【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 特殊，自然條件和電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的不同可能會(huì)告知不同水電站具有很大的差異。所以，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也需要能夠做到在改變少量的軟、硬件之后可以適應(yīng)不同水電站的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，做到一個(gè)成熟計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，為用戶或者設(shè)計(jì)者省去較多的麻煩，節(jié)約資金開(kāi)發(fā)，縮短頭暈的周期。 （4）人機(jī)聯(lián)系要求完善發(fā)電生產(chǎn)的過(guò)程需要及時(shí)有效的進(jìn)行參數(shù)監(jiān)視、運(yùn)行操作、系統(tǒng)組態(tài)和異常情況下的故障診斷和處理，而且需要隨時(shí)接受運(yùn)行人員的各種運(yùn)行工作命令，還要做到人機(jī)聯(lián)系的方式比較簡(jiǎn)單、只管、明確、方便、快捷、規(guī)范、安全。9這都是需要計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)必須具有完善的人機(jī)接口和人機(jī)界面。 這些都需要完善的硬件配置和相應(yīng)的軟件支持才能做到。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求會(huì)根據(jù)電廠設(shè)備和對(duì)象不同隨之表現(xiàn)出不同，所以系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)現(xiàn)其基本功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以滿足基本功能要求為前提，全力做到簡(jiǎn)單實(shí)用。 （5）軟件配備要求齊全 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)廠商需要根據(jù)實(shí)際的過(guò)程控制的需要配套提供給用戶豐富的軟件，以此來(lái)使得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具備驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各組成部分正常運(yùn)轉(zhuǎn)和完善的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、文件管理系統(tǒng)等，滿足生產(chǎn)過(guò)程所需要用到的控制的需要。用戶也需要在系統(tǒng)選型時(shí)高度重視，且關(guān)注應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和完善。 （6）良好的抗干擾和防震性能 水電站一般都是處于有強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的冮環(huán)境之下，其計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)亦然，而且水電站整個(gè)的廠房的中控室和計(jì)算機(jī)均有明顯的機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械傳感等。所處的環(huán)境溫度較高，這些都對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)附加了另外的要求。為了避免疏忽所帶來(lái)的嚴(yán)重后果，系統(tǒng)的裝置技術(shù)也必須妥善的進(jìn)行處理。 監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)任務(wù) 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的劃分主要是根據(jù)其控制方式或者布局來(lái)加以區(qū)別的。一個(gè)水電站的裝機(jī)容量和機(jī)組太熟、電站在電力系統(tǒng)中的地位、計(jì)算機(jī)在電站自動(dòng)化中的功能等都會(huì)影響到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的整個(gè)布局。一、集中式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 這種模式的監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)承擔(dān)整個(gè)水電站的所有監(jiān)控任務(wù)，比較依賴于一臺(tái)計(jì)算機(jī)，可靠性比較差。一般是將采集到的數(shù)據(jù)全部集中到計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行分析和處理，然后更具計(jì)算機(jī)計(jì)算和處理的結(jié)果來(lái)傳送到各測(cè)控點(diǎn)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。集中式監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程如下（1）單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（2）雙計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（3）雙主計(jì)算機(jī)帶雙前置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)10（4）以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 以上也是通常會(huì)采用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置。 二、分散式處理計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 這種的監(jiān)控系統(tǒng)是新一代的繼直接作用式氣動(dòng)儀表、氣動(dòng)單元組合儀表等之后的控制系統(tǒng)。其具體是強(qiáng)調(diào)了水電站生產(chǎn)設(shè)備的地理位置和控制系統(tǒng)的功能所具有的的“分散”性。它是一種能對(duì)水電站機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行集中式的監(jiān)視和管理，控制功能分離，物理位置分散，依靠微型計(jì)算機(jī)，利用數(shù)據(jù)通信模塊懂得功能將所有的信息全部相連的新型的自動(dòng)控制系統(tǒng)。分散式控制系統(tǒng)的熱點(diǎn)是控制比較分散但是管理比較集中，而且功能比較全面，計(jì)算機(jī)的算法很多樣，可以做到自治性和協(xié)調(diào)性兼顧，先進(jìn)性和繼承性兼顧，還比較靈活可靠，適應(yīng)性也很好，擴(kuò)展范圍廣，人機(jī)界面友好。三、分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 由于 20 世紀(jì) 80 年代的時(shí)候，新開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)處理器的性能價(jià)格比非常的高，但是絕對(duì)的性能不夠完善，沒(méi)有用來(lái)完成大型計(jì)算機(jī)所具有的一些功能。所以當(dāng)時(shí)的人們把硬件和相應(yīng)的軟件都使之在大量重復(fù)的大規(guī)模的集成電路芯片中分布出來(lái)，來(lái)構(gòu)成一個(gè)新興的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這就是分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展初期的基本思想。分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它具有多個(gè)分布的資源，即計(jì)算機(jī)硬件、外部的設(shè)備、程序和數(shù)據(jù)庫(kù)。這些資源都是獨(dú)立的但是卻又相互作用，可以獨(dú)立萬(wàn)層其自身的功能任務(wù)，也可以一起搭配協(xié)調(diào)完成一些列任務(wù)。但是該系統(tǒng)要求的操作系統(tǒng)非常高級(jí)，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的控制和管理，然后按部就班的完成所需要的任務(wù)，所以這種系統(tǒng)也就有了非常統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，而且系統(tǒng)中的個(gè)資源運(yùn)行之間沒(méi)有主從關(guān)系，不存在層次控制。四、分層控制系統(tǒng) 分層控制系統(tǒng)的意義在于可以把整個(gè)水電站的控制系統(tǒng)分成幾個(gè)相應(yīng)的不同層次來(lái)進(jìn)行逐一控制，電廠的層次大致可分為梯級(jí)調(diào)度層、廠站監(jiān)控層、機(jī)組操作層、輻設(shè)控制層等，這其中梯級(jí)調(diào)度只適用于梯級(jí)的電廠。綜上所述：以上所有的水電監(jiān)控系統(tǒng)而言，中小型的水電站在電力系統(tǒng)中的地位相對(duì)11較低，作用相對(duì)比較弱，而且生產(chǎn)的過(guò)程也比較的單一，設(shè)備層次比較低。綜合考慮之下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“分布” ，系統(tǒng)控制理論“分層”的綜合性監(jiān)控系統(tǒng)，在可靠性、靈活性和投資少的前提下，性價(jià)比比較高，所以中小型水電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)首選分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)非常的好。由于分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)比較突出，它已取代了其他類型的監(jiān)控系統(tǒng)。 水電站的電廠的分層控制 本文主要是講述中小型水電站采用的分層分布式控制系統(tǒng)。 水電廠是處于在龐大的電力系統(tǒng)中的基層工作，這是電力系統(tǒng)的分層控制。每個(gè)水電廠的本身也是可以分為幾個(gè)不同的層次：電廠控制層、機(jī)組控制層、功能控制層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。電廠控制層屬于廠級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)組層以下的都是現(xiàn)地層或者現(xiàn)地單元。具體如圖 ： 自 水 電廠控制層 廠級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 動(dòng) 電 廠 化 的 機(jī)組控制層 監(jiān) 復(fù) 控 系 功能控制層 雜 統(tǒng) 現(xiàn)地層（現(xiàn)地單元） 分 程 層 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層 度 圖 水電廠分層 （1）電廠控制層這個(gè)水電廠控制系統(tǒng)的最高層“領(lǐng)導(dǎo)”,整個(gè)水電系統(tǒng)的機(jī)組運(yùn)行、管理、發(fā)電等都是由這層來(lái)協(xié)調(diào)、控制，也把電廠信息，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等與電網(wǎng)監(jiān)控層進(jìn)12行傳遞和聯(lián)絡(luò)。（2）機(jī)組控制層機(jī)組控制層通過(guò)現(xiàn)在單元的 I/O 裝置等自動(dòng)化的裝備來(lái)對(duì)發(fā)電機(jī)組的啟停、工況的轉(zhuǎn)換等進(jìn)行直接的控制，并且將運(yùn)行信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。（3）功能控制層功能控制層不由監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)，而是由另外專門設(shè)置的裝置完成歷次調(diào)節(jié)、調(diào)速、繼電保護(hù)、水利機(jī)械保護(hù)、事故錄波等功能任務(wù) [5]，它與監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)系僅僅依靠簡(jiǎn)單的信息轉(zhuǎn)換來(lái)完成。（4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層水電站廠房中現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械、電器設(shè)備（水泵、閥門、開(kāi)關(guān)等）和現(xiàn)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備（電機(jī)、電磁閥、電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等）都是由這一層來(lái)進(jìn)行放大控制，而不是通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)。 13 第 3 章 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 虛擬儀器及 LabVIEW 概述 虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）的概念是美國(guó)國(guó)家儀器公司于 20 世紀(jì) 80年代最早提出的，它是繼第一代儀器（模擬式儀表） 、第二代儀器（分立元件式儀表） 、第三代儀器（數(shù)字式儀表） 、第四代儀器（智能儀器）之后的新一代儀器[28]，它引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)進(jìn)入儀器領(lǐng)域，開(kāi)創(chuàng)了“軟件就是儀器”的先河。 虛擬儀器是指，在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，用途由用戶自己定義、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的、具有虛擬面板的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器可以集成為自動(dòng)控制系統(tǒng)；可自由構(gòu)建成專用儀器系統(tǒng)；可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如邏輯分析儀、示波器、頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器等，使得測(cè)量人員從繁雜的儀器堆中解放出來(lái)。任何形式的虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到臺(tái)式 PC、工作站或筆記本電腦等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。虛14擬儀器通過(guò)軟件將儀器硬件與計(jì)算機(jī)硬件資源有機(jī)地融合為一體，從而把儀器硬件的控制、測(cè)量能力和計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對(duì)比 相比于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有四大優(yōu)勢(shì)：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少、完美的集成功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的性能比較見(jiàn)表 31 所示。 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器性能對(duì)比表（下頁(yè)） 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 功能由用戶定義 功能由廠家定義 與網(wǎng)絡(luò)及其他外圍設(shè)備連接方便 與其他設(shè)備連接受限 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 信號(hào)電纜少，采用虛擬旋鈕，操作簡(jiǎn)單 信號(hào)電纜開(kāi)關(guān)多，操作復(fù)雜 系統(tǒng)開(kāi)放、靈活、可構(gòu)成多種儀器 系統(tǒng)封閉，功能固定，擴(kuò)展性低 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間短 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng) 數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印 數(shù)據(jù)無(wú)法改變 關(guān)鍵技術(shù)是軟件，升級(jí)維護(hù)方便 關(guān)鍵是硬件，由專業(yè)廠家升級(jí) 儀器間資源可重復(fù)利用，整體價(jià)格便宜 儀器間無(wú)法通用，整體價(jià)格較昂貴 開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低 開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高 軟件技術(shù)更新快（周期為 1～2 年） 技術(shù)更新慢（周期為 5～10 年） 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。15 （1）虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸、存儲(chǔ)處理和輸入/輸出等工作，由計(jì)算機(jī)和 I/O 接口設(shè)備組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。 ① 計(jì)算機(jī) 一般為一臺(tái) PC 或工作站，是硬件平臺(tái)的核心。 ② I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備即采集調(diào)理部件，包括 PC 總線的數(shù)據(jù)采集卡、VXI 總線儀器模塊、GPIB 總線儀器、LXI 總線儀器模塊、PXI 總線儀器模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線儀器模塊和串口總線儀器模塊等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器，主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。 （2）虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)是軟件，通過(guò)運(yùn)行計(jì)算機(jī)上的軟件，一方面實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的圖形化儀器界面，給用戶提供一個(gè)設(shè)置儀器參數(shù)、修改儀器操作、檢驗(yàn)儀器通信和實(shí)現(xiàn)儀器功能的人機(jī)接口；另一方面使計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)量特征的分析與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生，完成數(shù)據(jù)的輸入、輸出、存儲(chǔ)及綜合分析等功能。虛擬儀器軟件由 3 部分構(gòu)成。 ① 輸入/輸出（I/O）接口軟件 I/O 接口軟件存在于儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，它具有以下功能： a 對(duì)儀器內(nèi)部寄存單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作； b 為儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞； c 是實(shí)現(xiàn)開(kāi)放統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。 ② 儀器驅(qū)動(dòng)程序 儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集，它是連接頂層應(yīng)用軟件和底層 I/O 軟件的紐帶與橋梁，每個(gè)儀器模塊都有自己對(duì)應(yīng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時(shí)也會(huì)提供儀器驅(qū)動(dòng)程序文件和 DLL 文件。 ③ 應(yīng)用軟件16 頂層應(yīng)用軟件主要包括數(shù)據(jù)分析處理軟件和儀器面板控制軟件，可以完成利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形功能實(shí)現(xiàn)虛擬儀器面板，給用戶提供操作儀器、顯示數(shù)據(jù)的人機(jī)接口，以及數(shù)據(jù)采集、顯示、分析處理和存儲(chǔ)等的功能，應(yīng)用軟件具有良好的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，目前應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具主要有兩種類型： 文本式編程語(yǔ)言：如 Visual C++，Visual Basic，LabWindows/CVI 等。 圖形化編程語(yǔ)言：如 LabVIEW，HPVEE 等。VC、VB 具有簡(jiǎn)單易用、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但開(kāi)發(fā)人員需要有較多的編程經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的調(diào)試能力。NI 公司的 LabVIEW 和 HP 的 VEE 等具有圖形化的常用模塊，智能化的數(shù)據(jù)連線，逼真的儀器面板元件，豐富多彩、簡(jiǎn)便易用的函數(shù)庫(kù)和工具包，編程效率高，通用性強(qiáng)，是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具。 圖 41 虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的特點(diǎn)17 虛擬儀器是儀器測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制。虛擬儀器具有如下特點(diǎn)： 1 強(qiáng)大的信號(hào)處理能力 通過(guò)適當(dāng)?shù)挠布Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、放大、隔離、濾波以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換，虛擬儀器可以利用計(jì)算機(jī)的大量實(shí)用軟件工具對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種分析計(jì)算、處理和數(shù)字化、圖形化顯示，也可以將信號(hào)通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后控制執(zhí)行器件的