【正文】 節(jié)能， 2021, (5): [9] CompactRIO Manual, 美國(guó)國(guó)家虛擬儀器公司（ NI） ， 2021年 。北京：電 子工業(yè)出版社， 2021 年 5 月 [8] 王松，姚興佳，李春影。北京：電子工業(yè)出版社， 2021年 3 月 [7] 王磊，陶梅。北京：電子工業(yè)出版社， 2021年 2 月 [6] 江建軍，劉繼光。關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀監(jiān)測(cè)的思考 [J]。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀 [J]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù) [M]。風(fēng)力發(fā)電 [M]。我還要感謝同組的同學(xué)正因?yàn)橛辛怂麄兊年P(guān)懷和支持，我才能克服學(xué)習(xí)和研究 中的困難和疑惑，直到設(shè)計(jì)的順利完成。從課題的選擇到最終完成，他都始終給予我細(xì)心的 指導(dǎo)和不懈的支持。設(shè)計(jì)的完成與我的指導(dǎo)老師親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)是分不開的。最后，這次課程設(shè)計(jì)使我明白不只有結(jié)果才是最重要的，因?yàn)檫^程中的收獲，就是這次設(shè)計(jì)的意義所在。所以說學(xué)習(xí)要善于向別人請(qǐng)教，學(xué)思結(jié)合。這主要是因?yàn)槲覜]有把理論和實(shí)踐相結(jié)合，缺乏動(dòng)手能力而造成的結(jié)果，最后通過老師的糾正和自己的實(shí)際操作，終于把正確的結(jié)果做了出來，同樣也看清了自己的不足之處。 在理論的運(yùn)用中，也提高了我的工程素質(zhì)。 讓我更熟練的掌握 Labview的理論知識(shí) ，對(duì) 它 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。同時(shí)在對(duì)搜集的材料進(jìn)行整核，結(jié)合所學(xué)理論知識(shí)，以及實(shí)際應(yīng)用操作的情況下，提高了實(shí)際操作和獨(dú)立解決問題的能力。在此時(shí)對(duì)以前學(xué)習(xí)的知識(shí)的挑戰(zhàn)與突破。這是我們測(cè)量與分析的唯一依據(jù)。這里又發(fā)生一個(gè)困難，有時(shí)我們并不知道，或不確切知道被采信號(hào)的頻率，因此不但采樣率不一定是信號(hào)頻率的整倍數(shù)，也不能保 證選擇端口 基于 Labview 的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 提供整周期數(shù)的樣本。這里對(duì)樣本數(shù)又有一個(gè)要求，一般不能只提供一個(gè)信號(hào)周期的數(shù)據(jù)樣本，希望有 5～ 10 個(gè)周期，甚至更多的樣本。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來一些麻煩。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。數(shù)據(jù)采集卡就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號(hào)的設(shè)備核心就是 A/D 芯片。 本次設(shè)計(jì)選用 NI 公司的 SC2075 型數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)硬件的核心部分。模擬輸入是采集卡最基本的功能。 數(shù)據(jù)采集卡 在設(shè)計(jì)的過程中，通過傳感器把風(fēng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 選擇器標(biāo)簽 圖 51 條件結(jié)構(gòu) 在條件結(jié)構(gòu)中，選擇端口相當(dāng)于 C 語言的 switch 語句中的表達(dá)式，框圖表示符相當(dāng)于“表達(dá)式 n”。 基于 Labview 的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 圖 49 狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能結(jié)構(gòu)圖 基于 Labview 的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 五、 主要元器件和程序結(jié)構(gòu)的介紹 條件結(jié)構(gòu) 條件結(jié)構(gòu)是 LabVIEW 最基本的結(jié)構(gòu)之一，條件結(jié)構(gòu)類似于文本編成語言中的 switch語句或 if? then? else 語句。根據(jù)分析結(jié)果，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀況作出預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)機(jī)組預(yù)測(cè)性的維護(hù)。 傳感器采集的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)整與信號(hào)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過波形圖實(shí)時(shí)反映出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀況，當(dāng)振動(dòng)值超過設(shè)置的臨界值時(shí)，會(huì)發(fā)出 警報(bào)。 本設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的界面以主菜單形式展開，這種設(shè)計(jì)有利于此后對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展。這是對(duì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程的記錄，是系統(tǒng)維護(hù)人員的指南，是開發(fā)人員與用戶的交流。 本設(shè)計(jì)采用最常見的 Windows 安裝程序的方式進(jìn)行發(fā)布。 基于 Labview 的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 e) Windows 安裝程序 在 Windows 系統(tǒng)中，如果希望將獨(dú)立應(yīng)用程序、共享庫或源代碼發(fā)布給其他用戶，則應(yīng)創(chuàng)建安裝程序。在 Windows 中生成 DLL 文件，也就是通常使用的動(dòng)態(tài)鏈接庫。這種規(guī)范使得用戶只能運(yùn)行一個(gè) LabVIEW 應(yīng) 用程序，而無法查看或編輯 LabVIEW 代碼，在 Windows 系統(tǒng)中生成我們常見的 exe 文件。根據(jù)編程人員的不同目的， VI 有五種不同的發(fā)布形式： a) 源代碼發(fā)布 如果希望發(fā)布的 VI 可以被其他 LabVIEW 開發(fā)人員使用，則需要?jiǎng)?chuàng)建這種規(guī)范，主要用于二次開發(fā)和合作開發(fā)。在編寫的過程中，編程人員可以隨時(shí)地進(jìn)行測(cè)試，以及早的更改有錯(cuò)誤或是不合理的程序。 圖 45 報(bào)警程序框圖 基于 Labview 的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 時(shí)域分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 46 時(shí)域分析系統(tǒng)的程序框圖 幅度相位譜的程序設(shè)計(jì) 圖 47 幅度相位譜程序框圖 基于 Labview 的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 表格顯示程序框圖 圖 48 溫度控制器的程序框圖 測(cè)試程序的目的是發(fā)現(xiàn)程序中潛在的各種錯(cuò)誤和缺陷。 （ 2）其它部分已經(jīng)在溫度顯示部分選完了，所以報(bào)警程序框圖如圖 45 所示。 （ 4） 在函數(shù)選板的【編程】→【數(shù)值】子選板中選擇“數(shù)值常量”函數(shù)，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置（常量數(shù)值設(shè)置為 20）。 基于 Labview 的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 44 創(chuàng)建 DAQ （ 2）打開程序框圖編輯窗口，調(diào)整與前面板相對(duì)應(yīng)的控件圖標(biāo)位置，以便后續(xù)擺放函數(shù)與連線。然后用右鍵單擊調(diào)入的“ DAQ 助手”，選擇屬性選項(xiàng)，就會(huì)出現(xiàn)如圖 44 所示。 友好的用戶界面是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本要求，在風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)中，也是控制和選擇信息輸入、輸出的主要途徑，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生錯(cuò)誤或是故障時(shí)，監(jiān)控軟件操作平臺(tái)向用戶發(fā)出提示或是警告性的信息，系統(tǒng)的分析結(jié)果通過屏幕顯示向用戶發(fā)出控制型的信息。 處理設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是用一種合適的表達(dá) 方式來描述每個(gè)模塊的執(zhí)行過程。 輸入設(shè)計(jì)的目的是保證向系統(tǒng)輸入正確的數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：最小量原則，即在滿足處理要求的前提下，使輸入最小；簡(jiǎn)單性原則，即輸入過程應(yīng)盡量容易，以減少錯(cuò)誤的發(fā)生。 從系統(tǒng)開發(fā)角度看，輸出決定輸入，即輸入信息需要根據(jù)輸出要求確定。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 可分為代碼設(shè)計(jì)、輸出設(shè)計(jì)、輸入設(shè)計(jì)、處理設(shè)計(jì)過程、用戶界面設(shè)計(jì)。該軟件平臺(tái)應(yīng)用快速傅利葉變換將輸入信號(hào)分解，通過曲線擬合、統(tǒng)計(jì)分析、頻率響應(yīng)等步驟，將數(shù)據(jù)以圖和表形式顯示出來，并儲(chǔ)存所有數(shù)據(jù)。 對(duì)于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)，要求對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，即主軸，主軸軸承，增速齒輪箱和發(fā)電機(jī)軸，進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。除了正常的在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)處于異常超過報(bào)警線或者停機(jī)線而給出報(bào)警時(shí)，我們更關(guān)注的是系統(tǒng)出現(xiàn)了什么類型的故障，為何會(huì)出現(xiàn)這樣類型的故障，通過振動(dòng)信號(hào)的各種分析，確定故障頻率發(fā)生的來源，這就要求能保存故障信號(hào)發(fā)生前后的相關(guān)參數(shù)和波形數(shù)據(jù)。以下就本課題的研究?jī)?nèi)容，對(duì)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)過程逐一加以詳細(xì)分析。 4 條輸入通道借助自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時(shí)以每通道高達(dá) kHz 的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字 化。這是一款 4 通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，內(nèi)置集成信號(hào)調(diào)理單元，能針對(duì)配備 NI CompactDAQ 或 NI CompactRIO 系統(tǒng)的集成電路壓電式（ IEPE）與非集成電路壓電式（ IEPE）傳感器，進(jìn)行高精度音頻測(cè)量。構(gòu)建成本低，可使用低層次硬件資源。借助 LabVIEW FPGA 的基本 I/O 功能， CompactRIO 可將硬件與每個(gè) I/O 模塊的 I/O 電路直接連接。 NI CompactRIO 不僅具備實(shí)時(shí)嵌入式處理器的低功率能耗功能，還兼有 RIO FPGA 芯片集的優(yōu)越性能。 NI 公司的 CompactRIO 是一種小巧而堅(jiān)固的高級(jí)嵌入式控制和采集系統(tǒng)，采用可重配置的 I/O （ reconfigurable I/O， 縮寫為 RIO） 。 （ 4）定時(shí) /計(jì)數(shù)器 在 DAQ 應(yīng)用中還經(jīng)常用到定時(shí) /計(jì)數(shù)功能，比如脈沖周期信號(hào)測(cè)量、精確時(shí)間控制和脈沖信號(hào)產(chǎn)生等。一般的數(shù)字 I/O 板卡均采用 TTL 電平。 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)是分辨率和線性誤 基于 Labview 的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 差分辨率，分辨率取決于 D/A 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，線性誤差則刻畫了 D/A 轉(zhuǎn)換器的精度。 （ 2） D/A DAQ 系統(tǒng)經(jīng)常需要為被測(cè)對(duì)象提供激勵(lì)信號(hào)，也就是輸出模擬量信號(hào)。衡量 A/D 轉(zhuǎn)換器性能好壞主要有兩個(gè)指標(biāo)，一是采樣分辨率，即 A 用轉(zhuǎn)換器位數(shù)，二是 A/D 轉(zhuǎn)換速度。雙積分法 A/D 主要應(yīng)用于速度要求不高，但可靠性和抗干擾性要求較高的場(chǎng)合，如數(shù)字萬用表等。就工作原理而言， A/D 轉(zhuǎn)換有 3 種方法：逐次逼近法 A/D、雙積分法 A/D 和并行比較法 A/D。 采集卡（ DAQ） 基于 PC 的數(shù)據(jù)采集卡 DAQ（ Data Acquisition）的基本功能包括模擬量輸入（ A/D） 、模擬量輸出（ D/A） 、數(shù)字 I/O（ Digital I/O）和定時(shí)（ Timer） /計(jì)數(shù)（ Counter） 。 （ 5）線性化 許多信號(hào)傳感器的輸出電壓與原始的物理信號(hào)之間是非線性的， LabVIEW 的內(nèi)置函數(shù)提供了比例函數(shù)，用于進(jìn)行測(cè)試的電壓電平與原始的物理信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。常見的濾波器可去除 50/60 Hz 的交流電源線噪聲， 40Hz 的低通濾波器可從低速采樣信號(hào)中消除 50/60 Hz 的交流噪聲，低通濾波器可濾除所有截止頻率以上的頻率成分。 （ 3）濾波 濾波是從所采集的信號(hào)中濾除不需要的信號(hào)或噪聲。當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與信號(hào)源沒有以同一地線作為參考接地電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)循環(huán)接地現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致待測(cè)信號(hào)的誤讀。 此外，增加信噪比還可以通過降低測(cè)度過程中引入系統(tǒng)的噪聲，比如用屏蔽線、雙絞線電纜或者光纜傳輸信號(hào)等。 通常在低幅值信號(hào)之后加入該放大設(shè)備，并輔以適當(dāng)?shù)男盘?hào)屏蔽設(shè)備以提高信噪比（ SNR） 。 圖 31 傳感器的布局 信號(hào)調(diào)理單元 在將原信號(hào)送入相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備或者測(cè)試儀器之前，往往需要進(jìn)行預(yù)處理步驟，如增加有效信號(hào)強(qiáng)度，減少噪音信號(hào)強(qiáng)度、線性化等，以便更準(zhǔn)確容易地獲得原始信號(hào)的特征。以主軸為軸向，在主軸承的徑向安裝一個(gè)壓電加速度傳感器 1，軸向安裝一個(gè)壓電加速度傳感器 2，在塔架垂直軸線的后方安裝一個(gè)徑向的壓電加速度傳感器 3，這樣配合傳感器 2 可以監(jiān)測(cè)機(jī)艙的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。合理選擇傳感器有二個(gè)方面，一是傳感器性能，要求振動(dòng)傳感器可靠性和靈敏度高、線性好、失真小、無相移、頻響范圍寬及抗干擾能力強(qiáng)；二是被測(cè)對(duì)象的條件和要求，只有兩者很 好的結(jié)合，才能獲得最佳效果。以下就組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主要硬件做詳細(xì)的闡述。 被 測(cè)風(fēng)速 值 傳 感 器 信號(hào)調(diào)理 數(shù)據(jù)采集卡 計(jì)算機(jī) 非電量 電信號(hào) 模擬 信號(hào) 數(shù)字 信號(hào) 基于 Labview 的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 三、 風(fēng)力發(fā)電的數(shù)據(jù) 監(jiān)測(cè)與控制的硬件組成 本課題所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件的重要組成部分有傳感器、通訊傳輸線路設(shè)備、信號(hào)調(diào)理 單元、數(shù)據(jù)采集卡，服務(wù)器和個(gè)人計(jì)算機(jī)等。 在設(shè)計(jì)過程中我也附加