基于LabVIEW的锅炉液位控制系统的仿真设计

第一章绪论1.1课题的意义1.1.1锅炉1、什么是锅炉将其它热能转变成其它工质热能，生产规定参数和品质的工质的设备称为锅炉。锅炉设备中，吸热的部分称为锅，产生热量的部分称为炉。例如水冷壁、过热器、省煤器等吸热的部分可以看成是锅；而炉膛、燃烧器、燃油泵，送、引风机可以看成是炉。现代化的锅炉不像一般家庭用的锅和炉那样分得清楚。例如空气预热器既是吸热的部分，又是产生热量的部分，既可以看成是锅的部分也可以看成是炉的部分。2、锅炉如何分类锅炉可按不同的方式分类：①按锅炉燃用的燃料分类可分为：燃煤炉、燃油炉和燃气炉。②按燃烧方式分类可分为：层燃炉、室燃炉和介于二者之间的沸腾（流化床）炉。③按锅炉水循环方式分类可分为：自然循环锅炉、强制循环锅炉和复合循环锅炉。④按有无汽包分类可分为：汽包锅炉和直流锅炉。⑤按蒸汽压力分类可分为：低压锅炉、中压锅炉、次高压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界压力锅炉和超临界压力锅炉。⑥按管内通过的是水还是烟气分类可分为：火管锅炉、水管锅炉和水火管组合式锅炉。⑦按锅炉的用途分为：生活锅炉、工业锅炉、电站锅炉和热水锅炉。3、什么是火管锅炉所谓火管锅炉就是燃料燃烧后产生的烟气在火筒或烟管中流过，对火筒或烟管外水、汽或汽水混合物加热。4、什么是水管锅炉所谓水管锅炉，就是水、汽或汽水混合物在管内流动，而火焰或烟气在管外燃烧和流动的锅炉。5、什么是循环流化床锅炉循环流化床锅炉是在流化床锅炉（又称鼓泡床或沸腾床锅炉）的基础上改进和发展起来的一种新型锅炉。循环流化床锅炉保留了流化床锅炉的全部优点，而避免和消除了流化床锅炉存在的热效率低、埋管受热面磨损严重和脱硫剂石灰石利用不充分、消耗量大和难于大型化等缺点。循环流化床锅炉床料处于流化状态与流化床锅炉是相同的，前者与后者的主要区别是前者的流化速度较高，炉膛出口烟气中物料的浓度很高，大量的物料被炉膛出口的物料分离器分离后返送回炉膛，即有大量物料在炉膛和物料分离器之间循环。6、蒸汽锅炉蒸汽锅炉是用热能加热水（工质）产生蒸汽的设备。它由锅和炉两部分组成：锅是锅炉接受热量，并把热量传给工质的受热面系统；炉是指锅炉中把燃料的化学能变为热能的空间和烟气流通的通道。通常用“吨/时”或“t/h”表示锅炉的容量。用“Mpa”或“兆帕”（旧单位用“公斤力/厘米2”或“kgf/cm2”）表示锅炉的额定压力，用7、热水锅炉是指载热工质为热水的锅炉。通常用“MW”（兆瓦），旧单位用“万千瓦/时”或“万大卡/时”，即“104kcal/h”表示锅炉的容量，用“Mpa”表示锅炉的额定压力，用“℃”表示热水温度。热水锅炉主要用于北方采暖，分为高温热水锅炉（热水温度为130℃或更高一些）和低温热水锅炉（热水温度在958、有机热载体炉是指载热工质为高温导热油（也称热煤体、热载体）的新型热能转换设备。通常也用“MW”（兆瓦）表示炉的容量，旧单位也用“万千瓦/时”或“万大卡/时”，即“104kcal/h”表示。有机热载体炉（也称导热油炉）的优势在于“高温低压“、运行平稳而被广泛运用。有机热载体炉有液相、气相之分。我司有机热载体炉为液相。9、锅炉容量是指蒸汽锅炉、热水锅炉、有机热载体炉提供热能的一种能力。容量大供热的能力大、出力大；反之就小。如：容量为1t/h蒸汽锅炉，即表示该锅炉在1小时内可以将1吨的水变成一定压力下饱和蒸汽的能力；如0.7MW的热水炉和有机热载体炉表示可以在1小时内产生相当于0.7MW功率的热量（相当于1吨蒸汽的热量）。本次设计的是热水锅炉，确切的说是低温热水锅炉，重要用于北方取暖，和生活用水。1.1.2锅炉的发展1.锅炉的发展分锅和炉两个方面。18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括瓦特的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。18世纪后半叶改用高于大气压力的蒸汽。19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8兆帕左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉，后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰开夏锅炉。1830年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火(烟气)在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。19世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，从30年代开始应用直流锅炉，40年代开始应用辅助循环锅炉。辅助循环锅炉又称强制循环锅炉，它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等蒸发受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，70年代最大的单台容量是27兆帕压力配1300兆瓦发电机组。后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。因此，不但要求发展各种炉型来适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物(硫氧化物和氮氧化物)早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的“统仓风”发展成分段送风。早期炉膛低矮，燃烧效率低。后来人们认识到炉膛容积和结构在燃烧中的作用，将炉膛造高，并采用炉拱和二次风，从而提高了燃烧效率。发电机组功率超过6兆瓦时，以上这些层燃炉的炉排尺寸太大，结构复杂，不易布置，所以20年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。煤由磨煤机磨成煤粉后用燃烧器喷入炉膛燃烧，发电机组的容量遂不再受燃烧设备的限制。自第二次世界大战初起，电站锅炉几乎全部采用室燃炉。早年制造的煤粉炉采用了U形火焰。燃烧器喷出的煤粉气流在炉膛中先下降，再转弯上升。后来又出现了前墙布置的旋流式燃烧器，火焰在炉膛中形成L形火炬。随着锅炉容量增大，旋流式燃烧器的数目也开始增加，可以布置在两侧墙，也可以布置在前后墙。1930年左右出现了布置在炉膛四角且大多成切圆燃烧方式的直流燃烧器。第二次世界大战后，石油价廉，许多国家开始广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。70年代石油提价后，许多国家又重新转向利用煤炭资源。这时电站锅炉的容量也越来越大，要求燃烧设备不仅能燃烧完全，着火稳定，运行可靠，低负荷性能好，还必须减少排烟中的污染物质。在燃煤(特别是燃褐煤)的电站锅炉中采用分级燃烧或低温燃烧技术，即延迟煤粉与空气的混合或在空气中掺烟气以减慢燃烧，或把燃烧器分散开来抑制炉温，不但可抑制氮氧化物生成，还能减少结渣。沸腾燃烧方式属于一种低温燃烧，除可燃用灰分十分高的固体燃料外，还可在沸腾床中掺入石灰石用以脱硫。1.1.3锅炉的重要性火力发电是我国电力能源的主要来源。大型火力发电机组是由锅炉、汽轮发电机组等设备构成，它利用锅炉生产的过热蒸汽来推动汽轮机运转，带动发电机组发电。锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。锅炉控制的目的是供给合格的蒸汽，使锅炉产气量适应符合的需要，同时保证燃烧的经济性、安全性。液位控制技术作为锅炉系统控制中较为重要的一项技术，也成为了锅炉制造企业技术含量的衡量点。锅炉液位是通过操纵流进量或流出量来控制的，因此其液位被认为是比较容易控制的回路。但是，在实际生产运行中，锅炉的液位控制直接影响了锅炉是否正常运行以及运行的安全状况。目前我国的燃烧锅炉的数量众多，我国现在中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我原煤产量的四分之一，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。国家在第12个五年计划的科技创新指南中，对光电一体化、资源与环境、新能源与高效节能的指南性课题中明确指出：需要自动化程度高、节能潜力大、提高安全系数、减轻劳动强度、价格低的新型测控装置。要求节约率达到百分之五以上，装置投资的回收期在一年以内，采暖锅炉为三年以内。如小型链条式工业锅炉用的是新型测控装置。因此这个课题后现实的意义且市场的前景良好。在现代社会中，随着计算机，电子技术的飞速发展，居民生活区的集中热力供应量的需求越来越大，蒸汽锅炉的容量不断提高，对操作过程要求更加严格，锅炉的液位控制直接影响人们自身和设备的安全，液位过低可能使锅炉出现干烧现象，液位过高又会使锅炉蒸汽压力过高，发生危险。传统的液位控制不能进行远距离的集中控制，自动化程度低，调节精度差等缺点，且单靠人工操作已不能适应，控制系统改造的必要性随着科学技术的不断进步,被控对象越来越复杂,人们对控制精度的要求不断提高。因此，对热控设备的改造成为一个十分迫切的问题.而锅炉原来采用的是常规测量指示仪表，反应缓慢，无人机界面功能，基本不具备自动调节与控制功能。此外由于系统的逐渐老化，使得机组在运行中存在很多隐患，威胁机组的运行安全，热工人员的维护工作难度越来越大。锅炉是能量转化的重要设备，目前我国的燃煤锅炉数量众多，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/4，目前,我国相当的一部分锅炉，还在使用仪表控制，仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态这样，不仅难以做到平稳操作，而且,生产条件差,运行效率低。因此，需要开发研制自动化程度高、节能潜力大、提高安全系数、减轻环境污染、减轻劳动强度、价格低的新型测控装置。要求节煤率达到5%以上，装置投资的回收期在1年以内，取暖锅炉为3年以内。本设计用labview控制锅炉的液位，实现了自动化控制，克服了传统使用仪表控制锅炉液位的缺陷。1.1.4国内外发展状况锅炉作为能源转换和消耗的设备已有两百多年的历史了，处于历史的原因，我国锅炉自动控制的水平一直都较低，锅炉微机控制是近几年是近年来开发的新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术密结合的产物。工业锅炉采用微机控制和原有控制方式相比具有明显优势，能够直观而集中的显示锅炉各运行参数，显示液位压力温度的状态。而作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，能够杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。锅炉工业的迅猛发展是近几年的事情，国外的锅炉工业50年代发展最快，70年代达到高峰。一直以来，用计算机实现锅炉的控制是控制领域的一个典型的问题，伴随着控制理论和技术的法发展，锅炉自动化控制水平也在逐渐提高，锅炉的自动控制，经历了30年代的单参数仪表控制，40年代的组成仪表复合参数仪表控制，以及60年代兴起的计算机过程控制几个阶段。而用labview实现的系统控制，也是近几年才发展起来的，是一个逐渐深入的过程，虽然与其他发达国家相比还存在差距，但是在此方面的进步却是很大的。国内对锅炉的控制的研究始于80年代初期。最初，大多数系统时在引进国外成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由手动到自动的过程。60年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是凭锅炉工人的经验，几乎谈不到自动控制。到70—80年代，逐步出现了由常规检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本低，易于操作和维护等优点，在大、中、小工业企业中得到了广泛应用，解决了不少自动化方面的问题。到了90年代，出现了以计算机作为自动化工具的过程控制技术，计算机控制系统运算速度快，控制精度高，并且具有分时操作功能，一台计算机可代替多台常规装置，计算机具有较强的记忆功能和逻辑判断功能，在环境或过程参数发生变化时，能及时做出判断，选择最优控制决策。纵观我国锅炉控制方面的理论研究，可以说与其它发达国家水平相差不大，但在应用水平上，差距较大。据有关资料统计，我国现在工业锅炉约30万台，随着生产的发展，工业锅炉的需要量正在以每年2万吨的速度增长，每年消耗的原煤2，108吨，占全国原煤产量的1/3，数量极其可观。但目前我国有中小型锅炉在使用中普遍存在调节手段有限、锅炉的出力不能随外界负荷变化及时变化等现象，从而降低了锅炉的效率，远远不能满足我国经济发展的需要。因此，从行业发展现状来说，尽管我国对锅炉控制的研究和推广已取得了很大的进展，但仍然存在问题较多，概括起来有以下一些特点：利用效率低、能源消耗大、系统在节能降耗方面还有待于进一步加强。系统成本相对较高，下降幅度还有很大空间。系统对先进控制技术的使用停留在系统局部控制上，在综合系统中总体不足。综上所述，进一步提高、完善和推广已经取得的国内外研究成果，将是当前的一项重要任务。锅炉控制的自动化研究方向应该集中在以下几个方面：提高控制器的可靠性。实际控制工程中，要求控制器简单，计算时间短，目前研究的先进控制策略往往结构复杂，计算时间长，且大部分研究成果仍处实验室仿真阶段，如何将其推向控制实际应用是今后的努力方向。提高控制系统的硬件水平。为了保证锅炉安全运行，要对锅炉本体的设计制造进行控制，以保证硬件质量，增强系统的性能。主要是提高硬件的可用性、可维护性，加强元器件的标准化，尽快提高设备的生产水平。加强控制系统一体化。要加强利用网络，使信息资源在控制装置中充分发挥其作用，推动控制系统向更高层次发展。降低设备造价。在锅炉设备的研制方面，要遵循通用化、标准化、专用化得设计原则，尽量减少安装时间，降低成本。实现智能化。要加强对检测技术的研究，提高对锅炉的温度、压力、流量等参数的检测水平，达到用智能化手段进行检测。进入21世纪以来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代，检测技术、计算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。21世纪第一个10年的热点必将是传感、执行与检测。锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应用方面也必将跨入数字化、网络化和智能化时代，而且对于大规模锅炉群控，检测技术、计算机技术和通讯技术的结合在一起，形成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。在锅炉控制理论方面，也有许多优秀的控制理论相继出现。例如，模糊控制理论和智能控制理论目前已经很好地应用在锅炉控制系统上。纵观上述，从锅炉控制的发展过程来看，仅靠人工加常规仪表，不仅难以做到平稳操作，安全生产也没有确定的保证，工人的劳动强度大，生产条件差，而且运行热效率低，浪费能源，污染环境。为此，世界上许多国家利用计算机的快速性、可靠性、准确性和多种特殊功能，以改善锅炉的监控品质，提高锅炉的热效率，节省能源，减少污染，具有广阔的应用前景。1.2现代检测技术的现状和未来随着计算机技术和现代测试技术的飞速发展，现代检测系统越来越复杂，需要测试的数据量也越来越大，对测试的速度、精度、实时性、数据可信度、完整性以及测试系统的可靠性、智能化、开放性等的要求也越来越高。因此传统的仪器测量和智能化的仪器已经不能满足现代测量技术的需要，虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限。在计算机上建立了测试控制系统，可以将许多信号处理的方法方便的应用到测量中，已经广泛用于军事、航空、航天、科研和工厂等民用场合。1.3LabVIEW研究的背景和意义虚拟仪器的出现很好的解决了很多问题。虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。在虚拟仪器系统中，用计算机灵活强大的软件代替传统仪器的某些部件，用人的智力资源代替许多物质资源，通过一组软件和硬件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所不具备的基础上形成虚拟仪器实验室。与传统的实验室相比，虚拟仪器实验室具有以下优势。（1）减少实验设备资金的投入。首先，在一台计算机上就可以实现诸如示波器、函数发生器、电压表、频谱分析仪器的功能，大大节约了仪器成本。其次，传统仪器维护费用高，需要耗费大量的人力物力。（2）虚拟仪器基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。过程控制是在现代检测过程中不可缺少的一部分，作为自动化专业的学生，必须了解过程控制，掌握整个系统的功能，会分析其各项参数。但许多生产过程都具有危险性，而且作为学生，目前还没有条件到工厂中了解整个过程。在这种情况下，过程控制平台的开发就具有了一定的意义，通过这个系统，可以让同学在实验室中通过操作计算机仿真软件了解整个过程，运行机制。第二章系统开发工具概述2.1虚拟仪器概述虚拟仪器（virtualinstrument）是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。与传统仪器一样，如果忽略它的跨网络的位置透明性，它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。图1反映了常见的虚拟仪器组建方案。图1虚拟仪器系统资料来源：泛华测控.虚拟仪器技术[DB/OL].2.1.1虚拟仪器的功能及特点虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器广泛应用于电子测量、电力工程、医疗、温度检测、振动分析、声学分析、故障诊断用教学科研等诸多领域。虚拟仪器最常见的应用是取代传统的台式仪器。随着插入式数据采集板速率的提高和触发技术的改进，插入式数据采集板技术使台式仪器获得了新生。在虚拟仪器所取代的仪器中，最常见的是示波器。通过利用虚拟仪器开发软件编制出的虚拟仪器程序，用户可以调整数据采集板的动作，使软件就像一台示波器一样显示输出的波型，同时虚拟示波器还可以进行许多分析工作。（1）丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发布能力，使得组建系统变得更加灵活和简单。（2）突出“软件就是仪器”的新概念。传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被除数软件所代替，由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。（3）仪器由用户自己定义。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时器和触发器功能，实现与外设、网络及其他应用的连接，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。（4）开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，因此用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。（5）便于构成复杂的测试系统，经济性好。虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布测试系统，进行远程测试、监控与故障诊断。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节约仪器购买和维护费用。2.1.2虚拟仪器技术的四大优势（1）性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

（2）扩展性强NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈束于当前的技术中。得益于NI软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

（3）开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

（4）无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。图2自定义仪器的用途资料来源：泛华测控.虚拟仪器技术[DB/OL].2.1.3虚拟仪器和传统仪器的比较传统仪器的功能固定且由厂商定义。传统仪器和基于软件的虚拟仪器具有许多相同的结构组件，但是在体系结构原理上完全不同，如图3所示。图3传统仪器虚拟仪器比较图资料来源：NI中国首页.虚拟仪器技术[DB/OL].每一个虚拟仪器系统都由两部分组成：软件和硬件。对于当前的测量任务，虚拟仪器系统的价格与具有相似功能的传统仪器相差无几，甚至比它低很多倍。而且，由于虚拟仪器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，随着时间的推移，节省的成本也不断累计。不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起，并利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备，功能完全由用户自定义。此外，利用虚拟仪器计数，工程师和科学家们还可以使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。以下是体现虚拟仪器灵活性的例子。一个应用，不同的设备图4在不同设备上使用同样的应用程序资料来源：吉林大学精品课程.虚拟仪器原理及应用[DB/OL].图4所示的例子中，一位工程师正在实验室的台式计算机PCI总线上使用NILabVIEW和M系列DAQ设备开发一个应用程序，以创建一个直流（DC）电压和温度测量应用。在完成了系统构建之后，他需要在一个生产层PXI系统上配置应用程序以完成新产品的测试。或者，他可能需要应用程序具有便携性，所以选择了NIUSBDAQ产品来完成任务。在这个例子中，无论是何种情况，他都可以在同一个程序中使用虚拟仪器而无须改变代码。（2）许多应用程序，一个设备图5许多应用程序重复使用硬件资料来源：吉林大学精品课程.虚拟仪器原理及应用[DB/OL].图5所示的例子中，一个工程师刚刚完成了一个利用最新的M系列DAQ设备和积分编码器测量电机位置的项目。他的下一个项目是监视和记录这个电机的功率。即使任务完全不同，他也可以重用同样的M系列DAQ设备，他所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发出新的应用程序。此外，如果需要的话，项目既可以与一个单一的应用程序结合，也可以运行在一个单一的M系列DAQ设备上。虚拟仪器可与传统仪器完全兼容，无一例外。虚拟仪器软件通常提供了与常用普通仪器总线（如GPIB、串行总线和以太网）相连接的函数库。除了提供库之外，200多家仪器厂商也为NI仪器驱动库提供了4000余种仪器驱动。仪器驱动提供了一套函数和仪器接口，每一个仪器驱动都专为仪器某一特定的模型而设计，从而为它独特的性能提供接口。自动测试工业中一个基本的趋势就是向基于软件的测试系统的重大转变。例如，美国国防部（DoD）是世界上最大的自动测试设备（ATE）客户之一。为了降低测试系统的成本并提高重用率，DoD通过海军的NxTest计划已经确定：将来的ATE要使用建立在模块化硬件和可重复配置的软件基础上的体系结构，称为综合性仪器。采用综合性仪器代表了将来军用ATE系统标准和规范的重大发展，并且反映出可重复配置的软件处于将来系统的核心地位这一基本转变。基于软件的测试系统的成功应用，例如综合性仪器，需要有对硬件平台和市场上软件工具的理解，以及对系统级体系结构和仪器级体系结构之间区别的理解。综合性仪器执行团体将综合性仪器定义为“一个可重复配置的系统，它通过标准化的接口连接一系列基本硬件和软件组件，从而发生信号或者使用数值处理技术进行测量”。这与虚拟仪器的许多性质是相同的，虚拟仪器是“一个软件定义的系统，其中基于用户需要的软件定义了通用测量硬件的功能”。两种定义享有共同的性质，即运行于商用硬件之上的可自定义功能的仪器。通过将测量功能转向用户可接触并可重复配置的硬件，那些采用这种体系结构的仪器从具有更大灵活性和可重复配置功能的系统中受益，而且这些系统反过来又提高了性能并降低了成本。虚拟仪器（virtualinstrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW2009，LabVIEW2009为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEWReal-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的３２位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件。2.2LabVIEW概述2.2.1LabVIEW简介LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面——前面板（FrontPanel）和相当于源代码功能的框图程序（Diagram）。前面板接受来自框图程序的指令。在VI的前面板中，控件（Controls）模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序；而指示器（Indicators）则是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据。当把一个控件或指示器放置到前面板上时，LabVIEW便在框图程序中相应的产生了一个终端（Terminals），这个从属于控件或指示器的终端不能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才会随之一起被删除。用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从函数面板（FunctionPalette）中选择需要的函数节点（FunctionNode），将之置于框图上适当的位置；然后用连线（Wires）连接各函数节点在框图程序中的端口（Port），用来在函数节点之间传输数据。这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层（TopLevel）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。一个VI用在其它VI中，称之为subVI，subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的；为了区分各个subVI，它们的图标是可编辑的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用任务分解成为一系列的子任务，每个子任务还可以分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合。首先设计subVI完成每个子任务，然后将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI。图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最有前途的发展方向。2.2.2LabvIEW的意义对于新产品开发，为了依靠新产品特别是高端产品的高附加值来获取高利润，采用低成本、高时效性和高稳定性的测试系统开发新机型、新技术就显得非常必要。采用美国NI公司的LabVIEW图形开发软件，利用PXI高速稳定的采集卡以及简单的接口电路完成各项参数的测量，其优势非常明显。这套系统组成简单、性能可靠、开发周期短，这些特点对于开发新产品，验证和测试控制逻辑，加快温度测试和研发速度，节省实验成本都有着重要的意义。2.2.3LabvIEW解决方案LabVIEW自1986年正式推出，至今已发展到以最新版本LabVIEW8.6Express为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制和PID控制等众多软件包，可运行于现今所有Windows系统、Linux,Macintosh,Sun和HP-UX等多种平台的工业标准软件开发环境。其已被广泛应用于包括航空航天、工业自动化、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围内的众多领域，其概括如下:LabVIEW应用于测试与测量LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB,VXI,PLC、串行设备和插卡式数据采集板卡可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet,ActiveX,DE、和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试测量任务变得简单易行.LabVIEW应用于过程控制和工业自动化LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控制和工业自动化提供了优秀的解决方案.同时由于NI公司提供有全系列的基于PC的多功能板卡，其与LabVIEW在底层即实现了软、硬件的无逢连接，节约了系统的构建时间并增强了系统可靠性。LabVIEW应用于实验室研究与自动化LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高技数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域分析等众多科学领域。在联合时域分析、小波和数字滤波器等高级或特殊分析场合，LabV工EW提供有专门的附加软件包。2.2.4LabVIEW软件的特点Labview是一种图形化得程序语言，使用这种语言编辑时，基本上不用写程序代码，取而代之的是流程图。Labview尽可能地利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的的术语、图标和概念。因此，labview是一个面向最终用户的工具，它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。Labview是通过图形符号来描述程序的行为，它消除了令人烦恼的语法规则，减轻了用户编程的负担，可以把效率提高数十倍，其主要特点可归纳为如下几点：（1）具有图形化的编程方式，是真正面向科学家和工程师的语言。（2）32bit的编译器编译生成的程序可保证数据采集、测试方案的高速执行。（3）提高了大量的虚拟仪器和函数库来帮助编程。（4）采用传统的调试手段与新颖的高亮显示，更有利于编程人员进行调试。（5）囊括了各种仪器通信总线标准的所有功能函数，方便了那些不懂总线标准的用户也能够驱动不同的总线标准接口设备与仪器。（6）强大的网络功能，支持常用的网络协议，可以进行网上发布以及远程监控仪器。第三章系统方案3.1.1主要研究内容该仿真系统能够显示仿真锅炉控制系统的流量和液位。锅炉控制系统中的流量和液位都可以设定。3.1.2目标和要求（1）锅炉的工作液位：1m—3m。（2）工作温度的上下限在60℃—90℃（3）实现显示锅炉历史液位曲线，锅炉入口流量曲线要求画出系统面板图，设计方框图。3.1.3特色在液位检测和实时数据分析等领域不可缺少。课题中采用虚拟仪器技术，实现直观，高可靠性，低成本测量，特别对于labview软件的开发具有重要意义。3.1.4根据所选的课题上网，去图书馆查文献资料，确定设计的大体思路及框图，掌握LabVIEW软件的使用方法，掌握相关传感器性能、使用方法及转换电路原理，掌握无线通信技术。以LabVIEW为开发平台，开发基于LabVIEW锅炉液位控制系统。3.1.5研究方法（1）信号模拟：利用LabVIEW图形化控件模拟传感器采集信号过程。（2）信号调理：LabVIEW函数选板上提供了很多信号处理函数，利用这些函数可以方便地对信号进行滤波等分析处理。（3）信号分析：信号分析包括时域分析和频域分析。时域分析函数主要有直交流成分检测、卷积、逆卷积、相关分析、微分、积分、门限检测等。频域分析是数字信号处理中最常用、最重要的方法，频域分析函数被划分为两个面板，一个是变换面板，该面板实现的函数功能主要有傅里叶变换、小波变换、拉普拉斯变换等，另一个是谱分析面板，该面板所包含的函数主要包括功率谱分析、联合时域分析等。数据采集卡计算机水泵A/D锅炉传感器数据采集驱动器D/A控制器数据采集卡计算机水泵A/D锅炉传感器数据采集驱动器D/A控制器图6计算机液位控制系统组成框图第四章设计与实现4.1模块介绍设计一个LabVIEW应用程序，主要是利用LabVIEW提供的3个模板完成，即：工具模板（ToolsPalette）、控制模板（ControlsPalette）和功能模板（FunctionsPalette）。这些模板集中反映了该软件的功能与特征。1.工具模板工具模板在LabVIEW的两个工作窗口中都存在，如果打开的VI没有出现工具模板，那么在Windows菜单中选择“ShowToolsPalette”或【Shift】键的同时右击，即可弹出如图所示的工具模板。图7工具模板工具模板为编辑者提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。当从工具模板内选择任一种工具后，箭头就会变成该工具特定的形状。用鼠标拖动模板窗口的标题栏可以移动工具模板的位置。将鼠标放置在某一个工具的图标上，LabVIEW会自动显示该工具的功能说明。LabVIEW8.5Express的工具模板还提供了工具自动切换按钮，在操作时可以根据鼠标相对于控件的位置自动选择合适的工具。一般来说，设置VI程序窗口底色或者空间对象颜色需要配合使用“颜色提取”工具和“颜色设置”工具。LabVIEW提供了两种给对象染色的方法：a．要使程序窗口的控件对象与其他控件对象的颜色相同，可以先用“颜色提取”工具获取该颜色值，然后再用“颜色设置”工具去给控件对象染色。b．直接使用“颜色设置”工具，将它放置在染色的控件对象上，按下鼠标右键弹出调色板，在调色板中移动鼠标选择所需的颜色。2.控制模板控制模板与工具模板不同，控制模板只会出现在VI前面板开发窗口，如果打开的VI没有出现控制模板，那么可以使用“ObjectPopup”工具在前面板上左击，或在Windows菜单中选择“ShowControlsPalette”，也可以通过在前面板中任意空白处单击右键，都会弹出控制模板。控制模板包括了LabVIEW中所有的前面板对象。例如，数字控件、温度计、指示灯、按钮、开关等。可以通过控件模板创建前面板对象，控件模板按前面板对象的数据类型分类，包含一系列控件子模板。控件模板位于VI的前面板窗口中，在前面板窗口的主选单中选择Windoews→ShowControlsPalette，可以弹出控制模板，在VI前面板窗口的空白处单击鼠标右键，也可以弹出控制模板。图8控制模板LabVIEW8.5Express的控件模板与较早版本的LabVIEW相比，最大的特色就是增加了一些Express前面板对象，这些Express前面板对象按照其数据类型和操作属性被分散到各个模板中。Express的含义是快速，即以一种极为快捷的方式创建和使用LabVIEW前面板对象或框图程序中的功能。3.功能模板功能模板不同于控制模板，它只出现在流程图编辑窗口中。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板，它们包含了编辑程序代码所需要的VI子程序和函数。这些VI子程序和函数根据其实现的功能被分组放在不同的子模板中，例如，结构子模板、数组子模板、字符串子模板以及文件I/O子模板等。功能模板是创建流程图程序的工具，如果打开的VI没有出现功能模板，那么可以通过下面的3种方法来调出功能模板：选择工具模板中的“ObjectPopup”工具，用鼠标左键在流程图上单击以弹出功能模板。在Windows菜单中选择“ShowFunctionsPalette”，也可以弹出功能模板。通过流程图编辑窗口中的任意空白处右击，也可以弹出功能模板。图9功能模板4.2主控模块主控模块可以使各模块之间按照系统的框架协议来协调动作和通信，以及实现人机交互功能，该主控模块提供有用户接口，主控模块可以通过调度各功能模块来响应用户指令。本系统提供了形象逼真的仪器软面板，以方便用户使用。4.3结构介绍本次设计选用的是While循环。While循环结构位于功能模板的Structures子模板中，它同For循环结构有些不同，它是一种无限循环结构，只要满足条件就可以一直循环下去。它也包括两端口：条件端口（输入端口）、重复端口（输出端口）。条件端口重复端口条件端口重复端口图10While循环结构条件端口输入的是布尔型数据流，它用于判断循环在什么条件下停止执行，是可以进行设置的。在条件端口的快捷菜单上有两种控制方式：While循环默认的是条件为真时停止；如果需要可选条件为真时继续。如果与连接端口相连的是错误信息簇参数，则条件端口的控制方式自动变为默认值和停止错误，分别表示遇到错误时是继续执行还是停止执行。While循环的移位寄存器的用法与For循环结构非常类似，For循环结构默认的是能够自动索引，而While循环结构默认的是不能自动索引，如果需要使用自动索引，可以在循环结构的通道上右击通道图标，然后在弹出的快捷菜单上执行“EnableIndexing”命令。使用While循环的自动索引功能时要特别注意，For循环结构的自动索引是把一个数组的所有元素取出之后就自动退出，While循环则是在索引完之后，自动在后面追加数据的默认值，如果数组是布尔型的，则追加False；对于数值型则追加0。与For循环类似，LabVIEW中的While循环与其他编程语言相比也独具特色。由于While循环的执行是由条件端口控制的，所以，编辑时如果不注意，就可能会出现死循环。所以，编程时要尽量避免死循环情况的出现。编程时最好在前面板上临时添加一个布尔按钮，与逻辑控制条件相“与（And）”后再连至条件端口。这样，如果程序运行时一旦出现逻辑错误而导致死循环时可以通过这个布尔按钮强行结束程序的运行。等完成所以程序开发，经检验程序运行无误后，再将这个布尔按钮去掉。当然，当出现死循环时，通过窗口工具条上的停止按钮也可以强行终止程序的运行。4.4仿真设计本系统的设计目的是对家用或工厂的锅炉的液位进行控制。下面对系统的框图进行具体介绍。4.4.1系统前面板设计该锅炉液位控制系统前面板由四部分组成。（1）锅炉及加热器。前面板中的图形来自Control/Modern/Numeric/tank和Control/Modern/Boolean，其主要的功能是实现水箱水平变化的动态过程，当水温过低时对水箱进行加热的过程；图中的阀是用来控制水箱中水的流入情况，当水箱水位低于设定最低水平时，阀会自动打开往水箱中加水，当水箱温度达到了设定的最高水位时，阀自动关闭。（2）三部分数据控制按键，图形来自Control/Modern/Numeric，从上到下分别为：①原始数据方框：锅炉的原始水位，锅炉中的原始水温。②锅炉极值数据方框：锅炉的水位最高和最低限制、锅炉的水温最高和最低限制。③锅炉速度控制方框：流入锅炉的水速、流入水温、循环同期、热量流入率。这里对流入锅炉中水的基本情况进行设定，以便于对锅炉进行控制。（3）示波器的图形显示窗口：锅炉水位变化曲线、锅炉水温变化曲线。第一个窗口显示的是锅炉水面高度变化的曲线，它是在设定的范围内呈线性变化的；第二个窗口是锅炉内水的温度变化曲线，它的变化情况基本反映