【正文】 反過來又提高了性能并降低了成本。這與虛擬儀器的許多性質是相同的，虛擬儀器是 “ 一個軟件定義的系統(tǒng)，其中基于用戶需要的軟件定義了通用測量硬件的功能 ” ?；谲浖臏y試系統(tǒng)的成功應用，例如綜合性儀器，需要有對硬件平臺和市場上軟件工具的理解，以及對系統(tǒng)級體系結構和儀器級體系結構之間區(qū)別的理解。為了降低測試系統(tǒng)的成本并提高重用率， DoD 通過海軍的 NxTest 計劃已經(jīng)確定：將來的 ATE 要使用建立在模塊化硬件和可重復配置的軟件基礎上的體系結構，稱為綜合性儀器。 自動測試工業(yè)中一個基本的趨勢就是向基于軟件的測試系統(tǒng)的重大轉變。除了提供庫之外， 200多家儀器廠商也為 NI 儀器驅動庫提 供了 4000 余種儀器驅動。 虛擬儀器可與傳統(tǒng)儀器完全兼容，無一例外。即使任務完全不同，他也可以重用同樣的 M 系列 DAQ 設備，他所需要做的就是使用虛擬儀器軟件開發(fā)出新的應用程序。 （ 2）許多應用程序，一個設備 圖 5 許多應用程序重復使用硬件 資料來源：吉林大學精品課程 .虛擬儀器原理及應用 [DB/OL]. 圖 5 所示的例子中，一 個工程師剛剛完成了一個利用最新的 M 系列 DAQ 設備和積分編碼器測量電機位置的項目?；蛘撸赡苄枰獞贸绦蚓哂斜銛y性，所以選擇了 NI USB DAQ產(chǎn)品來完成任務。 （ 1） 一個應用，不同的設備 圖 4 在不同設備上使用同樣的應用程序 資料來源：吉林大學精品課程 .虛擬儀器原理及應用 [DB/OL]. 圖 4 所示的例子中，一位工程師正在實驗室的臺式計算機 PCI 總線上使用 NI LabVIEW 和 M 系列 DAQ 設備開發(fā)一個應用程序，以創(chuàng)建一個直流（ DC）電壓和溫度測量應用。此外，利用虛擬儀器計數(shù)，工程師和科學家們還可以使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能。傳統(tǒng)儀器把所有軟件和測量電路封裝在一起，并利用 儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。而且，由于虛擬儀器在測量任務需要改變時具有更大的靈活性，隨著時間的推移，節(jié)省的成本也不斷累計。 圖 3傳統(tǒng)儀器虛擬儀器比較圖 資料來源： NI中國首頁 .虛擬儀器技術 [DB/OL]. 每一個虛擬儀器系統(tǒng)都由兩部分組成：軟件和硬件。 圖 2 自定義儀器的用途 資料來源：泛華測控 .虛擬儀器技術 [DB/OL]. 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較 傳統(tǒng)儀器的功能固定且由廠商定義。隨著產(chǎn)品在功 能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。 NI 設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。 （ 2）擴展性強 NI 的軟硬件工具使得工程師和科學家們不再圈束于當前的技術中。 虛擬儀器技術的四大優(yōu)勢 （ 1）性能高 虛擬儀器技術是在 PC 技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全 “ 繼承 ” 了以現(xiàn)成即用的 PC 技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。虛擬儀器既可以作為測試儀器獨立使用，又可以通過高速計算機網(wǎng)絡構成復雜的分布測試系統(tǒng)，進行遠程測試、監(jiān)控與故障診斷。虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標準，因此用戶可以將儀器的設計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標準，使資源的可重復利用率提高，功能易于擴展，管理規(guī)范，生產(chǎn)、維護和開發(fā)費用降低。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫，可以很方便地修改儀器功能和面板，設計儀器的通信、定時器和觸發(fā) 器功能， 實現(xiàn)與外設、網(wǎng)絡及其他應用的連接，給了用戶一個充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。傳統(tǒng)儀器的某些硬件在虛擬儀器中被除數(shù)軟件所代替，由于減少了許多隨時間可能漂移、需要定期校準的分立式模擬硬件，加上標準化總線的使用，使儀器的測量精度、測量速度和可重復性都大大提高。虛擬儀器將信號分析、顯示、存儲、打印和其他管理集中交由計算機來處理，充分利用了計算機強大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和發(fā)布能力，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活和簡單。通過利用虛擬儀器開發(fā)軟件編制出的虛擬儀器程序，用戶可以調整數(shù)據(jù)采集板的動作，使軟件就像一臺示波器一樣顯示輸出的波型，同時虛擬示波器還可以進行許多分析工作。隨著插入式數(shù)據(jù)采集板速率的提高和觸發(fā)技術的改進，插入式數(shù)據(jù)采集板技術使臺式儀器獲得了新生。虛擬儀器廣泛應用于電子測量、電力工程、醫(yī)療、溫度檢測、振動分析、聲學分析、故障診斷用教學科研等諸多領域。圖 1 反映了常見的虛擬儀器組建方案。 第二章 系統(tǒng)開發(fā)工具概述 虛擬儀器概述 虛擬儀器（ virtual instrument）是指通過應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來，用戶可通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像在操作自己定義、自己設計 的一臺單個儀器一樣，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。但許多生產(chǎn)過程都具有危險性，而且作為學生，目前還沒有條件到工廠中了解整個過程。 （ 2） 虛擬儀器基于軟件的體系結構大大節(jié)省了開發(fā)和維護費用。首先，在一臺計算機上就可以實現(xiàn)諸如示波器、函數(shù)發(fā)生器、電壓表、頻譜分析儀器的功能，大大節(jié)約了儀器成本。與傳統(tǒng)的實驗室相比，虛擬儀器實驗室具有以下優(yōu)勢。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器。在計算機上建立了測試控制系統(tǒng)，可以將許多信號處理的方法方便的應用到測量中，已經(jīng)廣泛用于軍事、航空、航天、科研和工廠等民用場合。 現(xiàn)代檢測技術的現(xiàn)狀和未來 隨著計算機技術和現(xiàn)代測試技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代檢測系統(tǒng)越來越復雜，需要測試的數(shù)據(jù)量也越來越大，對 測試的速度、精度、實時性、數(shù)據(jù)可信度、完整性以及測試系統(tǒng)的可靠性、智能化、開放性等的要求也越來越高。 縱觀上述，從鍋爐控制的發(fā)展過程來看，僅靠人工加常規(guī)儀表，不僅難以做到平穩(wěn)操作，安全生產(chǎn)也沒有確定的保證，工人的勞動強度大，生產(chǎn)條件差，而且運行熱效率低，浪費能源，污染環(huán)境。在鍋爐控制理論方面，也有許多優(yōu)秀的控制理論相繼出現(xiàn)。 21 世紀第一個 10 年的熱點必將是傳感、執(zhí)行與檢測。要加強對檢測技術的研究，提高對鍋爐的溫度、壓力、流量等參 數(shù)的檢測 水平，達到用智能化手段進行檢測。在鍋爐設備的研制方面，要遵循通用化、標準化、專用化得設計原則，盡量減少安裝時間，降低成本。要加強利用網(wǎng)絡，使信息資源在控制裝置中充分發(fā)揮其作用，推動控制系統(tǒng)向更高層次發(fā)展。主要是提高硬件的可用性、可維護性，加強元器件的標準化，盡快提高設備的生產(chǎn)水平。 （ 2） 提高控制系統(tǒng)的硬件水平。鍋爐控制的自動化研究方向應該集中在以下幾個方面： （ 1） 提高控制器的可靠性。 （ 3） 系統(tǒng)對先進控制技術的使用停留在系統(tǒng)局部控制上，在綜合系統(tǒng)中總體不足。因此，從行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來說，盡管我國對鍋爐控制的研究和推廣已取得了很大的進展 ，但仍然存在問題較多，概括起來有以下一些特點： （ 1） 利用效率低、能源消耗大、系統(tǒng)在節(jié)能降耗方面還有待于進一步加強。據(jù)有關資料統(tǒng)計，我國現(xiàn)在工業(yè)鍋爐約 30 萬臺，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)鍋爐的需要量正在以每年 2 萬噸的速度增長，每年消耗的原煤 2， 108噸，占全國原煤產(chǎn)量的 1/3，數(shù)量極其可觀。到了 90 年代，出現(xiàn)了以計算機作為自動化工具的過程控制技術，計算機控制系統(tǒng)運算速度快，控制精度高，并且具有分時操作功能，一臺計算機可代替多臺常規(guī)裝置，計算機具有較強的記憶功能和邏輯判斷功能，在環(huán)境或過程參數(shù)發(fā)生變化時，能及時做出 判斷，選擇最優(yōu)控制決策。 60 年代，鍋爐的控制還只是實行人工操作，鍋爐的燃燒完全是憑鍋爐工人的經(jīng)驗，幾乎談不到自動控制。最初，大多數(shù)系統(tǒng)時在引進國外成套設備的同時進行消化吸收，然后進行二次開發(fā)和應用。而用 labview 實現(xiàn)的系統(tǒng)控制，也是近幾年才發(fā)展起來的，是一個逐漸深入的過程，雖然與其他發(fā)達國家相比還存在差距，但是在 此方面的進步卻是很大的。 鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展是近幾年的事情，國外的鍋爐工業(yè) 50 年代發(fā)展最快， 70 年代達到高峰。而作為鍋爐控制裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、濟運行，減輕操作人員的勞動強度。 國內外發(fā)展狀況 鍋爐作為能源轉換和消耗的設備已有兩百多年的歷史了，處于歷史的原因，我國鍋爐自動控制的水平一直都較低，鍋爐微機控制是近幾年是近年來開發(fā)的新技術，它是微型計 算機軟件、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術密結合的產(chǎn)物。要求節(jié)煤率達到 5%以上，裝置投資的回收期在 1 年以內，取暖鍋爐為 3 年以內。 鍋爐是能量轉化的重要設備，目前我國的燃煤鍋爐數(shù)量眾多，我國現(xiàn)有中、小型鍋爐 30 多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的 1/4，目前 ,我國相當?shù)囊徊糠皱仩t，還在使用儀表控制，仍處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染嚴重的生產(chǎn)狀態(tài)這樣，不 僅難以做到平穩(wěn)操作，而且 ,生產(chǎn)條件差 ,運行效率低。因此，對熱控設備的改造成為一個十分迫切的問題 .而鍋爐原來采用的是常規(guī)測量指示儀表，反應緩慢，無人機界面功能，基本不具備自動調節(jié)與控制功能。 在現(xiàn)代社會中，隨著計算機，電子技術的飛速發(fā)展，居民生活區(qū)的集中熱力供應量的需求越來越大，蒸汽鍋爐的容量不斷提高，對操作過程要求更加嚴格，鍋爐的液位控制直接影響人們自身和設備的安全，液位過低可能使鍋爐出現(xiàn)干燒現(xiàn)象，液位過高又會使鍋爐蒸汽壓力過高，發(fā)生危險。如小型鏈條式工業(yè)鍋爐用的是新型測控裝置。國家在第 12 個五年計劃的科技創(chuàng)新指南中，對光電一體化、資源與環(huán)境、新能源與高效節(jié)能的指南性課題中明確指出：需要自動化程度高、節(jié)能潛力大、提高安全系數(shù)、減輕勞動強度、價格低的新型測控裝置。但是，在實際生產(chǎn)運行中，鍋爐的液位控制直接影響了鍋爐是否正常運行以及運行的安全狀況。液位控制技術作為鍋爐系統(tǒng)控制中較為重要的一項技術，也成為了鍋爐制造企業(yè)技術含量的衡量點。鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設備。 鍋爐的重要性 火力發(fā)電是我國電力能源的主要來源。 在燃煤 (特別是燃褐煤 )的電站鍋爐中采用分級燃燒或低溫燃燒技術，即延遲煤粉與空氣的混合或在空氣中摻煙氣以減慢燃燒，或把燃燒器分散開來抑制爐溫，不但可抑制氮氧化物生成，還能減少結渣。 70 年代石油提價后，許多國家又重新轉向利用煤炭資源。 第二次世界大戰(zhàn)后，石油價廉，許多國家開始廣泛采用燃油鍋爐。隨著鍋爐容量增大，旋流式燃燒器的數(shù)目也開始增加，可以布置在兩側墻，也可以布置在前后墻。燃燒器噴出的煤粉氣流在爐膛中先下降，再轉彎上升。自第二次世界大戰(zhàn)初起，電站鍋爐幾乎全部采用室燃爐。 發(fā)電機組功率超過 6 兆瓦時 ，以上這些層燃爐的爐排尺寸太大，結構復雜，不易布置，所以 20 年代開始使用室燃爐，室燃爐燃燒煤粉和油。 早期爐膛低矮，燃燒效率低。 直水管鍋爐出現(xiàn)后開始采用機械化爐排，其中鏈條爐排得到了廣泛的應用。因此，不但要求發(fā)展各種爐型來適應不同燃料的燃燒特點，而且還要提高燃燒效率以節(jié)約能源。后來又發(fā)展了由輔助循環(huán)鍋爐和直流鍋爐復合而成的復合循環(huán)鍋爐。隨著自動控制和水處理技術的進步，它們漸趨成熟。 第二次世界大戰(zhàn)以后，這兩種型式的鍋爐得到較快發(fā)展，因為當時發(fā)電機組要求高溫高壓和大容量。在下降管系統(tǒng)內加裝循環(huán)泵，以加強蒸發(fā)受熱面的水循環(huán)。在發(fā)展自然循環(huán)鍋爐的同時，從 30 年代開始應用直流鍋爐，