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1、 基于Labview的风力发电数据监测系统设计各专业全套优秀毕业设计图纸沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目：基于Labview的风力发电数据监测系统设计系 别 自动化学院 班级 测控本112 学生姓名 学号 2011313222 指导教师 职称 讲师 起止日期：2014年 9月 9日起至2014年9月19日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目：基于Labview的风力发电数据监测系统设计系 别 自动化学院 班级 测控本112 学生姓名 学号 2011313222 指导教师 职称 讲师 课程设计进行地点： 实训楼 F430 任 务 下 达 时 间： 14年 9月9日起止日期： 14
2、年9月9日起至14年9月19日止教研室主任 年 月 日批准1.设计主要内容及要求；基于LabVIEW软件设计了集用户登录、信号采集及频谱分析等功能为一体的风力发电机组在线监控系统1）用户登录界面。普通用户可以通过输入用户名和密码登录系统。2）通道配置界面。在这里可以根据实际需要，对通道口的选择、滤波器开关的选择、通道报警值、采样最大最小值、输入方式配置、采样频率及采样模式等进行设置。3）实时数据显示功能。对风电机组的相关数据进行实时显示，采用多种显示方法，例如波形图，表格等方式；4）数据存储功能，将显示的数据进行存储，并可以调用存储的数据进行显示；最好将采集的数据存储到数据库中，该系统实现数据
3、库功能。5）报警记录界面。通道的报警历史记录，便于普通用户和管理员及时对风力发电机组维护和管理。2.对设计论文撰写内容、格式、字数的要求；（1）.课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。（2）.学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。（3）.论文要求打印，打印时按沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范的要求进行打印。（4）. 课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献
4、。3.时间进度安排；顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注19月9日教师讲解题目，学生查阅相关资料29月10日进行方案论证，确定程序流程，熟悉NI-DAQ使用方法39月11日-17日程序设计49月18日调试程序59月19日撰写论文，成果验收沈 阳 工 程 学 院 基于Labview的风力发电数据监测系统 课程设计成绩评定表系（部）：自动化学院 班级：测控本112 学生姓名： 杨 超 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设
5、计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写
6、工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分 目 录课程设计任务书II课程设计成绩评定表IV摘 要1设计任务描述21、设计题目22、 设计要求2一、 概论31.1 风能31.2 风力发电的发展状况31.3虚拟仪器与 LabVIEW 介绍4二、设计思路102.1 数据的采集102.2 软件功能的实现10三、 风力发电的数据监测与控制的硬件组成113.1 传感器113.2 信号调理单元113.3 采集卡（DAQ）12四、 应用 LabVIEW设计风力发电数据监测软件平台154.1需求分析154.2 系统
7、设计154.3 软件编写154.3.1软件流程图164.3.2控制器前面版的设计164.3.3数据采集程序框图的设计174.3.4 报警程序框图的设计184.3.5时域分析系统的设计194.3.6 幅度相位谱的程序设计194.3.7 表格显示程序框图204.4程序的测试与发布204.5监测系统功能21五、主要元器件和程序结构的介绍235.1 条件结构235.2 数据采集卡23设计总结25致谢26参考文献27V 摘 要 风力发电作为一种清洁能源，近年来得到了世界各国大力研究和开发。大型风力发电机组因地处宽阔边远地域，如近海和戈壁滩、草原等三北地区，其分布面积广，且数量多，远离监控中心。受其恶劣的
8、自然环境，以及复杂的发电机组和电力电子装置等因素影响，风力发电机设备很容易遭破坏，影响生产。要使风电场与其它发电厂相比更加具有竞争力，必须提高其可靠性、高效率及发电机组的寿命。因此，对于风力发电场要求有可靠的远程监测和无人值守运行控制系统。数据监测作为风电机组设备正常运行，优化机组设备使用，以及机组设备的故障诊断的必要手段，研究开发完善优化的状态监测系统有着十分重要的意义。 数据监测技术的目的就要是寻找一些应用于大型风力发电机组的故障分析和预测方法，通过自动在线监测技术实现机组实时状态监测和故障诊断分析，以及利用在线监测技术预测机组状态的发展并及时提供维护信息，减少安全隐患。在线监测及趋势分析
9、技术可以随时反映机组的运行状态和故障程度，而且可以预示今后可能发生的故障，进而优化风力发电机组的运行和使用。 采用美国国家仪器公司 NI（National Instruments Corporation）虚拟仪器技术和 LabVIEW8.5 作为软件平台，尝试开发大型风力发电机组旋转机械数据监测系统，并根据风力发电机组和风电场远程监控的特征，对监测系统的通信方式进行分析比较后，选择通信方案。监测系统的目的是对采集的振动信号通过曲线拟合、统计分析、频率响应等步骤进行定量分析，将数据以图和表的形式显示出来，并储存所有数据。经过对模拟输入振动信号的分析处理进行仿真，验证了该风力发电机组旋转机械振动监
10、测软件平台的可操作性，具有进一步开发和完善其现场应用的价值。关健词 大型风力发电机组，无线局域网，数据监测，虚拟仪器，LabVIEW 设计任务描述1、设计题目基于Labview的风力发电数据监测系统设计2、 设计要求2.1 设计目的：基于LabVIEW软件设计了集用户登录、信号采集及频谱分析等功能为一体的风力发电机组在线监控系统2.2 基本要求1）用户登录界面。普通用户可以通过输入用户名和密码登录系统。2）通道配置界面。在这里可以根据实际需要，对通道口的选择、滤波器开关的选择、通道报警值、采样最大最小值、输入方式配置、采样频率及采样模式等进行设置。3）实时数据显示功能。对风电机组的相关数据进行
11、实时显示，采用多种显示方法，例如波形图，表格等方式；4）数据存储功能，将显示的数据进行存储，并可以调用存储的数据进行显示；最好将采集的数据存储到数据库中，该系统实现数据库功能。5）报警记录界面。通道的报警历史记录，便于普通用户和管理员及时对风力发电机组维护和管理。2.3 发挥部分 自由发挥 一、 概论1.1 风能 太阳辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，在不均压力的作用下，空气沿水平方向运动就形成了风。风能本质上是太阳能的转化形式，因此可以说风能是一种取之不尽的可再生能源。 近几年来，传统能源石油的价格持续攀升，在 2003 年第二季度每桶石油还是 23 美元，而到了 2008
12、 年7 月间，纽约和伦敦两地商品交易所的油价双双突破每桶 147 美元，创历史新高纪录。并且据著名金融机构高盛的预计，每桶石油价格将突破 200 美元。尽管价格已是高昂，但世界各国对石油需求仍是有增无减，世界范围的石油供给处于相当紧张的局面。2008 年由美国引发的全球的金融危机，造成了全球经济的全面下滑，世界上大部分国家，特别是西方工业大国的生产和消费能力降低。表面上似乎各国对能源的需求也同时降低了，但人们在这场金融危机的背景下，也逾发体会到，对传统能源的依赖，势必造成对本国的基础行业和制造业的发展受能源输出国的牵制，这种不稳定的发展就会进而影响到消费品行业、服务业和金融业，因此对新能源的需
13、求已经具有十分重要现实的经济利益。 此外，为了减轻世界环境污染，减少温室气体排放，也使世界各国加快了寻找开发替代高污染排放的石油、煤炭等价廉的清洁新能源。2008 年美国新当选总统巴拉克奥巴马（ Barack Obama）在上任之前就郑重宣布美国政府要在 10 年内投资 1500 亿美元用来投资可再生能源的研究，以减少传统能源所产生的温室气体排放。 作为可再生能源的风能以其蕴量巨大、可以再生、分布广泛、无污染等优点受到世界各国的相关决策部门的重视， 发展迅速。 1.2 风力发电的发展状况 1.2.1 世界风电发展状况 美国的 Charles F. Brush（1849-1929）在 1887-
14、1888年冬安装了一台被现代人认为世界上最早的风力发电设备。其叶轮直径 17米，由 144个雪松木制成叶片，该风机转速低效率不高，功率仅为 12kW。1891 年丹麦人建造了世界首个风电场，早期的风电涡轮机是通过改装推进器来进行直接发电。到 1910年时，已有好几百台风力发电机组在丹麦运行，同年美国和荷兰等国家也已经有风力发电机组在运行。风力发电的应有最早是在偏远地区，在此后一段时间内，由于风力发电设备机械事故频发且发电成本较高，而石油价格却在下降，能源供应充沛，因而风力发电并没有得到足够的重视，几乎没有得到什么发展。直到上世纪五十年代以后，人们开始对环境和自然资源的重视， 特别是 1973年
15、世界石油危机的爆发， 风力发电得到了人们足够的重视，在技术上得到了日新月异的发展，风力发电逐步从科研走向产品，从实验室走向实用。 欧洲的风力发电技术及应用起步早，丹麦和德国已是当今世界风力发电机设备的主要供应国。目前风力发电机组的发展主要有两个明显的趋势：一是单机容量定型化，兆瓦级的风力发电机产品已普遍应用；二是风力发电机组运行规模化，建立大型风电场，以降低风力发电的成本。当今世界风力发电市场发展迅速，据丹麦 BTM 咨询公司的统计，2007 年全球风力发电市场新增装机容量创新高， 新增 1,980万 kW， 累计总容量达到了 9,400 万kW， 较 2006年的 7,431万 kW 的总容
16、量增长了 26.5%。2002 年至 2007 年全球风力发电的新增装机容量年复和增长率为 24%。与 2006 年相比，德国、美国和西班牙保持了前 3 位，中国则从第 6 名升至第 5 名。1.2.2 中国风电发展状况 研究资料表明，我国风能资源丰富，陆上可开发利用的风能资源达 2.53 亿 kW，近海的风能资源是陆地的 3 倍，可开发利用的风能资源达 7.5 亿 kW，共计约 10 亿 kW。我国风能资源主要分布在东南和辽东半岛的沿海及其岛屿，内蒙古北部，甘肃，新疆北部地区，以及松花江下游地区。我国的风力发电产业起步较晚，大致开始于上世纪 60-70 年代。上世纪 80 年代初开始，原国家
17、科委和国家计委将新能源利用列入国家科技攻关计划，其中包括风力发电科技攻关项目。从 1986 年山东荣城建立了我国第一个风电场并且并网以来，我国的风电产业才真正的开始。至2006 年底，我国已在 16个省、直辖市、自治区建有 91 个风电场。 2006年 1 月我国的中华人民共和国可再生能源法正式开始实施，风力发电的发展受到了鼓励和支持。此外，国家发展和改革委员会发布的可再生能源发展“十一五”规划提出，到 2010 年我国可再生能源中的风电总装机容量达到 1000 万kW。实际发展很快，截止 2007 年年底，装机容量已达到 605万 kW，到 2008 年底装机估计就要达到 1000万 kW。
18、1.3虚拟仪器与 LabVIEW 介绍 1.3.1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器 VI（Visual Instrument）通常是指具有虚拟面板的个人计算机仪器，最早是由美国国家仪器公司 NI（National Instruments Corporation）在 20 世纪 80 年代提出的。它是以计算机软、硬件技术为核心，依赖于自动控制技术、传感器技术、现代信号处理技术、现代网络技术、数值分析技术的一项现代综合测试技术。 20世纪70年代， 计算机开始处理传统仪器测试数据， GPIB技术开始发展， 促进了IEEE488.2标准的诞生。20 世纪 80 年代随着计算机技术的进一步发展，计算机主板上
19、有了多个扩展槽，并出现了插在计算机里的数据采集卡，这样的系统可以采集数据，并通过计算机软件直接分析处理，这就是虚拟仪器系统的雏形。20 世纪 90 年代，计算机总线速度进一步提高，PCI 总线的数据传输速率达到了 132Mbps，1996 年底，NI 公司在 PCI 总线的基础上提出了第一代 PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）系统的技术规范。 虚拟仪器通常由计算机、测量电路模块、应用软件组成。计算机可以是流行的 PC 台式机，笔记本电脑或是工作站等。测量电路模块通常由各种插卡式或外置卡信号调理电路板、数据采集卡 DAQ（Data Acquisitio
20、n） ，也可以是带计算机接口的测量仪器。应用软件 LabVIEW 开发的虚拟面板上有与真实仪器相同功能的虚拟开关、按键和旋钮等。用户通过友好的图形界面来操作仪器，从而完成对测量信号的采集、分析、判断、显示和数据存储等。1.3.2 LabVIEW 的介绍及其特点LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美国国家仪器公司 NI开发应用于工业测试的集成开发环境，也是工业上广泛使用的基于图形化编程语言 G（G Language）开发的一种编程软件。它是一种强有力的虚拟仪器开发工具，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据
21、显示等领域。它最先被应用于苹果机上，随着计算机操作系统软件的发展，逐渐发展到可在多种操作平台上运行，如：Windows、 Sun SPARC stations、Apple Macintosh computer、HP-UX workstations 等。利用 LabVIEW可生成 32 位的编译程序，使用户的数据采集、测试和测量能得以高速运行。 LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW 与其它编程语言不同的是，编程语言是基于文本语言的程序代码（Code） ，而 LabVIEW 则是使用图形化程序设计语
22、言 G（Graphic） ，用框图代替了传统的程序代码。LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。主要特点为： 第一，使用图形化编程方式，在流程图中创建源程序。LabVIEW 所运用的图标与工程师们使用的大部分图标一致，这使得工程师们也能轻松地编程，而不需要专业的软件人员。第二，有程序调试功能，继承传统编程语言的结构化和模块化的优点，拥有数据采集、仪器控制、分析、网络、ActiveX等集成库提供 DLL 库接口、CIN节点以及大量的仪器、网络通信 VIs 与其它应用程序或外部设备进行连接，提供大量的函数库及附加工具；第三，运用
23、层次化结构，程序流程明确清晰；第四，模块化的程序设计语言，用户可以把一个 VI（virtual instrument 虚拟仪器）程序创建成自己的一个图标/接口（即 VI 子程序） ，然后被其它 VI 程序所调用，而且其被调用的阶数是无限制的。 最后， LabVIEW 还使用并行工作方式， 作为一个多任务的软件系统，当 LabVIEW创建具有同步的程序块时，就可交互地运行并行 VIs 程序。一个 VI 程序由三部分组成： （1）前面板（Panel） ：前面板是 VI 的交互式用户接口，相当于真实物理仪器的操作面板，由具备各种输入、输出功能的控件组成，实现用户与程序的交互。 （2）程序流程图（Bl
24、ock Diagram） ：相当于仪器的电路结构，以数据流的方式实现对采集数据的处理。VI 从数据流框图程序中接收指令，框图程序是一种解决编程问题的图形化方法，实际上是 VI 的程序代码。 （3）图标连接端口（Connector） ：相当于仪器中的某个集成电路，是对子程序（subVIs）的调用形式，是 VI 程序的可选部分。VI 图标连接端口的功能端口就像一个图形化参数列表，可在 VI 与 SubVI之间传递数据。一个 VI 既可以作为上层独立程序，也可以作为其他程序（或子程序）的子程序。当一个 VI 作为子程序时，称作 SubVI。 其设计的基本结构有五点： （1）层次化结构 LabVIEW
25、是模块化程序设计语言， 用户可以把一个VI程序创建成自己的一个图标/接口 （即VI 子程序） ，然后被其他 VI 程序所调用。用这种方法可设计出一个有层次关系的 VIs 或者子VIs，而且调用阶数是无限制的。 （2）并行工作 LabVIEW是一个多任务的软件系统，当创建具有同步工作的程序模块时，就可交互的运行并行 VIs 程序。 （3）常规语法结构：While Loops，For Loops，Case 结构，顺序结构等。 （4）基于文本的公式结（Formula Node） 公式结是一种用于书写数学公式的文本编辑框。（5）CIN节点（code interface node）。1.3.3 LabV
26、IEW 的开发环境程序开发环境是编程人员与程序代码之间的桥梁， LabVIEW 的开发环境提供了软件环境的自定义功能，主要包括系统运行环境，编程窗口环境，VI 服务器和 Web 服务器四大部分。LabVIEW 具备 Windows 平台下应用软件的共性，如快捷键、窗口风格、操作方式等。也有与其独特应用方式有关的自有的配置选项。 LabVIEW的熟练者可以通过设置编程环境来使工作更便捷。操作人员可以从“ToolOptions”菜单中调出软件环境对话框，如图 1-1 所示，根据自己的操作习惯和编程风格来配置编程环境。 图 1-1 LabVIEW软件环境界面设置 LabVIEW的编程需要通过与程序设
27、计，编码及调试等过程相关选项的配置。主要内容如下八点： （1） 前面板（Front Panel） 此选项页包含前面板显示相关选项的设置，主要是控件的默认属性，包括标签、动画效果及样式等。通过控件的右键快捷菜单，可以分别设置控件属性。控件是程序面板的基本组成元素，一般选择“新式”和“经典”两种控件，控件的样式不随操作系统改变。 “系统”直接调用操作系统的控件，风格与 Windows应用程序相似。 图 1-2 前面板 Front Panel （2）程序流程图（Block Diagram） 此选项页包含程序框图的相关设置，主要是程序流程图编写的默认属性。重要的配置内容有：将控件标题作为子 VI 的提
28、示框；从程序流程图中删除或复制前面板接线端；在新 VI 中启用自动错误处理和启用自动错误处理对话框；启用自动连线和自动连线路径选择；在循环中自动插入反馈节点；以可扩展节点形式放置子 VI；启用放置结构的自动扩展功能。 图 1-3 程序流程图 Block Diagram （3）对齐网格（Alignment Grid） 此先项页用来设定前面板和程序流程图上的网格，使对象在放置、移动或调整大小时与网格对齐，主要的配置内容有：启用前面板网格对齐；缩放新对象以匹配网格大小；对齐网格绘制式样。 （4）控件和函数选板（Control / Functions Palettes） 在前面板或背板上右击，会弹出控
29、件或函数选板。用户可以设置选板的显示模式和加载方式。 该选项页可以设置的配置项主要有以下几种： 格式 （Format） ； 导航按钮 （Navigation Buttons） ；加载选板（Palatte Loading） ；排序选板项（Sort palette items） 。 （5）共享变量引擎 此选项页在“时间服务器搜索顺序” 中列出作为时间服务器的计算机。任何运行时间同步服务的计算机都可作为时间服务器使用，主时间服务器是列表中的第一台计算机。用户可以查找、添加或删除作为时间服务器的计算机，还可以设置“休眠时间/秒” （Sleep time / Seconds）选项，即时间服务器计算机在两
30、个同步的间隔等待的秒数。 （6）菜单快捷方式（Menu Shortcuts） 该页用于设置 VI 菜单项的键盘快捷方式，一般自定义都是 Ctrl+Shift+*的快捷键。单项（Menu Items and Shortcuts）列表显示了菜单项对应的快捷键。选择某个菜单项后，用户可以在快捷方式和组合键，设置该菜单项的快捷方式。 （7）修订历史（Revision History） 该页用于设置修订历史的添加规则，与 VI 属性不同的是，这里主要是选择通用的添加注释的方法及显示的格式。主要有：每次保存 VI 时添加注释；关闭 VI 时提示输入注释；保存 VI时提示。输入注释 ；记录由 LabVIEW
31、 生成的注释 ；在标题栏中显示修订号 ；用于 VI 修订历史的名称。 （8）调试（Debugging） 此选项页用来对 LabVIEW 提供的调试工具进行设置，选项包括：高亮显示执行过程中的数据流 ； 高亮显示执行过程中的自动探测值 ；默认在错误列表对话框中显示警告 ； 启动时提示调查内部错误。 VI 的属性设置是程序编写的一部分， 功能主要是帮助编程人员管理 VI 程序及控制 VI 运行的状态和显示方式。从菜单项“FileVI Properties”可以调出 VI 属性设置的对话框。通过设置基本属性，编程人员可以更有效地管理 VI 程序。 在编写大型软件时，LabVIEW 一般通过目录结构管
32、理文件，通过设定 VI 搜索路径，可使 LabVIEW 在确定的范围内操作 VI。 LabVIEW8.20 以后的版本提供了安全选项，用于共享变量的管理。当多台计算机协同工作时，为了安全起见需要设立域，访问时要求使用密码登录。安全设置主要包括登录方式、用户名、密码管理、域管理。 通过设置 VI 服务器（VI Server） ，用户可以将本机上的 VI 发布，这样其他的用户可以通过网络访问该 VI，权限为只读。VI 服务器为 C/S模式，一般在工作组中设立一个 VI 服务器，其他计算机可以访问获取信息。 与 VI 服务器不同，Web服务器主要针对非工作组成员。它允许用户通过浏览器访问和使用 VI
33、，是将程序提供给用户测试的好方式。 二、设计思路 2.1 数据的采集数据采集(Data Acquisition，简称DAQ)就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过各种传感器件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到计算机进行数据处理和记录的过程。数据采集系统通常由传感器、信号调理、数据采集卡、计算机及外设等部分组成。其中传感器是将被测量（通常为非电量）转换成电信号的信号转换元件，由于传感器所产生的电信号一般不可能直接输入至PC，必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地采集。信号调理就是将传感器所输出的电信号进行放大、隔离、滤波等，以便数据采集卡实现数据的
34、采集。被测风速值传感器信号调理数据采集卡计算机非电量电信号模拟信号数字信号 图2-1风速采集系统的结构图2.2 软件功能的实现外面的信号成功的导入到计算机当中后，接下来就要就行软件的连接了，由于要使外界采集来的电压，风速真实的显示在观察者面前，所以在进行LabView的软件编程时，就需要将外界时时变化的温度与一个显示控件相连，这样读者就可以从前面板上读出此时此刻真实的值了。其次，要求中还想通过波形图表来观察被测信号的变化趋势，那么我就在程序设计时，创建了一个显示控件的局部变量，再通过这个局部变量与波形图表相连，这样通过前面板的波形变化就能知道被测值的变化。在设计过程中我也附加了一些功能，例如：
35、报警等。如果风速过大或者电压值不稳，就会产生报警信号，报警这个功能是很容易实现的，只要用一个比较函数就可以实现，把我设定的值连接到比较函数的X输入端，外界温度值连接到比较函数的Y输入端，比较函数的输出端与一个布尔指示灯相连就可以实现报警了。三、 风力发电的数据监测与控制的硬件组成 本课题所设计的监测系统的硬件的重要组成部分有传感器、通讯传输线路设备、信号调理单元、数据采集卡，服务器和个人计算机等。在目前市场上，有着众多不同品牌的各式型号的硬件，要从中选择一款合适的硬件，并且兼顾成本，使研发的系统做到具有合理的性价比，首先就要了解这些硬件的工作原理和功能。以下就组成监测系统中的主要硬件做详细的阐
36、述。 3.1 传感器 目前较先进的振动测试用的传感器有电涡流传感器，速度传感器和压电加速度传感器。合理选择传感器有二个方面，一是传感器性能，要求振动传感器可靠性和灵敏度高、线性好、失真小、无相移、频响范围宽及抗干扰能力强；二是被测对象的条件和要求，只有两者很好的结合，才能获得最佳效果。 如图 3-1 所示，由主轴转动引起的机舱振动，频率低，可以采用压电加速度传感器测量。以主轴为轴向，在主轴承的径向安装一个压电加速度传感器 1，轴向安装一个压电加速度传感器 2，在塔架垂直轴线的后方安装一个径向的压电加速度传感器 3，这样配合传感器 2 可以监测机舱的扭转振动。 由齿轮和轴承引起的齿轮箱和发电机振
37、动， 频率范围宽， 从 1Hz 至20,000Hz，可由压电加速度传感器 4、5、6、7 来测量。 图 3-1传感器的布局3.2 信号调理单元 在将原信号送入相关数据采集设备或者测试仪器之前，往往需要进行预处理步骤，如增加有效信号强度，减少噪音信号强度、线性化等，以便更准确容易地获得原始信号的特征。信号调理就是指对测量信号进行放大、隔离、滤波、激励、线性化等处理的过程，其功能如下文的介绍： （1）放大 用于放大电信号以提高数字化信号的精度并减少噪声的影响。 通常在低幅值信号之后加入该放大设备，并辅以适当的信号屏蔽设备以提高信噪比（SNR） 。为了尽可能地获得最大精度，最好将信号放大至与测量仪器
38、中模数转换器（ADC）的最大输入范围适当。 此外，增加信噪比还可以通过降低测度过程中引入系统的噪声，比如用屏蔽线、双绞线电缆或者光缆传输信号等。 （2）隔离 测量测试系统中，数据采集设备与计算机相连，当待测信号含有对人体或是计算机有害的高压脉冲时，必须采用隔离途径将信号源与测试仪器相连。当数据采集设备与信号源没有以同一地线作为参考接地电压时，会出现循环接地现象，这会导致待测信号的误读。当信号地线与数据采集设备地线之间的电势差较大时可能损坏测量系统，此时可以使用隔离消除接地循环，确保信号的正确测量。 （3）滤波 滤波是从所采集的信号中滤除不需要的信号或噪声。对于变化缓慢的信号（如温度） ，可以用
39、除噪滤波器除掉高频成分，但这将导致信号失真。常见的滤波器可去除 50/60 Hz 的交流电源线噪声，40Hz 的低通滤波器可从低速采样信号中消除 50/60 Hz 的交流噪声，低通滤波器可滤除所有截止频率以上的频率成分。 （4）激励 有些传感器在正常工作时需要激励信号以激发相关电路产生物理现象，如应力片和 RTD，此时需要在系统中加入激励转换器。 （5）线性化 许多信号传感器的输出电压与原始的物理信号之间是非线性的，LabVIEW 的内置函数提供了比例函数，用于进行测试的电压电平与原始的物理信号之间的转换。一般的应力片、热电偶和热敏电阻多采用这种信号调理方法。 3.3 采集卡（DAQ） 基于
40、PC 的数据采集卡 DAQ（Data Acquisition）的基本功能包括模拟量输入（A/D） 、模拟量输出（D/A） 、数字 I/O（Digital I/O）和定时（Timer）/计数（Counter） 。 （1）A/D 转换器是把模拟输入量转换为输出数字量的器件，也是 DAQ 硬件的核心。就工作原理而言，A/D 转换有 3 种方法：逐次逼近法 A/D、双积分法 A/D 和并行比较法 A/D。在DAQ 产品中应用较多的方法是逐次逼近法 A/D。双积分法 A/D 主要应用于速度要求不高，但可靠性和抗干扰性要求较高的场合，如数字万用表等。并行比较法 A/D主要应用于高速采样，比如数字示波器、数
41、字采样器等应用场合。衡量 A/D转换器性能好坏主要有两个指标，一是采样分辨率，即 A用转换器位数，二是 A/D转换速度。这二者都与 A/D转换器的工作原理有关。 （2）D/A DAQ系统经常需要为被测对象提供激励信号，也就是输出模拟量信号。D/A转换器就是将数字量信号转换为模拟量输出的器件。 D/A转换器的主要性能参数是分辨率和线性误差分辨率，分辨率取决于 D/A转换器的位数，线性误差则刻画了 D/A转换器的精度。 （3）数字 I/O 在 DAQ 应用中经常需要采集外部设备的工作状态，建立与外部设备的通信，此时就需要用到 DAQ 设备的数字 I/O 功能。一般的数字 I/O 板卡均采用 TTL
42、 电平。需要强调的一点是，对于大功率外部设备的驱动需设计专门的信号处理装置。 （4）定时/计数器 在 DAQ 应用中还经常用到定时/计数功能，比如脉冲周期信号测量、精确时间控制和脉冲信号产生等。定时/计数器的两个主要性能指标是分辨率和时钟频率，分辨率越大，计数器位数越大，计数值也越高。 NI 公司的 CompactRIO是一种小巧而坚固的高级嵌入式控制和采集系统，采用可重配置的I/O （reconfigurable I/O， 缩写为 RIO） 。 基于 NI 可重新配置 I/O （RIO） 技术。 NI CompactRIO 不仅具备实时嵌入式处理器的低功率能耗功能，还兼有 RIO FPGA
43、芯片集的优越性能。RIO核心具有内置式数据传输机制，可将数据传输到嵌入式处理器，用于实时分析、事后处理、数据 记录或与联网主机通信。借助 LabVIEW FPGA的基本 I/O功能，CompactRIO可将硬件与每个I/O 模块的 I/O 电路直接连接。每个 I/O 模块具有内置式连接、信号调理、转换电路（如 ADC或 DAC）以及可选的隔离屏障等功能。构建成本低，可使用低层次硬件资源。在本论文设计的系统中，采用 NI 公司的 NI 9234C 数据采集卡，如图 3-2所示。这是一款4 通道动态信号采集模块，内置集成信号调理单元，能针对配备 NI CompactDAQ 或 NI Compact
44、RIO 系统的集成电路压电式（IEPE）与非集成电路压电式（IEPE）传感器，进行高精度音频测量。NI 9234C具有 102 dB动态范围，并能对加速度传感器和麦克风进行软件可选式集成电路压电式（IEPE）信号调理。4 条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器，同时以每通道高达 51.2 kHz 的速率对信号进行数字化。 图 3-2 NI 9234C数据采集卡 表 3-1 NI 9234C数据采集卡参数 四、 应用 LabVIEW设计风力发电数据监测软件平台 应用 LabVIEW 对测量系统的编写程序，分为以下几个阶段：需求分析，系统设计，程序编码，软件测试，发布程序，文档编写。以下就本课题的研究内容，对软件平台设计过程逐一加以详细分析。 4.1需求分析 大型风力发电机组的状态监测系统的设计，是建立在信号的定量分析上，这样系统才能判断设备的运行状态。除了正常的在线监测，当系统处于异常超过报警线或者停机线而给出报警时，我们更关注的是系统出现了什么类型的故障，为何会出现这样类型的故障，通过振动信号的各种分析，确定故障频率发生的来源，这就要求能保存故障信号发生前后的相关参数和波形数据。振动信号的实时采集会使得数据量非常大，故障发生前后的数据