基于Labview的风力发电数据监测系统设计.docx
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基于Labview的风力发电数据监测系统设计.docx
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基于Labview的风力发电数据监测系统设计
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
学生姓名杨超学号2011313222
指导教师雷彦华职称讲师
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
学生姓名杨超学号2011313222
指导教师雷彦华职称讲师
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。
3.时间进度安排;
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
9月9日
教师讲解题目,学生查阅相关资料
2
9月10日
进行方案论证,确定程序流程,熟悉NI-DAQ使用方法
3
9月11日-17日
程序设计
4
9月18日
调试程序
5
9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。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真,遵守纪律,出勤情况是否良好,能够独立完成设计工作,
0.2
5
4
3
2
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。
0.2
5
4
3
2
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。
0.5
5
4
3
2
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
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满,难度适中。
0.5
5
4
3
2
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。
0.3
5
4
3
2
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
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(NationalInstrumentsCorporation)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(BarackObama)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CharlesF.Brush(1849-1929)在1887-1888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。
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(VisualInstrument)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(NationalInstrumentsCorporation)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(PCIeXtensionsforInstrumentation)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(DataAcquisition),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。
1.3.2LabVIEW的介绍及其特点
LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)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(GLanguage)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、SunSPARCstations、AppleMacintoshcomputer、HP-UXworkstations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(virtualinstrument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(BlockDiagram):
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:
WhileLoops,ForLoops,Case结构,顺序结构等。
(4)基于文本的公式结(FormulaNode)公式结是一种用于书写数学公式的文本编辑框。
(5)CIN节点(codeinterfacenode)。
1.3.3LabVIEW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“ToolÆOptions”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1-1LabVIEW软件环境界面设置
LabVIEW的编程需要通过与程序设计,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(FrontPanel)
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FrontPanel
(2)程序流程图(BlockDiagram)
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BlockDiagram
(3)对齐网格(AlignmentGrid)
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/FunctionsPalettes)
在前面板或背板上右击,会弹出控件或函数选板。
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(NavigationButtons);加载选板(PalatteLoading);排序选板项(Sortpaletteitems)。
(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”(Sleeptime/Seconds)选项,即时间服务器计算机在两个同步的间隔等待的秒数。
(6)菜单快捷方式(MenuShortcuts)
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(MenuItemsandShortcuts)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(RevisionHistory)
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“FileÆVIProperties”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(VIServer),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,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(DataAcquisition,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
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