（LabVIEW專業(yè)開發(fā)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(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)場工程師無須學(xué)習(xí)復(fù)雜的數(shù)字信號處理和數(shù)學(xué)理論，同樣可以參與進一步的系統(tǒng)開發(fā)，不斷地將自己的實踐經(jīng)驗融入到系統(tǒng)中去。
2.4 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)
       獨立的網(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。另外，系統(tǒng)還提供了RS232串口和RS485網(wǎng)絡(luò)接口和驅(qū)動模塊，為未來系統(tǒng)多種網(wǎng)絡(luò)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(fā)平臺提供了豐富的虛擬分析儀器庫，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)的點擊和拖動來完成過去復(fù)雜的數(shù)字信號處理和數(shù)學(xué)計算。
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)平臺是一種開放式的平臺系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的需要對標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器庫進行修改和擴充。因此，此開發(fā)平臺可適用于各種應(yīng)用場合的功能擴充。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。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(wù)會計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單地實現(xiàn)測量和控制自動化，同時能充分利用工業(yè)控制計算機的分析、顯示和網(wǎng)絡(luò)連接功能。隨著測量和控制應(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(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)而非花大量的時間去迎合操作系統(tǒng)的升級或網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移等變化，從而實現(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)字信號處理基本知識，無需編寫復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算程序就可重新構(gòu)建軟件系統(tǒng)，使系統(tǒng)更適應(yīng)現(xiàn)場要求，并可不斷升級。由于美國國家儀器公司（NI）的NI LabVIEW開發(fā)平臺已經(jīng)成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)的平臺，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)動程序。所以，使用NI LabVIEW開發(fā)平臺相當(dāng)于擁有了一個世界級的生產(chǎn)工廠。
       NI LabVIEW開發(fā)平臺提供了豐富的虛擬儀器（VI Library）庫，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)制件建造起來的雄偉建筑。
3.4 分析系統(tǒng)的新特點
       除了常規(guī)的表格、棒圖、數(shù)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(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的通頻帶，剔除信號中無用的高頻成分，使分析系統(tǒng)可以對真實的振動和擺度信號進行分析。
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(tǒng)中來，用常規(guī)的模擬濾波和數(shù)字濾波是無法有效地抑制通頻帶內(nèi)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(tǒng)可選擇外部脈沖觸發(fā)的方式來實現(xiàn)等間隔采樣，使采樣與轉(zhuǎn)動頻率無關(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、停機過程中的振動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、存儲和打印這些參數(shù)的映射曲線，為人工對照分析提供方便。例如，不同的負(fù)荷、不同的導(dǎo)葉開度、不同的水頭、不同的尾水位一個點或多個點的振動/擺度的映射關(guān)系。
 數(shù)據(jù)庫功能（按工況自動數(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，還建立了特征數(shù)據(jù)庫和各種實時數(shù)據(jù)庫，提供了自動數(shù)據(jù)管理功能，自動按工況分類存儲特征數(shù)據(jù)，便于工況趨勢數(shù)據(jù)的積累和分析，為預(yù)測檢修和綜合狀態(tài)檢修數(shù)據(jù)庫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<