基于LabVIEW的鍋爐液位控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

第一章緒論1.1課題的意義1.1.1鍋爐1、什么是鍋爐將其它熱能轉(zhuǎn)變成其它工質(zhì)熱能，生產(chǎn)規(guī)定參數(shù)和品質(zhì)的工質(zhì)的設(shè)備稱為鍋爐。鍋爐設(shè)備中，吸熱的部分稱為鍋，產(chǎn)生熱量的部分稱為爐。例如水冷壁、過(guò)熱器、省煤器等吸熱的部分可以看成是鍋；而爐膛、燃燒器、燃油泵，送、引風(fēng)機(jī)可以看成是爐。現(xiàn)代化的鍋爐不像一般家庭用的鍋和爐那樣分得清楚。例如空氣預(yù)熱器既是吸熱的部分，又是產(chǎn)生熱量的部分，既可以看成是鍋的部分也可以看成是爐的部分。2、鍋爐如何分類鍋爐可按不同的方式分類：①按鍋爐燃用的燃料分類可分為：燃煤爐、燃油爐和燃?xì)鉅t。②按燃燒方式分類可分為：層燃爐、室燃爐和介于二者之間的沸騰（流化床）爐。③按鍋爐水循環(huán)方式分類可分為：自然循環(huán)鍋爐、強(qiáng)制循環(huán)鍋爐和復(fù)合循環(huán)鍋爐。④按有無(wú)汽包分類可分為：汽包鍋爐和直流鍋爐。⑤按蒸汽壓力分類可分為：低壓鍋爐、中壓鍋爐、次高壓鍋爐、高壓鍋爐、超高壓鍋爐、亞臨界壓力鍋爐和超臨界壓力鍋爐。⑥按管內(nèi)通過(guò)的是水還是煙氣分類可分為：火管鍋爐、水管鍋爐和水火管組合式鍋爐。⑦按鍋爐的用途分為：生活鍋爐、工業(yè)鍋爐、電站鍋爐和熱水鍋爐。3、什么是火管鍋爐所謂火管鍋爐就是燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣在火筒或煙管中流過(guò)，對(duì)火筒或煙管外水、汽或汽水混合物加熱。4、什么是水管鍋爐所謂水管鍋爐，就是水、汽或汽水混合物在管內(nèi)流動(dòng)，而火焰或煙氣在管外燃燒和流動(dòng)的鍋爐。5、什么是循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)流化床鍋爐是在流化床鍋爐（又稱鼓泡床或沸騰床鍋爐）的基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展起來(lái)的一種新型鍋爐。循環(huán)流化床鍋爐保留了流化床鍋爐的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而避免和消除了流化床鍋爐存在的熱效率低、埋管受熱面磨損嚴(yán)重和脫硫劑石灰石利用不充分、消耗量大和難于大型化等缺點(diǎn)。循環(huán)流化床鍋爐床料處于流化狀態(tài)與流化床鍋爐是相同的，前者與后者的主要區(qū)別是前者的流化速度較高，爐膛出口煙氣中物料的濃度很高，大量的物料被爐膛出口的物料分離器分離后返送回爐膛，即有大量物料在爐膛和物料分離器之間循環(huán)。6、蒸汽鍋爐蒸汽鍋爐是用熱能加熱水（工質(zhì)）產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備。它由鍋和爐兩部分組成：鍋是鍋爐接受熱量，并把熱量傳給工質(zhì)的受熱面系統(tǒng)；爐是指鍋爐中把燃料的化學(xué)能變?yōu)闊崮艿目臻g和煙氣流通的通道。通常用“噸/時(shí)”或“t/h”表示鍋爐的容量。用“Mpa”或“兆帕”（舊單位用“公斤力/厘米2”或“kgf/cm2”）表示鍋爐的額定壓力，用7、熱水鍋爐是指載熱工質(zhì)為熱水的鍋爐。通常用“MW”（兆瓦），舊單位用“萬(wàn)千瓦/時(shí)”或“萬(wàn)大卡/時(shí)”，即“104kcal/h”表示鍋爐的容量，用“Mpa”表示鍋爐的額定壓力，用“℃”表示熱水溫度。熱水鍋爐主要用于北方采暖，分為高溫?zé)崴仩t（熱水溫度為130℃或更高一些）和低溫?zé)崴仩t（熱水溫度在958、有機(jī)熱載體爐是指載熱工質(zhì)為高溫導(dǎo)熱油（也稱熱煤體、熱載體）的新型熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備。通常也用“MW”（兆瓦）表示爐的容量，舊單位也用“萬(wàn)千瓦/時(shí)”或“萬(wàn)大卡/時(shí)”，即“104kcal/h”表示。有機(jī)熱載體爐（也稱導(dǎo)熱油爐）的優(yōu)勢(shì)在于“高溫低壓“、運(yùn)行平穩(wěn)而被廣泛運(yùn)用。有機(jī)熱載體爐有液相、氣相之分。我司有機(jī)熱載體爐為液相。9、鍋爐容量是指蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、有機(jī)熱載體爐提供熱能的一種能力。容量大供熱的能力大、出力大；反之就小。如：容量為1t/h蒸汽鍋爐，即表示該鍋爐在1小時(shí)內(nèi)可以將1噸的水變成一定壓力下飽和蒸汽的能力；如0.7MW的熱水爐和有機(jī)熱載體爐表示可以在1小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)于0.7MW功率的熱量（相當(dāng)于1噸蒸汽的熱量）。本次設(shè)計(jì)的是熱水鍋爐，確切的說(shuō)是低溫?zé)崴仩t，重要用于北方取暖，和生活用水。1.1.2鍋爐的發(fā)展1.鍋爐的發(fā)展分鍋和爐兩個(gè)方面。18世紀(jì)上半葉，英國(guó)煤礦使用的蒸汽機(jī)，包括瓦特的初期蒸汽機(jī)在內(nèi)，所用的蒸汽壓力等于大氣壓力。18世紀(jì)后半葉改用高于大氣壓力的蒸汽。19世紀(jì)，常用的蒸汽壓力提高到0.8兆帕左右。與此相適應(yīng)，最早的蒸汽鍋爐是一個(gè)盛水的大直徑圓筒形立式鍋殼，后來(lái)改用臥式鍋殼，在鍋殼下方磚砌爐體中燒火。隨著鍋爐越做越大，為了增加受熱面積，在鍋殼中加裝火筒，在火筒前端燒火，煙氣從火筒后面出來(lái)，通過(guò)磚砌的煙道排向煙囪并對(duì)鍋殼的外部加熱，稱為火筒鍋爐。開(kāi)始只裝一只火筒，稱為單火筒鍋爐或康尼許鍋爐，后來(lái)加到兩個(gè)火筒，稱為雙火筒鍋爐或蘭開(kāi)夏鍋爐。1830年左右，在掌握了優(yōu)質(zhì)鋼管的生產(chǎn)和脹管技術(shù)之后出現(xiàn)了火管鍋爐。一些火管裝在鍋殼中，構(gòu)成鍋爐的主要受熱面，火(煙氣)在管內(nèi)流過(guò)。在鍋殼的存水線以下裝上盡量多的火管，稱為臥式外燃回火管鍋爐。它的金屬耗量較低，但需要很大的砌體。19世紀(jì)中葉，出現(xiàn)了水管鍋爐。鍋爐受熱面是鍋殼外的水管，取代了鍋殼本身和鍋殼內(nèi)的火筒、火管。鍋爐的受熱面積和蒸汽壓力的增加不再受到鍋殼直徑的限制，有利于提高鍋爐蒸發(fā)量和蒸汽壓力。這種鍋爐中的圓筒形鍋殼遂改名為鍋筒，或稱為汽包。初期的水管鍋爐只用直水管，直水管鍋爐的壓力和容量都受到限制。二十世紀(jì)初期，汽輪機(jī)開(kāi)始發(fā)展，它要求配以容量和蒸汽參數(shù)較高的鍋爐。直水管鍋爐已不能滿足要求。隨著制造工藝和水處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了彎水管式鍋爐。開(kāi)始是采用多鍋筒式。隨著水冷壁、過(guò)熱器和省煤器的應(yīng)用，以及鍋筒內(nèi)部汽、水分離元件的改進(jìn)，鍋筒數(shù)目逐漸減少，既節(jié)約了金屬，又有利于提高鍋爐的壓力、溫度、容量和效率。以前的火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐都屬于自然循環(huán)鍋爐，水汽在上升、下降管路中因受熱情況不同，造成密度差而產(chǎn)生自然流動(dòng)。在發(fā)展自然循環(huán)鍋爐的同時(shí)，從30年代開(kāi)始應(yīng)用直流鍋爐，40年代開(kāi)始應(yīng)用輔助循環(huán)鍋爐。輔助循環(huán)鍋爐又稱強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，它是在自然循環(huán)鍋爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。在下降管系統(tǒng)內(nèi)加裝循環(huán)泵，以加強(qiáng)蒸發(fā)受熱面的水循環(huán)。直流鍋爐中沒(méi)有鍋筒，給水由給水泵送入省煤器，經(jīng)水冷壁和過(guò)熱器等蒸發(fā)受熱面，變成過(guò)熱蒸汽送往汽輪機(jī)，各部分流動(dòng)阻力全由給水泵來(lái)克服。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?yàn)楫?dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)組要求高溫高壓和大容量。發(fā)展這兩種鍋爐的目的是縮小或不用鍋筒，可以采用小直徑管子作受熱面，可以比較自由地布置受熱面。隨著自動(dòng)控制和水處理技術(shù)的進(jìn)步，它們漸趨成熟。在超臨界壓力時(shí)，直流鍋爐是唯一可以采用的一種鍋爐，70年代最大的單臺(tái)容量是27兆帕壓力配1300兆瓦發(fā)電機(jī)組。后來(lái)又發(fā)展了由輔助循環(huán)鍋爐和直流鍋爐復(fù)合而成的復(fù)合循環(huán)鍋爐。在鍋爐的發(fā)展過(guò)程中，燃料種類對(duì)爐膛和燃燒設(shè)備有很大的影響。因此，不但要求發(fā)展各種爐型來(lái)適應(yīng)不同燃料的燃燒特點(diǎn)，而且還要提高燃燒效率以節(jié)約能源。此外，爐膛和燃燒設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)還要求盡量減少鍋爐排煙中的污染物(硫氧化物和氮氧化物)早年的鍋殼鍋爐采用固定爐排，多燃用優(yōu)質(zhì)煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管鍋爐出現(xiàn)后開(kāi)始采用機(jī)械化爐排，其中鏈條爐排得到了廣泛的應(yīng)用。爐排下送風(fēng)從不分段的“統(tǒng)倉(cāng)風(fēng)”發(fā)展成分段送風(fēng)。早期爐膛低矮，燃燒效率低。后來(lái)人們認(rèn)識(shí)到爐膛容積和結(jié)構(gòu)在燃燒中的作用，將爐膛造高，并采用爐拱和二次風(fēng)，從而提高了燃燒效率。發(fā)電機(jī)組功率超過(guò)6兆瓦時(shí)，以上這些層燃爐的爐排尺寸太大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易布置，所以20年代開(kāi)始使用室燃爐，室燃爐燃燒煤粉和油。煤由磨煤機(jī)磨成煤粉后用燃燒器噴入爐膛燃燒，發(fā)電機(jī)組的容量遂不再受燃燒設(shè)備的限制。自第二次世界大戰(zhàn)初起，電站鍋爐幾乎全部采用室燃爐。早年制造的煤粉爐采用了U形火焰。燃燒器噴出的煤粉氣流在爐膛中先下降，再轉(zhuǎn)彎上升。后來(lái)又出現(xiàn)了前墻布置的旋流式燃燒器，火焰在爐膛中形成L形火炬。隨著鍋爐容量增大，旋流式燃燒器的數(shù)目也開(kāi)始增加，可以布置在兩側(cè)墻，也可以布置在前后墻。1930年左右出現(xiàn)了布置在爐膛四角且大多成切圓燃燒方式的直流燃燒器。第二次世界大戰(zhàn)后，石油價(jià)廉，許多國(guó)家開(kāi)始廣泛采用燃油鍋爐。燃油鍋爐的自動(dòng)化程度容易提高。70年代石油提價(jià)后，許多國(guó)家又重新轉(zhuǎn)向利用煤炭資源。這時(shí)電站鍋爐的容量也越來(lái)越大，要求燃燒設(shè)備不僅能燃燒完全，著火穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，低負(fù)荷性能好，還必須減少排煙中的污染物質(zhì)。在燃煤(特別是燃褐煤)的電站鍋爐中采用分級(jí)燃燒或低溫燃燒技術(shù)，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(kāi)來(lái)抑制爐溫，不但可抑制氮氧化物生成，還能減少結(jié)渣。沸騰燃燒方式屬于一種低溫燃燒，除可燃用灰分十分高的固體燃料外，還可在沸騰床中摻入石灰石用以脫硫。1.1.3鍋爐的重要性火力發(fā)電是我國(guó)電力能源的主要來(lái)源。大型火力發(fā)電機(jī)組是由鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組等設(shè)備構(gòu)成，它利用鍋爐生產(chǎn)的過(guò)熱蒸汽來(lái)推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。鍋爐控制的目的是供給合格的蒸汽，使鍋爐產(chǎn)氣量適應(yīng)符合的需要，同時(shí)保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性、安全性。液位控制技術(shù)作為鍋爐系統(tǒng)控制中較為重要的一項(xiàng)技術(shù)，也成為了鍋爐制造企業(yè)技術(shù)含量的衡量點(diǎn)。鍋爐液位是通過(guò)操縱流進(jìn)量或流出量來(lái)控制的，因此其液位被認(rèn)為是比較容易控制的回路。但是，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，鍋爐的液位控制直接影響了鍋爐是否正常運(yùn)行以及運(yùn)行的安全狀況。目前我國(guó)的燃燒鍋爐的數(shù)量眾多，我國(guó)現(xiàn)在中、小型鍋爐30多萬(wàn)臺(tái)，每年耗煤量占我原煤產(chǎn)量的四分之一，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。國(guó)家在第12個(gè)五年計(jì)劃的科技創(chuàng)新指南中，對(duì)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(dòng)化程度高、節(jié)能潛力大、提高安全系數(shù)、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、價(jià)格低的新型測(cè)控裝置。要求節(jié)約率達(dá)到百分之五以上，裝置投資的回收期在一年以內(nèi)，采暖鍋爐為三年以內(nèi)。如小型鏈條式工業(yè)鍋爐用的是新型測(cè)控裝置。因此這個(gè)課題后現(xiàn)實(shí)的意義且市場(chǎng)的前景良好。在現(xiàn)代社會(huì)中，隨著計(jì)算機(jī)，電子技術(shù)的飛速發(fā)展，居民生活區(qū)的集中熱力供應(yīng)量的需求越來(lái)越大，蒸汽鍋爐的容量不斷提高，對(duì)操作過(guò)程要求更加嚴(yán)格，鍋爐的液位控制直接影響人們自身和設(shè)備的安全，液位過(guò)低可能使鍋爐出現(xiàn)干燒現(xiàn)象，液位過(guò)高又會(huì)使鍋爐蒸汽壓力過(guò)高，發(fā)生危險(xiǎn)。傳統(tǒng)的液位控制不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的集中控制，自動(dòng)化程度低，調(diào)節(jié)精度差等缺點(diǎn)，且單靠人工操作已不能適應(yīng)，控制系統(tǒng)改造的必要性隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜,人們對(duì)控制精度的要求不斷提高。因此，對(duì)熱控設(shè)備的改造成為一個(gè)十分迫切的問(wèn)題.而鍋爐原來(lái)采用的是常規(guī)測(cè)量指示儀表，反應(yīng)緩慢，無(wú)人機(jī)界面功能，基本不具備自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制功能。此外由于系統(tǒng)的逐漸老化，使得機(jī)組在運(yùn)行中存在很多隱患，威脅機(jī)組的運(yùn)行安全，熱工人員的維護(hù)工作難度越來(lái)越大。鍋爐是能量轉(zhuǎn)化的重要設(shè)備，目前我國(guó)的燃煤鍋爐數(shù)量眾多，我國(guó)現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬(wàn)臺(tái)，每年耗煤量占我國(guó)原煤產(chǎn)量的1/4，目前,我國(guó)相當(dāng)?shù)囊徊糠皱仩t，還在使用儀表控制，仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)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(yùn)行效率低。因此，需要開(kāi)發(fā)研制自動(dòng)化程度高、節(jié)能潛力大、提高安全系數(shù)、減輕環(huán)境污染、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、價(jià)格低的新型測(cè)控裝置。要求節(jié)煤率達(dá)到5%以上，裝置投資的回收期在1年以內(nèi)，取暖鍋爐為3年以內(nèi)。本設(shè)計(jì)用labview控制鍋爐的液位，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，克服了傳統(tǒng)使用儀表控制鍋爐液位的缺陷。1.1.4國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換和消耗的設(shè)備已有兩百多年的歷史了，處于歷史的原因，我國(guó)鍋爐自動(dòng)控制的水平一直都較低，鍋爐微機(jī)控制是近幾年是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)密結(jié)合的產(chǎn)物。工業(yè)鍋爐采用微機(jī)控制和原有控制方式相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠直觀而集中的顯示鍋爐各運(yùn)行參數(shù)，顯示液位壓力溫度的狀態(tài)。而作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。在采用計(jì)算機(jī)控制的鍋爐控制系統(tǒng)中，有十分周到的安全機(jī)制，能夠杜絕由于人為疏忽造成的重大事故。鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展是近幾年的事情，國(guó)外的鍋爐工業(yè)50年代發(fā)展最快，70年代達(dá)到高峰。一直以來(lái)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐的控制是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型的問(wèn)題，伴隨著控制理論和技術(shù)的法發(fā)展，鍋爐自動(dòng)化控制水平也在逐漸提高，鍋爐的自動(dòng)控制，經(jīng)歷了30年代的單參數(shù)儀表控制，40年代的組成儀表復(fù)合參數(shù)儀表控制，以及60年代興起的計(jì)算機(jī)過(guò)程控制幾個(gè)階段。而用labview實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)控制，也是近幾年才發(fā)展起來(lái)的，是一個(gè)逐漸深入的過(guò)程，雖然與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在差距，但是在此方面的進(jìn)步卻是很大的。國(guó)內(nèi)對(duì)鍋爐的控制的研究始于80年代初期。最初，大多數(shù)系統(tǒng)時(shí)在引進(jìn)國(guó)外成套設(shè)備的同時(shí)進(jìn)行消化吸收，然后進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。鍋爐控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程與其它事物一樣，也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由手動(dòng)到自動(dòng)的過(guò)程。60年代，鍋爐的控制還只是實(shí)行人工操作，鍋爐的燃燒完全是憑鍋爐工人的經(jīng)驗(yàn)，幾乎談不到自動(dòng)控制。到70—80年代，逐步出現(xiàn)了由常規(guī)檢測(cè)儀表和調(diào)節(jié)儀表構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng)，它具有可靠性高，成本低，易于操作和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在大、中、小工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，解決了不少自動(dòng)化方面的問(wèn)題。到了90年代，出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)作為自動(dòng)化工具的過(guò)程控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)算速度快，控制精度高，并且具有分時(shí)操作功能，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可代替多臺(tái)常規(guī)裝置，計(jì)算機(jī)具有較強(qiáng)的記憶功能和邏輯判斷功能，在環(huán)境或過(guò)程參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，能及時(shí)做出判斷，選擇最優(yōu)控制決策?？v觀我國(guó)鍋爐控制方面的理論研究，可以說(shuō)與其它發(fā)達(dá)國(guó)家水平相差不大，但在應(yīng)用水平上，差距較大。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)在工業(yè)鍋爐約30萬(wàn)臺(tái)，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(wàn)噸的速度增長(zhǎng)，每年消耗的原煤2，108噸，占全國(guó)原煤產(chǎn)量的1/3，數(shù)量極其可觀。但目前我國(guó)有中小型鍋爐在使用中普遍存在調(diào)節(jié)手段有限、鍋爐的出力不能隨外界負(fù)荷變化及時(shí)變化等現(xiàn)象，從而降低了鍋爐的效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。因此，從行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，盡管我國(guó)對(duì)鍋爐控制的研究和推廣已取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在問(wèn)題較多，概括起來(lái)有以下一些特點(diǎn)：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(jìn)一步加強(qiáng)。系統(tǒng)成本相對(duì)較高，下降幅度還有很大空間。系統(tǒng)對(duì)先進(jìn)控制技術(shù)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。綜上所述，進(jìn)一步提高、完善和推廣已經(jīng)取得的國(guó)內(nèi)外研究成果，將是當(dāng)前的一項(xiàng)重要任務(wù)。鍋爐控制的自動(dòng)化研究方向應(yīng)該集中在以下幾個(gè)方面：提高控制器的可靠性。實(shí)際控制工程中，要求控制器簡(jiǎn)單，計(jì)算時(shí)間短，目前研究的先進(jìn)控制策略往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，且大部分研究成果仍處實(shí)驗(yàn)室仿真階段，如何將其推向控制實(shí)際應(yīng)用是今后的努力方向。提高控制系統(tǒng)的硬件水平。為了保證鍋爐安全運(yùn)行，要對(duì)鍋爐本體的設(shè)計(jì)制造進(jìn)行控制，以保證硬件質(zhì)量，增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。主要是提高硬件的可用性、可維護(hù)性，加強(qiáng)元器件的標(biāo)準(zhǔn)化，盡快提高設(shè)備的生產(chǎn)水平。加強(qiáng)控制系統(tǒng)一體化。要加強(qiáng)利用網(wǎng)絡(luò)，使信息資源在控制裝置中充分發(fā)揮其作用，推動(dòng)控制系統(tǒng)向更高層次發(fā)展。降低設(shè)備造價(jià)。在鍋爐設(shè)備的研制方面，要遵循通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、專用化得設(shè)計(jì)原則，盡量減少安裝時(shí)間，降低成本。實(shí)現(xiàn)智能化。要加強(qiáng)對(duì)檢測(cè)技術(shù)的研究，提高對(duì)鍋爐的溫度、壓力、流量等參數(shù)的檢測(cè)水平，達(dá)到用智能化手段進(jìn)行檢測(cè)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人類進(jìn)入了一個(gè)以知識(shí)經(jīng)濟(jì)為特征的信息時(shí)代，檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)一起構(gòu)成現(xiàn)代信息的三大基礎(chǔ)。21世紀(jì)第一個(gè)10年的熱點(diǎn)必將是傳感、執(zhí)行與檢測(cè)。鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為傳感、執(zhí)行與檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用方面也必將跨入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化時(shí)代，而且對(duì)于大規(guī)模鍋爐群控，檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的結(jié)合在一起，形成鍋爐控制系統(tǒng)的集成化管理、網(wǎng)絡(luò)化控制，這將是鍋爐控制系統(tǒng)發(fā)展的又一個(gè)里程碑。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)。例如，模糊控制理論和智能控制理論目前已經(jīng)很好地應(yīng)用在鍋爐控制系統(tǒng)上?？v觀上述，從鍋爐控制的發(fā)展過(guò)程來(lái)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(méi)有確定的保證，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)條件差，而且運(yùn)行熱效率低，浪費(fèi)能源，污染環(huán)境。為此，世界上許多國(guó)家利用計(jì)算機(jī)的快速性、可靠性、準(zhǔn)確性和多種特殊功能，以改善鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高鍋爐的熱效率，節(jié)省能源，減少污染，具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，需要測(cè)試的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大，對(duì)測(cè)試的速度、精度、實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)可信度、完整性以及測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、智能化、開(kāi)放性等的要求也越來(lái)越高。因此傳統(tǒng)的儀器測(cè)量和智能化的儀器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的需要，虛擬儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)儀器的局限。在計(jì)算機(jī)上建立了測(cè)試控制系統(tǒng)，可以將許多信號(hào)處理的方法方便的應(yīng)用到測(cè)量中，已經(jīng)廣泛用于軍事、航空、航天、科研和工廠等民用場(chǎng)合。1.3LabVIEW研究的背景和意義虛擬儀器的出現(xiàn)很好的解決了很多問(wèn)題。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)靈活強(qiáng)大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，通過(guò)一組軟件和硬件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所不具備的基礎(chǔ)上形成虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室具有以下優(yōu)勢(shì)。（1）減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備資金的投入。首先，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就可以實(shí)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。其次，傳統(tǒng)儀器維護(hù)費(fèi)用高，需要耗費(fèi)大量的人力物力。（2）虛擬儀器基于軟件的體系結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。過(guò)程控制是在現(xiàn)代檢測(cè)過(guò)程中不可缺少的一部分，作為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，必須了解過(guò)程控制，掌握整個(gè)系統(tǒng)的功能，會(huì)分析其各項(xiàng)參數(shù)。但許多生產(chǎn)過(guò)程都具有危險(xiǎn)性，而且作為學(xué)生，目前還沒(méi)有條件到工廠中了解整個(gè)過(guò)程。在這種情況下，過(guò)程控制平臺(tái)的開(kāi)發(fā)就具有了一定的意義，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，可以讓同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)操作計(jì)算機(jī)仿真軟件了解整個(gè)過(guò)程，運(yùn)行機(jī)制。第二章系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具概述2.1虛擬儀器概述虛擬儀器（virtualinstrument）是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。與傳統(tǒng)儀器一樣，如果忽略它的跨網(wǎng)絡(luò)的位置透明性，它同樣劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊。圖1反映了常見(jiàn)的虛擬儀器組建方案。圖1虛擬儀器系統(tǒng)資料來(lái)源：泛華測(cè)控.虛擬儀器技術(shù)[DB/OL].2.1.1虛擬儀器的功能及特點(diǎn)虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、醫(yī)療、溫度檢測(cè)、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷用教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。虛擬儀器最常見(jiàn)的應(yīng)用是取代傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器。隨著插入式數(shù)據(jù)采集板速率的提高和觸發(fā)技術(shù)的改進(jìn)，插入式數(shù)據(jù)采集板技術(shù)使臺(tái)式儀器獲得了新生。在虛擬儀器所取代的儀器中，最常見(jiàn)的是示波器。通過(guò)利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件編制出的虛擬儀器程序，用戶可以調(diào)整數(shù)據(jù)采集板的動(dòng)作，使軟件就像一臺(tái)示波器一樣顯示輸出的波型，同時(shí)虛擬示波器還可以進(jìn)行許多分析工作。（1）豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器將信號(hào)分析、顯示、存儲(chǔ)、打印和其他管理集中交由計(jì)算機(jī)來(lái)處理，充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)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(jiǎn)單。（2）突出“軟件就是儀器”的新概念。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(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使儀器的測(cè)量精度、測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高。（3）儀器由用戶自己定義。虛擬儀器通過(guò)提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫(kù)，可以很方便地修改儀器功能和面板，設(shè)計(jì)儀器的通信、定時(shí)器和觸發(fā)器功能，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用的連接，給了用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。（4）開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。虛擬儀器硬件和軟件都制定了開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，生產(chǎn)、維護(hù)和開(kāi)發(fā)費(fèi)用降低。（5）便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。虛擬儀器既可以作為測(cè)試儀器獨(dú)立使用，又可以通過(guò)高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的分布測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控與故障診斷。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)約儀器購(gòu)買和維護(hù)費(fèi)用。2.1.2虛擬儀器技術(shù)的四大優(yōu)勢(shì)（1）性能高虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

（2）擴(kuò)展性強(qiáng)NI的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈束于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于NI軟件的靈活性，只需更新您的計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)您的整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。

（3）開(kāi)發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。

（4）無(wú)縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。圖2自定義儀器的用途資料來(lái)源：泛華測(cè)控.虛擬儀器技術(shù)[DB/OL].2.1.3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。傳統(tǒng)儀器和基于軟件的虛擬儀器具有許多相同的結(jié)構(gòu)組件，但是在體系結(jié)構(gòu)原理上完全不同，如圖3所示。圖3傳統(tǒng)儀器虛擬儀器比較圖資料來(lái)源：NI中國(guó)首頁(yè).虛擬儀器技術(shù)[DB/OL].每一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)都由兩部分組成：軟件和硬件。對(duì)于當(dāng)前的測(cè)量任務(wù)，虛擬儀器系統(tǒng)的價(jià)格與具有相似功能的傳統(tǒng)儀器相差無(wú)幾，甚至比它低很多倍。而且，由于虛擬儀器在測(cè)量任務(wù)需要改變時(shí)具有更大的靈活性，隨著時(shí)間的推移，節(jié)省的成本也不斷累計(jì)。不使用廠商定義的、預(yù)封裝好的軟件和硬件，工程師和科學(xué)家獲得了最大的用戶定義的靈活性。傳統(tǒng)儀器把所有軟件和測(cè)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。而虛擬儀器系統(tǒng)提供的則是完成測(cè)量或控制任務(wù)所需的所有軟件和硬件設(shè)備，功能完全由用戶自定義。此外，利用虛擬儀器計(jì)數(shù)，工程師和科學(xué)家們還可以使用高效且功能強(qiáng)大的軟件來(lái)自定義采集、分析、存儲(chǔ)、共享和顯示功能。以下是體現(xiàn)虛擬儀器靈活性的例子。一個(gè)應(yīng)用，不同的設(shè)備圖4在不同設(shè)備上使用同樣的應(yīng)用程序資料來(lái)源：吉林大學(xué)精品課程.虛擬儀器原理及應(yīng)用[DB/OL].圖4所示的例子中，一位工程師正在實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)式計(jì)算機(jī)PCI總線上使用NILabVIEW和M系列DAQ設(shè)備開(kāi)發(fā)一個(gè)應(yīng)用程序，以創(chuàng)建一個(gè)直流（DC）電壓和溫度測(cè)量應(yīng)用。在完成了系統(tǒng)構(gòu)建之后，他需要在一個(gè)生產(chǎn)層PXI系統(tǒng)上配置應(yīng)用程序以完成新產(chǎn)品的測(cè)試?；蛘撸赡苄枰獞?yīng)用程序具有便攜性，所以選擇了NIUSBDAQ產(chǎn)品來(lái)完成任務(wù)。在這個(gè)例子中，無(wú)論是何種情況，他都可以在同一個(gè)程序中使用虛擬儀器而無(wú)須改變代碼。（2）許多應(yīng)用程序，一個(gè)設(shè)備圖5許多應(yīng)用程序重復(fù)使用硬件資料來(lái)源：吉林大學(xué)精品課程.虛擬儀器原理及應(yīng)用[DB/OL].圖5所示的例子中，一個(gè)工程師剛剛完成了一個(gè)利用最新的M系列DAQ設(shè)備和積分編碼器測(cè)量電機(jī)位置的項(xiàng)目。他的下一個(gè)項(xiàng)目是監(jiān)視和記錄這個(gè)電機(jī)的功率。即使任務(wù)完全不同，他也可以重用同樣的M系列DAQ設(shè)備，他所需要做的就是使用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)出新的應(yīng)用程序。此外，如果需要的話，項(xiàng)目既可以與一個(gè)單一的應(yīng)用程序結(jié)合，也可以運(yùn)行在一個(gè)單一的M系列DAQ設(shè)備上。虛擬儀器可與傳統(tǒng)儀器完全兼容，無(wú)一例外。虛擬儀器軟件通常提供了與常用普通儀器總線（如GPIB、串行總線和以太網(wǎng)）相連接的函數(shù)庫(kù)。除了提供庫(kù)之外，200多家儀器廠商也為NI儀器驅(qū)動(dòng)庫(kù)提供了4000余種儀器驅(qū)動(dòng)。儀器驅(qū)動(dòng)提供了一套函數(shù)和儀器接口，每一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)都專為儀器某一特定的模型而設(shè)計(jì)，從而為它獨(dú)特的性能提供接口。自動(dòng)測(cè)試工業(yè)中一個(gè)基本的趨勢(shì)就是向基于軟件的測(cè)試系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)變。例如，美國(guó)國(guó)防部（DoD）是世界上最大的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）客戶之一。為了降低測(cè)試系統(tǒng)的成本并提高重用率，DoD通過(guò)海軍的NxTest計(jì)劃已經(jīng)確定：將來(lái)的ATE要使用建立在模塊化硬件和可重復(fù)配置的軟件基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)，稱為綜合性儀器。采用綜合性儀器代表了將來(lái)軍用ATE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的重大發(fā)展，并且反映出可重復(fù)配置的軟件處于將來(lái)系統(tǒng)的核心地位這一基本轉(zhuǎn)變?；谲浖臏y(cè)試系統(tǒng)的成功應(yīng)用，例如綜合性儀器，需要有對(duì)硬件平臺(tái)和市場(chǎng)上軟件工具的理解，以及對(duì)系統(tǒng)級(jí)體系結(jié)構(gòu)和儀器級(jí)體系結(jié)構(gòu)之間區(qū)別的理解。綜合性儀器執(zhí)行團(tuán)體將綜合性儀器定義為“一個(gè)可重復(fù)配置的系統(tǒng)，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口連接一系列基本硬件和軟件組件，從而發(fā)生信號(hào)或者使用數(shù)值處理技術(shù)進(jìn)行測(cè)量”。這與虛擬儀器的許多性質(zhì)是相同的，虛擬儀器是“一個(gè)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(cè)量硬件的功能”。兩種定義享有共同的性質(zhì)，即運(yùn)行于商用硬件之上的可自定義功能的儀器。通過(guò)將測(cè)量功能轉(zhuǎn)向用戶可接觸并可重復(fù)配置的硬件，那些采用這種體系結(jié)構(gòu)的儀器從具有更大靈活性和可重復(fù)配置功能的系統(tǒng)中受益，而且這些系統(tǒng)反過(guò)來(lái)又提高了性能并降低了成本。虛擬儀器（virtualinstrumention）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。下面的框圖反映了常見(jiàn)的虛擬儀器方案。虛擬儀器的主要特點(diǎn)有：盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)NI公司的LabVIEW。虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計(jì)算機(jī)上推出了LabVIEW2.0以前的版本。對(duì)虛擬儀器和LabVIEW長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開(kāi)發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前LabVIEW的最新版本為L(zhǎng)abVIEW2009，LabVIEW2009為多線程功能添加了更多特性，這種特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LabVIEW軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEWReal-Time工具對(duì)嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計(jì)的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的３２位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。它主要的方便就是，一個(gè)硬件的情況下，可以通過(guò)改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件。2.2LabVIEW概述2.2.1LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW的核心是VI。VI有一個(gè)人機(jī)對(duì)話的用戶界面——前面板（FrontPanel）和相當(dāng)于源代碼功能的框圖程序（Diagram）。前面板接受來(lái)自框圖程序的指令。在VI的前面板中，控件（Controls）模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的框圖程序；而指示器（Indicators）則是模擬了儀器的輸出裝置并顯示由框圖程序獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當(dāng)把一個(gè)控件或指示器放置到前面板上時(shí)，LabVIEW便在框圖程序中相應(yīng)的產(chǎn)生了一個(gè)終端（Terminals），這個(gè)從屬于控件或指示器的終端不能隨意的被刪除，只有刪除它對(duì)應(yīng)的控件或指示器時(shí)它才會(huì)隨之一起被刪除。用LabVIEW編制框圖程序時(shí)，不必受常規(guī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)法細(xì)節(jié)的限制。首先，從函數(shù)面板（FunctionPalette）中選擇需要的函數(shù)節(jié)點(diǎn)（FunctionNode），將之置于框圖上適當(dāng)?shù)奈恢?；然后用連線（Wires）連接各函數(shù)節(jié)點(diǎn)在框圖程序中的端口（Port），用來(lái)在函數(shù)節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。這些函數(shù)節(jié)點(diǎn)包括了簡(jiǎn)單的計(jì)算函數(shù)、高級(jí)的采集和分析VI以及用來(lái)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的文件輸入輸出函數(shù)和網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。用LabVIEW編制出的圖形化VI是分層次和模塊化的。我們可以將之用于頂層（TopLevel）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。一個(gè)VI用在其它VI中，稱之為subVI，subVI在調(diào)用它的程序中同樣是以一個(gè)圖標(biāo)的形式出現(xiàn)的；為了區(qū)分各個(gè)subVI，它們的圖標(biāo)是可編輯的。LabVIEW依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念。用戶可以把一個(gè)應(yīng)用任務(wù)分解成為一系列的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)還可以分解成許多更低一級(jí)的子任務(wù)，直到把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解成為許多子任務(wù)的組合。首先設(shè)計(jì)subVI完成每個(gè)子任務(wù)，然后將之逐步組合成為能夠解決最終問(wèn)題的VI。圖形化的程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語(yǔ)言必將成為測(cè)試和控制領(lǐng)域內(nèi)最有前途的發(fā)展方向。2.2.2LabvIEW的意義對(duì)于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，為了依靠新產(chǎn)品特別是高端產(chǎn)品的高附加值來(lái)獲取高利潤(rùn)，采用低成本、高時(shí)效性和高穩(wěn)定性的測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)新機(jī)型、新技術(shù)就顯得非常必要。采用美國(guó)NI公司的LabVIEW圖形開(kāi)發(fā)軟件，利用PXI高速穩(wěn)定的采集卡以及簡(jiǎn)單的接口電路完成各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量，其優(yōu)勢(shì)非常明顯。這套系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、性能可靠、開(kāi)發(fā)周期短，這些特點(diǎn)對(duì)于開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，驗(yàn)證和測(cè)試控制邏輯，加快溫度測(cè)試和研發(fā)速度，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本都有著重要的意義。2.2.3LabvIEW解決方案LabVIEW自1986年正式推出，至今已發(fā)展到以最新版本LabVIEW8.6Express為核心，包括控制與仿真、高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制、模糊控制和PID控制等眾多軟件包，可運(yùn)行于現(xiàn)今所有Windows系統(tǒng)、Linux,Macintosh,Sun和HP-UX等多種平臺(tái)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。其已被廣泛應(yīng)用于包括航空航天、工業(yè)自動(dòng)化、通信、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍內(nèi)的眾多領(lǐng)域，其概括如下:LabVIEW應(yīng)用于測(cè)試與測(cè)量LabVIEW已成為測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)GPIB,VXI,PLC、串行設(shè)備和插卡式數(shù)據(jù)采集板卡可以構(gòu)成實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，同時(shí)還支持通過(guò)Internet,ActiveX,DE、和SQL等交互式通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開(kāi)發(fā)工具使復(fù)雜的測(cè)試測(cè)量任務(wù)變得簡(jiǎn)單易行.LabVIEW應(yīng)用于過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化LabVIEW強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)、圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計(jì)為過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化提供了優(yōu)秀的解決方案.同時(shí)由于NI公司提供有全系列的基于PC的多功能板卡，其與LabVIEW在底層即實(shí)現(xiàn)了軟、硬件的無(wú)逢連接，節(jié)約了系統(tǒng)的構(gòu)建時(shí)間并增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。LabVIEW應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究與自動(dòng)化LabVIEW為科學(xué)家和工程師提供了功能強(qiáng)大的高技數(shù)學(xué)分析庫(kù)，包括統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)生成算法、時(shí)域和頻域分析等眾多科學(xué)領(lǐng)域。在聯(lián)合時(shí)域分析、小波和數(shù)字濾波器等高級(jí)或特殊分析場(chǎng)合，LabV工EW提供有專門的附加軟件包。2.2.4LabVIEW軟件的特點(diǎn)Labview是一種圖形化得程序語(yǔ)言，使用這種語(yǔ)言編輯時(shí)，基本上不用寫程序代碼，取而代之的是流程圖。Labview盡可能地利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念。因此，labview是一個(gè)面向最終用戶的工具，它可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。Labview是通過(guò)圖形符號(hào)來(lái)描述程序的行為，它消除了令人煩惱的語(yǔ)法規(guī)則，減輕了用戶編程的負(fù)擔(dān)，可以把效率提高數(shù)十倍，其主要特點(diǎn)可歸納為如下幾點(diǎn)：（1）具有圖形化的編程方式，是真正面向科學(xué)家和工程師的語(yǔ)言。（2）32bit的編譯器編譯生成的程序可保證數(shù)據(jù)采集、測(cè)試方案的高速執(zhí)行。（3）提高了大量的虛擬儀器和函數(shù)庫(kù)來(lái)幫助編程。（4）采用傳統(tǒng)的調(diào)試手段與新穎的高亮顯示，更有利于編程人員進(jìn)行調(diào)試。（5）囊括了各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，方便了那些不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的用戶也能夠驅(qū)動(dòng)不同的總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。（6）強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以進(jìn)行網(wǎng)上發(fā)布以及遠(yuǎn)程監(jiān)控儀器。第三章系統(tǒng)方案3.1.1主要研究?jī)?nèi)容該仿真系統(tǒng)能夠顯示仿真鍋爐控制系統(tǒng)的流量和液位。鍋爐控制系統(tǒng)中的流量和液位都可以設(shè)定。3.1.2目標(biāo)和要求（1）鍋爐的工作液位：1m—3m。（2）工作溫度的上下限在60℃—90℃（3）實(shí)現(xiàn)顯示鍋爐歷史液位曲線，鍋爐入口流量曲線要求畫出系統(tǒng)面板圖，設(shè)計(jì)方框圖。3.1.3特色在液位檢測(cè)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域不可缺少。課題中采用虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)直觀，高可靠性，低成本測(cè)量，特別對(duì)于labview軟件的開(kāi)發(fā)具有重要意義。3.1.4根據(jù)所選的課題上網(wǎng)，去圖書館查文獻(xiàn)資料，確定設(shè)計(jì)的大體思路及框圖，掌握LabVIEW軟件的使用方法，掌握相關(guān)傳感器性能、使用方法及轉(zhuǎn)換電路原理，掌握無(wú)線通信技術(shù)。以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)基于LabVIEW鍋爐液位控制系統(tǒng)。3.1.5研究方法（1）信號(hào)模擬：利用LabVIEW圖形化控件模擬傳感器采集信號(hào)過(guò)程。（2）信號(hào)調(diào)理：LabVIEW函數(shù)選板上提供了很多信號(hào)處理函數(shù)，利用這些函數(shù)可以方便地對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波等分析處理。（3）信號(hào)分析：信號(hào)分析包括時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析函數(shù)主要有直交流成分檢測(cè)、卷積、逆卷積、相關(guān)分析、微分、積分、門限檢測(cè)等。頻域分析是數(shù)字信號(hào)處理中最常用、最重要的方法，頻域分析函數(shù)被劃分為兩個(gè)面板，一個(gè)是變換面板，該面板實(shí)現(xiàn)的函數(shù)功能主要有傅里葉變換、小波變換、拉普拉斯變換等，另一個(gè)是譜分析面板，該面板所包含的函數(shù)主要包括功率譜分析、聯(lián)合時(shí)域分析等。數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)水泵A/D鍋爐傳感器數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)器D/A控制器數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)水泵A/D鍋爐傳感器數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)器D/A控制器圖6計(jì)算機(jī)液位控制系統(tǒng)組成框圖第四章設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1模塊介紹設(shè)計(jì)一個(gè)LabVIEW應(yīng)用程序，主要是利用LabVIEW提供的3個(gè)模板完成，即：工具模板（ToolsPalette）、控制模板（ControlsPalette）和功能模板（FunctionsPalette）。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。1.工具模板工具模板在LabVIEW的兩個(gè)工作窗口中都存在，如果打開(kāi)的VI沒(méi)有出現(xiàn)工具模板，那么在Windows菜單中選擇“ShowToolsPalette”或【Shift】鍵的同時(shí)右擊，即可彈出如圖所示的工具模板。圖7工具模板工具模板為編輯者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具。當(dāng)從工具模板內(nèi)選擇任一種工具后，箭頭就會(huì)變成該工具特定的形狀。用鼠標(biāo)拖動(dòng)模板窗口的標(biāo)題欄可以移動(dòng)工具模板的位置。將鼠標(biāo)放置在某一個(gè)工具的圖標(biāo)上，LabVIEW會(huì)自動(dòng)顯示該工具的功能說(shuō)明。LabVIEW8.5Express的工具模板還提供了工具自動(dòng)切換按鈕，在操作時(shí)可以根據(jù)鼠標(biāo)相對(duì)于控件的位置自動(dòng)選擇合適的工具。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)置VI程序窗口底色或者空間對(duì)象顏色需要配合使用“顏色提取”工具和“顏色設(shè)置”工具。LabVIEW提供了兩種給對(duì)象染色的方法：a．要使程序窗口的控件對(duì)象與其他控件對(duì)象的顏色相同，可以先用“顏色提取”工具獲取該顏色值，然后再用“顏色設(shè)置”工具去給控件對(duì)象染色。b．直接使用“顏色設(shè)置”工具，將它放置在染色的控件對(duì)象上，按下鼠標(biāo)右鍵彈出調(diào)色板，在調(diào)色板中移動(dòng)鼠標(biāo)選擇所需的顏色。2.控制模板控制模板與工具模板不同，控制模板只會(huì)出現(xiàn)在VI前面板開(kāi)發(fā)窗口，如果打開(kāi)的VI沒(méi)有出現(xiàn)控制模板，那么可以使用“ObjectPopup”工具在前面板上左擊，或在Windows菜單中選擇“ShowControlsPalette”，也可以通過(guò)在前面板中任意空白處單擊右鍵，都會(huì)彈出控制模板?？刂颇０灏薒abVIEW中所有的前面板對(duì)象。例如，數(shù)字控件、溫度計(jì)、指示燈、按鈕、開(kāi)關(guān)等?？梢酝ㄟ^(guò)控件模板創(chuàng)建前面板對(duì)象，控件模板按前面板對(duì)象的數(shù)據(jù)類型分類，包含一系列控件子模板。控件模板位于VI的前面板窗口中，在前面板窗口的主選單中選擇Windoews→ShowControlsPalette，可以彈出控制模板，在VI前面板窗口的空白處單擊鼠標(biāo)右鍵，也可以彈出控制模板。圖8控制模板LabVIEW8.5Express的控件模板與較早版本的LabVIEW相比，最大的特色就是增加了一些Express前面板對(duì)象，這些Express前面板對(duì)象按照其數(shù)據(jù)類型和操作屬性被分散到各個(gè)模板中。Express的含義是快速，即以一種極為快捷的方式創(chuàng)建和使用LabVIEW前面板對(duì)象或框圖程序中的功能。3.功能模板功能模板不同于控制模板，它只出現(xiàn)在流程圖編輯窗口中。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板，它們包含了編輯程序代碼所需要的VI子程序和函數(shù)。這些VI子程序和函數(shù)根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的功能被分組放在不同的子模板中，例如，結(jié)構(gòu)子模板、數(shù)組子模板、字符串子模板以及文件I/O子模板等。功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具，如果打開(kāi)的VI沒(méi)有出現(xiàn)功能模板，那么可以通過(guò)下面的3種方法來(lái)調(diào)出功能模板：選擇工具模板中的“ObjectPopup”工具，用鼠標(biāo)左鍵在流程圖上單擊以彈出功能模板。在Windows菜單中選擇“ShowFunctionsPalette”，也可以彈出功能模板。通過(guò)流程圖編輯窗口中的任意空白處右擊，也可以彈出功能模板。圖9功能模板4.2主控模塊主控模塊可以使各模塊之間按照系統(tǒng)的框架協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)動(dòng)作和通信，以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，該主控模塊提供有用戶接口，主控模塊可以通過(guò)調(diào)度各功能模塊來(lái)響應(yīng)用戶指令。本系統(tǒng)提供了形象逼真的儀器軟面板，以方便用戶使用。4.3結(jié)構(gòu)介紹本次設(shè)計(jì)選用的是While循環(huán)。While循環(huán)結(jié)構(gòu)位于功能模板的Structures子模板中，它同F(xiàn)or循環(huán)結(jié)構(gòu)有些不同，它是一種無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)，只要滿足條件就可以一直循環(huán)下去。它也包括兩端口：條件端口（輸入端口）、重復(fù)端口（輸出端口）。條件端口重復(fù)端口條件端口重復(fù)端口圖10While循環(huán)結(jié)構(gòu)條件端口輸入的是布爾型數(shù)據(jù)流，它用于判斷循環(huán)在什么條件下停止執(zhí)行，是可以進(jìn)行設(shè)置的。在條件端口的快捷菜單上有兩種控制方式：While循環(huán)默認(rèn)的是條件為真時(shí)停止；如果需要可選條件為真時(shí)繼續(xù)。如果與連接端口相連的是錯(cuò)誤信息簇參數(shù)，則條件端口的控制方式自動(dòng)變?yōu)槟J(rèn)值和停止錯(cuò)誤，分別表示遇到錯(cuò)誤時(shí)是繼續(xù)執(zhí)行還是停止執(zhí)行。While循環(huán)的移位寄存器的用法與For循環(huán)結(jié)構(gòu)非常類似，F(xiàn)or循環(huán)結(jié)構(gòu)默認(rèn)的是能夠自動(dòng)索引，而While循環(huán)結(jié)構(gòu)默認(rèn)的是不能自動(dòng)索引，如果需要使用自動(dòng)索引，可以在循環(huán)結(jié)構(gòu)的通道上右擊通道圖標(biāo)，然后在彈出的快捷菜單上執(zhí)行“EnableIndexing”命令。使用While循環(huán)的自動(dòng)索引功能時(shí)要特別注意，F(xiàn)or循環(huán)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)索引是把一個(gè)數(shù)組的所有元素取出之后就自動(dòng)退出，While循環(huán)則是在索引完之后，自動(dòng)在后面追加數(shù)據(jù)的默認(rèn)值，如果數(shù)組是布爾型的，則追加False；對(duì)于數(shù)值型則追加0。與For循環(huán)類似，LabVIEW中的While循環(huán)與其他編程語(yǔ)言相比也獨(dú)具特色。由于While循環(huán)的執(zhí)行是由條件端口控制的，所以，編輯時(shí)如果不注意，就可能會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)。所以，編程時(shí)要盡量避免死循環(huán)情況的出現(xiàn)。編程時(shí)最好在前面板上臨時(shí)添加一個(gè)布爾按鈕，與邏輯控制條件相“與（And）”后再連至條件端口。這樣，如果程序運(yùn)行時(shí)一旦出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤而導(dǎo)致死循環(huán)時(shí)可以通過(guò)這個(gè)布爾按鈕強(qiáng)行結(jié)束程序的運(yùn)行。等完成所以程序開(kāi)發(fā)，經(jīng)檢驗(yàn)程序運(yùn)行無(wú)誤后，再將這個(gè)布爾按鈕去掉。當(dāng)然，當(dāng)出現(xiàn)死循環(huán)時(shí)，通過(guò)窗口工具條上的停止按鈕也可以強(qiáng)行終止程序的運(yùn)行。4.4仿真設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是對(duì)家用或工廠的鍋爐的液位進(jìn)行控制。下面對(duì)系統(tǒng)的框圖進(jìn)行具體介紹。4.4.1系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)該鍋爐液位控制系統(tǒng)前面板由四部分組成。（1）鍋爐及加熱器。前面板中的圖形來(lái)自Control/Modern/Numeric/tank和Control/Modern/Boolean，其主要的功能是實(shí)現(xiàn)水箱水平變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)水溫過(guò)低時(shí)對(duì)水箱進(jìn)行加熱的過(guò)程；圖中的閥是用來(lái)控制水箱中水的流入情況，當(dāng)水箱水位低于設(shè)定最低水平時(shí)，閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)往水箱中加水，當(dāng)水箱溫度達(dá)到了設(shè)定的最高水位時(shí)，閥自動(dòng)關(guān)閉。（2）三部分?jǐn)?shù)據(jù)控制按鍵，圖形來(lái)自Control/Modern/Numeric，從上到下分別為：①原始數(shù)據(jù)方框：鍋爐的原始水位，鍋爐中的原始水溫。②鍋爐極值數(shù)據(jù)方框：鍋爐的水位最高和最低限制、鍋爐的水溫最高和最低限制。③鍋爐速度控制方框：流入鍋爐的水速、流入水溫、循環(huán)同期、熱量流入率。這里對(duì)流入鍋爐中水的基本情況進(jìn)行設(shè)定，以便于對(duì)鍋爐進(jìn)行控制。（3）示波器的圖形顯示窗口：鍋爐水位變化曲線、鍋爐水溫變化曲線。第一個(gè)窗口顯示的是鍋爐水面高度變化的曲線，它是在設(shè)定的范圍內(nèi)呈線性變化的；第二個(gè)窗口是鍋爐內(nèi)水的溫度變化曲線，它的變化情況基本反映